换挡电磁阀的控制原理简述

本书的自动换挡操纵系统采用了四个高速响应的电磁开关阀作为换挡控制元件，下面对本系统所用电磁阀的控制原理进行相应的理论分析和试验研究，为换挡控制策略的设计提供依据。

图5.9　主变速器内部的换挡操纵机构机械连接示意图

根据换挡过程中换挡操纵机构的工作流程，可知换挡同步过程中操纵机构输出换挡力，作用于同步器，通过同步器的摩擦转矩消除同步器的主、从动部分之间的转速差，这一过程中操纵机构的运动速度几乎为零，因此可以认为是一个调节换挡缸内的平均压力的过程；换挡过程中除去同步过程之外的其他过程，换挡操纵机构的运动速度大，作用到结合套上的换挡力小，因此是一个控制油缸内平均流量的过程。通过以上分析，换挡过程的控制电磁阀应该具备调节换挡缸内平均油压和平均流量的能力。

1.电磁阀的流量控制原理

相较于伺服阀和比例阀，高速开关阀具有价格低廉、抗污染能力强的优点。同时高速开关电磁阀可采用不同的脉冲流量控制方式来实现流量和压力控制，如PFM （pulse frequency modulation，脉冲频率调制）、PAM（pulse amplitude modulation，脉冲振幅调制）、PCM （pulse code modulation，脉冲编码调制）和PWM 等，其中PWM 控制方式比较常用。图5.10 对PWM 控制原理进行了说明。

图5.10　PWM 控制原理

图5.10 （a）中的u 为控制器计算出的控制信号，将该信号与也是由控制器产生的一系列锯齿波信号进行比较，如果在某时刻u 的值大于锯齿波的值，则要求阀打开，否则关闭，从而得到如图（b）所示的一系列控制指令，将这一系列控制指令加到阀的控制线圈上，于是在每一个循环时间Tc 内，有ton的时间阀是打开的，有流量Qu 通过，Qu 的计算方程可表示为

式中，Qu 为阀最大流量，m3／s；Cd 为阀口流量系数；As 为阀的最大开口面积，m2；ρ 为流体密度，kg／m3；pi 为入口油压，MPa。

时间ton与Tc 之比称为占空比d，可表示为

如图5.10 （c）、（d）所示，由于时间Tc 非常小（常取0.01 ～0.15 s），因此可用平均流量Qu 表示：

式中，Qu 为开启平均流量，m3／s；d 为电磁阀PWM 驱动信号的占空比；pc 为平均输出控制压力，MPa；ρ 为流体密度，kg／m3。

而在阀关闭时，泄油的平均流量为

式中，Qo 为泄油平均流量，m3／s。

所以在一个周期内，出油口平均流量为

式中，Qs 为周期平均流量，m3／s。

从上述关系式可以导出平均流量特性的无因次关系式：

式中，

加∗号表示无因次量。

电磁阀在周期平均流量很小或接近于零时，可以通过改变PWM 信号的占空比，连续地控制阀的输出压力。

如图5.10 （e）所示，当电磁阀输出流量很小时，即由式（5.9）可得占空比和输出平均油压的关系式：

2.高速开关电磁阀控制操纵力的原理

下面主要讨论电磁阀在输出脉冲时，控制换挡操纵力的响应过程和油压波动的幅值。

1）压力响应

在调压控制时，电磁阀输出的控制油压是脉动的，在一个控制周期内密闭容腔既有液体流入，也有液体流出，可压缩流体的流量平衡方程：(www.xing528.com)

式中，p 为容腔内外压力差，MPa，等号右边第一项是流量引起体积的变化，第二项是压力引起体积的变化。

式（5.15）两边同时积分可得

式中，

式中，pl 为容腔压力，MPa。

假设负载容积不变，那么周期内压力的增加为

式中，Qi 为阀开启流量，m3／s；Qo 为阀关闭流量，m3／s；Vd 为阀后负载容积，m3；βe 为油液的体积弹性系数；Ts 为调制周期，s。

式（5.18）可以用来计算在占空比（目标压力）和容积腔初始压力一定的情况下压力的动态响应过程和响应时间。

2）压力振幅

电磁阀输出脉冲式的控制油压，其压力振幅大小随负载容积Vd、油液的体积弹性系数βe、阀的最大控制流量Qm、调制周期Ts 和调制占空比d 而变化。

在压力调节时，由前述的分析Qs ＝0，即

由式（5.6）、式（5.8）、式（5.9）、式（5.14），代入式（5.19），得

将式（5.19）两边同时积分，获得压力的振动幅值：

从上述分析可以看出，在占空比50%时由于开启和关闭的平均流量最大，其压力振动的幅度最大，即

式中，Pa 为压力振动幅值，MPa。

通过式（5.22）可以获得在调压控制时压力的最大振动幅值，由此在系统设计计算时可以先设定系统的压力振动的振幅，再设计负载容积的大小。通过换挡油缸工作腔容积计算，某一初始压力下，压力振动幅值与占空比的对应关系如图5.11所示。

图5.11　压力振动幅值与占空比的对应关系

对电磁阀的控制采用脉宽调制方式，即TCU 通过输出占空比作用到高速响应电磁阀上，电磁力迫使阀芯做同频率的开关动作，交替地使进油口或泄油口分别与出油口相通，控制间歇供油，最终表现为电磁阀输出油压的周期性波动，这等效于将一平均压力作用在油缸的工作腔内。通过调节驱动信号的占空比可改变每周期内供油和泄油时间的长短，进而使电磁阀输出油压随占空比变化，调节换挡缸输出的换挡力，通过换挡操纵机构作用在同步器上，改变同步器主、从动部分之间的摩擦力矩，实现同步过程的控制。

由于油源系统蓄能器的压力被控制在某一个压力范围内，采用间歇式供油，初始供油压力的差异也会导致同一电磁阀控制占空比下，换挡油缸工作腔内压力的差异。因此，电磁阀的调压和调流量特性对换挡操纵机构的控制影响较大，换挡油缸的输出压力特性是换挡过程控制的重要依据。

3）换挡油缸工作油压调节试验

根据以上分析，搭建了换挡油缸输出油压调节试验台，对换挡操纵油缸的输出工作油压特性进行了试验研究，试验曲线如图5.12所示。

图5.12　电磁阀调压试验曲线

图5.12 中试验数据的控制周期是32 ms，从图中数据可知，当占空比超过70%时，电磁阀调压不产生降压的效果，油缸输出压力等于系统的供油压力；占空比低于30%时，电磁阀调压不能输出压力，油缸内没有工作压力。通过对试验数据的总结，获取电磁阀控制占空比与油缸平均工作压力的对应关系，如图5.13所示，为下面的换挡过程控制策略研究提供了依据。

图5.13　20 ℃时缸内平均油压与占空比的对应关系