新型气动数字压力阀特性研究

　　0　引言

　　气动数字阀是气动控制的关键部件,目前常用的数字阀大多由比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件构成,一般通过D/A接口实现数字控制,实质上是一种间接的数字控制。其缺点是:①由于控制器中存在模拟电路,易产生温漂和零漂;②增加了D/A接口电路;③比例电磁阀和力矩马达存在着固有的磁汇现象;④比例电磁铁的磁路由铁损而引起的温升较为严重。

　　新型气动数字压力阀与比例阀或伺服阀相比,具有结构简单、工艺性好、价格低廉、抗干扰及抗污染能力强、重复性好、工作稳定可靠、功率小等优点[1-2]。本文建立了气动数字压力阀及阀控压力系统的数学模型,通过MATLAB对数字阀的动态特性和实验系统的压力特性进行了模拟仿真。

　　1　结构及工作原理

　　气动数字压力阀的结构如图1所示。它主要由步进电机模块、阀体模块和阀座模块三部分组成:步进电机模块主要包括步进电机和偏心机构;阀体模块主要包括阀芯和阀套;阀座模块主要包括阀座和连接板。

　　步进电机在控制信号的作用下工作并通过偏心机构作用于阀芯,偏心机构将其自身的旋转运动转化为阀芯的直线往复运动,从而实现步进电机对阀芯运动的控制。该阀为圆柱滑阀形式,圆柱滑阀在设计合理的情况下,可使阀芯的径向力得到很好的平衡,即静压力的合力为零。数字阀通过调整阀芯的位移来控制节流口的开度以起到调整阀口气体流量的目的。

　　图2所示的机构为数字压力阀的偏心机构。步进电机输出轴转动,带动偏心机构的主轴转动,偏心机构主轴的头部有一段小轴,主轴与小轴的轴线偏离距离e,偏心小轴的转动带动阀芯做水平移动。偏心机构每旋转一周,阀芯做一次往复运动。根据几何和运动学关系可以得到阀芯的水平位移xv与步进电机转子转角θ之间的关系为

　　阀芯位移与转子转角的关系如图3所示。

　　2　数字压力阀的数学模型

　　由于气体流动状态复杂,为研究的方便,作如下假设:①工作介质为理想气体;②在同一容器内压力场和温度场都是均匀的;③气体流动为等熵流动。

　　数字压力阀的数学模型包括两部分,即步进电机和阀体。

　　2.1　混合式步进电机的力矩方程

　　混合式步进电机的力矩方程为

　　式中,Ti为静转矩;zi为转子齿数;θm为磁场的旋转角度。电磁转矩Te作用下的机械运动方程为

　　式中,J为偏心机构及阀芯的整合转动惯量;D为黏性阻尼;TL为负载摩擦转矩。

　　2.2　阀口流量连续方程