高速开关阀的设计及数字仿真
作者：胡学青曹吉花王洪艳
来源：《数字技术与应用》2011年第07期
摘要：高速开关阀是20世纪80年代发展起来的一种具有响应速度快、结构简单、抗污染能力强、与电子电路配合好等特点的电液控制转换元件。

只要控制脉冲频率或脉冲宽度，就能对流量进行连续的控制，高速开关阀是一种非常有前途的数字阀，发展这种数字元件将是工业现代化的必然选择。

为了进一步提高高速开关阀的响应频率，降低其响应时间,改善其性能。

首先从高速开关阀的理论出发，研究和分析其结构、工作原理和磁场分布等，根据其电磁特性和机械特性，建立数学模型，然后将数学模型线性化,转化为传递函数方框图；结合MATLAB /Simulink仿真工具，先把数学模型转化为仿真模型,代入参数后，进行数字仿真，生成动、静态仿真曲线图。

关键词：高速开关阀脉宽调制信号数学模型数字仿真
中图分类号：TK428 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)07-0055-01
1、数学仿真
数学仿真就是用数学语言去表达一个物体，并编制程序在计算机上对实际物体进行研究的过程。

这种数学表达就是数学模型。

数学仿真把研究对象的结构特征或者输入输出关系抽象为一种数学描述〔微分方程、状态方程等）来研究，具有很大的灵活性，它可以方便地改变物体结构、参数；而且速度快，可以在很短的时间内完成实际物体很长时间的动态演变过程；精确度高，可以根据需要改变仿真的精度；重复性好，可以很容易地再现仿真过程。

2、模型的建立
我们利用simulink子系统技术来建立计算机仿真模型：
首先构建高速开关阀整体模型，由单位阶跃信号作为输入信号，经过高速开关阀仿真模型模块，输出的信号由示波器显示。

然后根据高速开关阀的简化方框图编辑高速开关阀仿真模型模块。

2.1 仿真模块参数设置
高速开关阀仿真模型建立之后，首先需要按照系统的要求设置仿真摸块的参数。

(1)增益Ku是放大器电压放大系数；取值为200；
(2)L为衔铁与阀芯位移比例系数，取值为4.6；
(3)Mm为衔铁的重量，取值为0.260Kg；
(4)通过测试弹簧刚度为K s==3.Okgf/mm≈30N/mm；
(5)N为线圈匝数，取值为1000匝；
2.2 高速开关阀流量特性分析
液体流经高速开关阀的流量公式为
（4-2）
式中：Cd—流里系数，取0.67-0.74;
A—通流截面积；
高速开关阀通常采用脉宽调制的方法来控制开关阀的开启时间及关闭时间。

使得一个调制周期内阀输出的平均流量与相应周期的占空比成正比。

设qn为阀全开时的流量,由式可得阀在一个周期内的平均流量为:
（4-3）
导通时间tp与工作周期T之比tp/T为占空比。

占空比的理论取值范围是0
由式4-3可得：占空比越大，通过高速开关阀进入液压执行元件的平均流量越大，液压PWM控制模式正是通过改变占空比从而控制高速开关阀的启闭，再进一步控制由高速开关阀组成的整个液压系统。

这种调制信号一般由微机（包括单片机）产生，根据不同类型液压系统的工作要求，设计相应的电路，把控制程序输入给计算机，就能实现计算机对液压系统的控制。

总之，数字仿真是研究和分析高速开关阀的关健。

其具体实现主要是通过利用Matlab
/simulink软件来完成的。

本章中建立仿真模型后，分别对高速开关阀的一些参数进行了仿真分析，例如：信号发生器的频率、线圈匝数、衔铁质量及衔铁空行程等，得到这些参数的变化对高速开关阀的影响，为后续的试验打下基础。

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作者简介
胡学青（1970-），女，汉族，籍贯：广东省开平市，硕士，讲师,研究方向：电工电子。

基金项目
宿州学院自然科学研究项目（2009yzk06)。