doi：10.11832/j.issn.1000-4858.2018. 09.007
邓勇\沙庆康1!2，向玉德田飞2
(1.南通大学机械工程学院，江苏南通226000; 2.科力远混合动力技术有限公司系统部，上海200000)
摘要：在分析比例电磁阀工作原理的基础上，建立比例电磁阀电流控制模型进行仿真。仿真表明，电磁阀控制频率过低会使比例阀占空比与输出电流间的比例性变差，产生控制误差，因此要选取合适的P W M 频率减小控制误差；根据感性负载的电流响应特性，以及混合动力汽车变速箱中比例电磁阀的工作频率要 求，提出P-I控制算法并进行实验验证，试验结果表明该算法可以根据比例电磁阀电流动态响应要求计算出 相应参数值，且满足控制需求。 关键词：比例电磁阀；P-I控制算法；控制特性；动态响应
中图分类号:T H137.5 文献标志码：B文章编号：1000-4858(2018)09-0038-06
诺维乔克
P-I Control Algorithm of Proportional Solenoid Valve in Gearbox
D E N G Y o n g1，SHAQing-kang “2,XIANGYu-de2,TIANFei2
(1.C o l l e g e o f Mechanical Engineering，Nantong U n i v e r s i t y，Nantong，J i a n g s u226000;
2.System Department，C o l i yu an Hybrid Technology Co.，L t d.，Shanghai200000)
Abstract；W e establish a current control model of proportional electromagnetic valve based on the analysis of operational principle of proportional electromagnetic v alve.The simulation shows t h a t too low a control frequency of solenoid valve w i l l make the proportionality between duty r ation of proportional valve and output current worse，and
a control error i s generated.So an appropriate P W M frequency should be selected.According t o current response
characteristics of perceptual load and working frequency requirements of proportional solenoid valve in hybrid vehicle transmissions，a PI control algorithm i s derived.The PI control algorithm can calculate dif f e r e n t parameter values according t o the dynamic response requirements of proportional solenoid valve and meet the control r:quir:m:nts.
Key words；proportional solenoid valve，P-I control algorithm，control characteristic，dynamic response
引言
深度混合动力汽车的模式切换是混合动力合成箱 的关键技术，其要求迅速、平稳、无冲击。比例电磁阀 作为混合动力汽车液压系统中的先导元件，其控制特 性对混合动力汽车模式切换有着重要的影响[1]。比例电磁阀工作频率从几百赫兹到几千赫兹不等，微小 控制误差也会导致明显的换挡冲击，比例电磁阀驱动 控制是影响比例电磁阀性能的关键性因素[2]，因此研 究比例电磁阀控制特性的工作对自动变速控制系统开 发具有重要的指导意义[3]。通过对比例电磁阀工作 原理的分析，推导出理论计算公式，建立比例电磁阀控 制数学模型进行仿真，仿真结果表明合适的P I D控制参数与P W M频率，能有效的减小电磁阀控制误差、提 高控制精度。通过设计液压实验进行验证，分析试验 数据，证实了研究内容的正确性与可行性。
1比例电磁阀工作原理
动力合成箱中选用的比例电磁阀为T0S0K公司 生产的SOL ASSY-N/L二位三通电磁阀，该比例电磁 阀主要由阀芯、弹簧、电磁线圈、衔铁等部分组成，图1
收稿日期;201877-10
基金项目；国家自然科学基金（61775118)
作者简介；邓勇（1965—），男，江苏南通人，教授，学士，主要从事高精度控制与测量的科研工作。
为比例电磁阀结构。比例电磁阀通电后，随着电流逐 渐增大，电圈产生的 逐渐增强，衔铁受到的电也逐渐增大，带动 产生 的位移。当衔铁
电大于摩 之和，衔铁推动 移动，油 随之打开，油进人阀，进化，油不断减小。
1.接线座
2.出油口
3.高压人油口
4.弹簧
5.后端盖
6.电磁线圈
7.泄油口
8.阀芯
9.阀体10.后端盖
图1比例电磁阀基本结构
随着电流变化，衔铁 电)位移和出油口油压也随之变化。电流、位移之间的对应，不断调整电流大小，位移，进 到控
油口油压的目的&4]。
电通电 弹簧弹力小于作用于阀的和静摩 总和，保电于闭合状态。当电 通电后，较小的电流就能产生足够的电推动 移动，并保 位移与电流成比例变化的 。
通过以上的工作原理可知，比例电磁阀工作原理 涉及4个部分：电、、机和流体，这4部分之间相 合[5]。各部分之间的耦合 2所。当电流确定后，电信号分析，输出电流O至电 圈产生 ，与此 中的磁链.的变化会反过来影响电流的 ；置于 中的衔铁在电 #的作用下会 弹簧，同
多聚赖氨酸产生的位移=、速度P会反作用于 ；流部分输出流 #流作用于上，的位移状态，影流体部分。因此，要 、精准的 比例电磁，首先要能精准 电流信号。
图2比例电磁阀内部原理耦合图2比例电磁阀控制特性研究
脉宽调制（Pulse Width Modulation，P W M)技术依靠改变脉冲宽度 不同的驱动电流，具有效率高、接单、抗 等，广泛应用于电、伺、变、变马达等感性的电流控制[6]。P W M的控参数有2个：占比E和频率/，电流确定，电流的大小；后 电身特性确定。在汽车变速 的中，比的载波率通常在几百赫兹到几千赫兹之间。的载波频率有较好的动态响应特性，但会增加电 的磁滞损和涡流损耗，导致过多的功率损失，且在 低
下 现 滞；相 用较低的载 率有效缓解上述现象，但低 身也存在寄生颤振大、难度高等缺点。通过研究发现采用P-I 算法能有效 低 的不足，使电 具有好的综合性能。
合 中的电磁阀控制流程 3所示。电流与颤振信号叠加后经P-S P W M信号，该P W M信号加载在电 圈上，等效成平均电流信号。圈有测流电阻 平均电流值形成反馈信号，加载至P-S，提高电流控精度 性。
目标
图3电磁阀控制流程
2.1 P-I闭环控制系统分析
电电流构 4 ，其中包含P-I控制部分、电电气部分和闭环反馈部分。
p-i控制电磁阀
图4电流闭环控制
其P-I控制规律可表示为：
&(〇 =Q P/(〇 + Q J/⑴d'
(1)
式中，Q/5 —比例控制项
Q —比例系数
—积分控制项
Q —积分时间常数[7]
其传递函数为％
GP i(j：)=-p^=Q + — ⑵
(R
比例电磁阀线圈的等效电路模型可以理解为电感 电阻串联后，再并联1极管构成一阶保护 ，其 函数为％
由式式(2)、式(3)组成的系统闭环传递函数为%
(4)式中，—加载在电 两端的供电电压
—测流电阻值
-—线圈的等效电阻
1—线圈电感
T O S O K电磁阀相关参数如下％3b a t =12 V;-_ = 0.2 '；Rc =5. 3 '；Lc=0. 031 H；Q=0. 035；Q= 18.6。上参数式（4)，获得电 函数 Bode 图， 5 。
10'110°101102103104
//Hz
图；电磁阀闭环函数Bode图三诺h222
分析传递函数B=e图可知，加人P-I控制算法 后，有效减小了 态 ，了电
的精度。进一步分析可知，采用了低 的电磁阀
系统，频率在100 H z以下幅值均维持在-3 d B，结合 颤振特性可知，外加Dithei•频率不宜超过此频率，否其颤振效果将会被 大幅；在低 中，寄生颤振振幅很大，且在际运用中难，但可以通过对电 的分析，借助Bodel助选择一当的载 率来对寄生颤振进行 ，使其能达到 相同的 效果。 5 ，选择300 4的率，变 的1/10，有效抑制寄生颤振。因此 函数Bodel颤振频率的 工作提供一定的理论 ，大大：标工作量，工作效率，使低 也能达到 控的效果。
2.2电气性能分析
比电等效 电阻 电感串联的电 模 型[8]。合设置P W M波的频率和占空比，可
线圈中 的平均电流和波动电流，波动电流是保持在小范围振动的因素之一[9-13]。其数学模 ％
f R + (/-d/-芸)A+0 <t #DT
<5= 、R E
t-D t
>■(/ + d/)e- 'DT<t #T
四神瓦当
(5)
峰值电流/ + d/和谷值电流/ - d/为：
7+d/ = f+ (/-d/-R R K D T
/-d/ = R R-(/-d/-R；)e_DT
平均电流/和电流波动值d/分别为％
D T(1-D)T
j U? (1 - e_' )(1 + e_')
_ 2R c—T
d/ = / X
(1 - D)T1-
(6)
(7)
式中，'----比例电磁阀的时间常数
D—P W M的占空比
T—P W M的周期
如图6所示，周 T越小，电流波动越小；占比越大，平均电流越大[12]。平均电流与占空比D的
7 。G e表示斜率J = 3b a t/)。且过零点的一条直线;J = T/' (J > J > J > J > J)表亦不同 的P W M频率下平均电流与占空比的 。
随着占空比D的增加，电流也在增加，近似
为比例性变化；且P W M频率越高，平均电流线性度越 好，电流与占空比的比
性越好。
图6不同P W M占空比、频率的电磁阀线圈电流
图7平均电流与占空比的关系
2.3 P-I控制参数算法
P-I控制算法能有效 电电流 效果，在际工作中，工程师 经验值，是大 复
的试验，来确一组合适的K P/K I值，反复 ：过程增加了工作量，且参数调整时没有理论。通 过研究采用一种灵活且有效的K P/K I算法，能有效减 工程师们的工作量，并能要求灵活改变
参数。其计算公式为：
式中，—电载波频率
&—精度系数
1 —系统设定的阻尼比1影响电磁阀瞬
态相应的 大小课堂内外小学版
为了有更好的响应特性，一 &=5;1=0.4_
0.707。
Q=(9)式中，" 比，一 "=0.2 ~0.9，果；式(9)计算的Q>0，则可以进行Q的计算，若计算的Q < 0，贝懦要增加#W M的频率，重新计算。通常情 况下#胃为电载 率 阻尼振荡频率的 1.2~2.1 倍。
2.51。2,、
Q^ ? 0- (10)由KP/K I计算公式 看出，当电磁选定其电阻电感值随之确定，P-I控制性能的好坏，取决于电
载 率#W M，相同的载 率#W M也 的要求，改变阻尼比1获得不同的 效果。
3数值
取 =12 V，-s e n s e =0.2 '，- =5.3 '，1。= 0.031 H，精度系数&= 5，阻尼比1 = 0. 5，电磁阀载波 频
率#wm =500 H z，带人参数计算得Q =0.25 ;Q = 103.328；带入载波频率#wm =3000 H z，Q =2.842 ;Q = 930；通过 Simuli-k得到 [13]结果，8 。
图8 KP/K I算法效果仿真图
由图8KP/KI算法效果仿真图，获得电磁阀控制 的重要参数，见表1。
表1电磁阀控制参数对比
参数
值
95 %/ms
稳定时
/ms
精度/%/%一阶系统 5.57.530.30
高频二阶系统 1.4799.915.2
低频二阶系统102793.713.3
合图8和1看：通过P-I控制算法，计 算出的KP/KI值带 好的 I 效果：一低应速度较快 后波动小，但是 精度 不到要求；虽、精度都有较好的表现，
功率损失较
图12局频电流响应图
合，满足电磁阀动态响应50 m s 以内的设计使用要求; 运用推导的P -I 算法， 在用较低
PWM 频率
情况下
变速
电
的使用要求，降低了能耗
损失。;
结论
通过对PWM 驱动的电磁线圈内电流特性研究，
发现PWM 频率过低会导致占空比与电流的比 性
度降低，而过的
PWM 频率会导致过多的功率损耗，
因此在选用驱动频率 率要综合考虑；利用论中的Bode 图分析电 ，能够准确了 性能，为选择合理PWM 频率参数提供 ；采用P -I 算
法，有效的实现了比例电
，该算法
电磁率计算出合适的KP /K I 值，
了大
复性
工作，且已在某混合动力汽车企业进行装车验证，检验
效果良好。参考文献：
& 1 ]宫文斌，刘昕晖，孙延伟.电液比例P ?M 控制方法& J ].
t/s
图11低频电流响应图
大，且在低
下
现
滞；低
的 比 稍长，但在变速箱，一般要求其响应 是70 m s 以内，因此低 阶全适用于变速 电磁阀的
。
4
验验试验验证的
9
，计算机
INCA 7.16 通过 CAN : HCU 电 ，电 通过BOB 接线盒接到电 ， 用电流钳采集电磁电流信号并通过ES 930进行模数 后上传至计
算机。
______^计算彳f 到理计算机监控
」in c lu d in g 论电流值
Legend CAN 信号二.USB 信号 INeA 7_16 ^-硬件信号
CAN
I u m
U S B —Including-
AD 转换 E S 930
.电磁阀上实
际电流信号
电流钳
一电磁阀
图=试验硬件接线示意图
图10试验硬件接线实物图
设定目标电流为0.8 A ，3b a t =12 V ，-e n s e =0.2 '， -=5.3 '，1C =0.031 H ，精度系数 &=4，阻尼比 1 = 0.4，电
载波频率#胃=300 H z ，带参数计算得
Q = 0. 13229，Q = 92. 25，试验结果如图11所示；精度 系数& =5，阻尼比1 = 0. 5，电磁阀载波频率#?m = 3125 H z ，带入参数计算得Q =3.28,Q =1025，试验结 果如图12
。
用P-I 控制算法计算
的K P /K I 值进行试
验，对比两组试验结果 看出，在低频情况下电磁阀
响应时间约45 m s ，高频响应 20 m s ；低频寄生颤振 0.38 A ，
寄生颤振约0.1 A 。
的寄
生颤振较小，在低温等某些
情况下，无法
摩 滞，影 工作。试验结果公共安全专家
％ 试验结果一致，
论分析吻
BOB
接线盒
05
0302.21.09 8J .6.54
.3
.2,1.0
1
1.1.0.0.0.0.0.0.0.0.00
s o e s
s
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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