高速电磁开关阀特性分析

高速电磁开关阀的特性包括静态特性和动态特性。静态特性又包括空载流量特性，即输出的平均流量与输入信号的脉宽占空比的关系曲线；以及负载流量特性，即输出平均流量与负载压力的关系曲线。通常阀的动态特性以频率特性和阶跃特性来衡量。但由于脉宽调制型（PWM）开关阀的频率特性随脉冲调制频率、占空比不同而变化，故只能作为参考。高速电磁开关阀的最小开启和闭合时间能够真正反映其动态特性。

1.高速电磁开关阀的静态特性

空载流量特性是高速电磁开关阀重要的静态性能之一，它基本反映了阀对系统的控制能力。目前已研制出的高速电磁开关阀的空载流量还比较小（<20L/min），只能用于较小的功率控制或作先导阀使用。

（1）理想空载流量特性 设高速电磁开关阀为一理想开关阀，即开关阀能瞬时对脉冲的上升沿和下降沿作出反应，开关阀的瞬时流量可表为

式中 ω——电磁开关阀阀口的面积梯度；

x_m——阀芯最大开口量；

ρ——工作介质密度；

C_d——流量系数；

T——脉冲信号周期，即载波周期；

t_p——脉宽，一周期T内高电平持续时间；

p_p-p_L——开关阀阀口前后油液的压力差。

在一个载波周期内的平均流量为

式中 τ——占空比，τ=t_p/T。

可见，当开关阀的前后压差（p_P-p_L）不变时，开关阀在一个载波周期内输出的平均流量与占空比成正比，如图6-29中的虚线。

（2）实际空载流量特性 考虑电磁铁的响应滞后时间，以及阀芯运动时间等的影响，这时计算通过开关阀的平均流量应利用平均开启量来进行，因此有

图6-29 开关阀的空载流量特性

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式中——开关阀阀芯的无因次平均位移；

x_m——阀芯的最大位移；

x_v——阀芯的位移。

从式（6-76）可见，平均流量与载波周期无关，实际试验表明在合理选择载波周期下，平均流量基本与周期无关，但影响流量调节的精确度，频率高流量曲线光滑，所以应尽可能采用较高的载波（调制）频率。但载波频率受下式的限制

式中 τ_s——高速开关阀的线性调制范围；

t_on——从电磁铁线圈加入电压的时间开始，一直到开关阀完全开启并停留在最大阀位移处所需的时间；

t_off——从电磁铁线圈断电到阀芯完全闭合所需的时间。

（3）流量—压力特性 开关阀的流量—压力特性仍然利用式（6-76）表示。它表示在一定的供油压力和占空比下，平均流量随工作压力p_L的变化情况，流量与压力呈抛物线规律变化。理论曲线如图6-30所示，随占空比增大，曲线向上移动。

图6-30 开关阀的流量—压力特性

2.高速电磁开关阀的动态特性

（1）高速电磁开关阀的阶跃特性 现有其他产品的技术指标中，一般以阶跃响应特性来衡量产品的快速响应性。阶跃响应的一个重要指标是过渡过程时间，即阶跃信号输入后，阀的响应从零到额定开度所需的时间，这个指标对开关阀来说很明确，使用起来也很方便，因为开关阀是利用阶跃信号来控制的，在一个方波信号的作用下，开关阀的实际位移响应曲线如图6-31所示。它分成三部分：第一部分为正阶跃响应；第二部分为稳态区；第三部分为负阶跃响应。在正阶跃响应区内，虽然真正的过渡时间会比总开启时间t_on大，但由于高速开关阀本身只工作在不停的启闭中，工作频率都较高，所以超调量并不影响一个载波周期内的特性。把t_on作为正阶跃响应的过渡过程时间，即方便又合理。在负阶跃响应中，由于机械限位的作用不会出现超调，但可能会出现一两个微小的反弹波，但不会对开关阀的特性有影响。因此把t_off作为负阶跃响应的过渡过程时间也同样是方便和合理的。

图6-31 开关阀的阶跃响应特性

总之，开关阀的总开启时间t_on和总关闭时间t_off代表了开关阀的正、负阶跃响应的过渡过程时间，它反映了高速开关阀的快速性。

（2）高速电磁开关阀的频率响应特性 按常规阀的频宽表示：对阀施加正弦波输入信号，然后求取输出响应的幅值与输入信号的幅值之比，当此比值下降到-3dB时所对应的频率即为频宽。但这对高速开关阀却无法实施。高速开关阀的频率响应特性不但与载波频率有关，还和占空比密切相关。

分析表明：要得到完全的开启响应，脉冲宽度t_p至少要持续t_on时间，要得到完全的关闭响应，负脉宽至少要持续t_off时间。因此要得到完全的启闭响应，脉冲周期最少应为T_c=t_on+t_off，当周期T小于T_c，换言之当调制频率f＞1/T_c时，则无论占空比为多少，开关阀不能作出完全响应，完全响应是指100%的开启和100%的关闭，可以把

称为临界频率。它是表征高速电磁开关阀动态特性的参数，它是能够得到完全响应的最高频率，f_c高，表明可使用较高的调制频率，增大线性区的范围，响应加快。