張 榛，汪旭東，王代華，梁 亮，潘 斌，張 良

0 引 言

變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可以為航天器的推進(jìn)與控制提供可控動(dòng)力，是航天器動(dòng)力系統(tǒng)的理想選擇，在軟著陸系統(tǒng)、無拖曳系統(tǒng)以及電推進(jìn)氙氣貯供系統(tǒng)中均得到了應(yīng)用[1-3].其中，流量調(diào)節(jié)技術(shù)是變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)之一，是變推力發(fā)動(dòng)機(jī)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn).

工業(yè)領(lǐng)域中，可以實(shí)現(xiàn)比例控制輸出的流量調(diào)節(jié)閥主要有電液伺服閥、比例電磁閥和電機(jī)閥.其中，電液伺服閥雖然具有精度高、死區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，但是容易被污染，易發(fā)生卡滯等故障，不適合應(yīng)用于空間飛行器[4].電機(jī)閥的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，也存在可靠性較低的問題.

比例電磁閥基于比例電磁鐵技術(shù)，可以通過改變輸入電流調(diào)整閥門的開度．從而實(shí)現(xiàn)流量的無級(jí)調(diào)節(jié)[5]，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、便于裝配、響應(yīng)快速、可靠性高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合空間推進(jìn)系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)的應(yīng)用需求.

但是，一般的比例電磁閥在應(yīng)用中存在以下局限性：(1) 無法適應(yīng)大負(fù)載工況.當(dāng)工作壓力較高或者閥門通徑較大時(shí)，閥門上下游會(huì)形成較高的壓力差，需要較大的電磁力才能克服壓差，打開閥門.但是閥門一旦開啟，壓差力又將大幅下降，導(dǎo)致閥芯的受力平衡關(guān)系被打破，使得閥門銜鐵難以保持在靜止的節(jié)流位置.因此，大部分比例電磁閥只能應(yīng)用于氙氣貯供和冷氣微推力調(diào)節(jié)等低負(fù)載小流量工況.(2) 電磁材料B-H曲線的非線性和遲滯特性會(huì)嚴(yán)重影響閥門電流輸入和流量輸出的比例特性[6-7]，不利于系統(tǒng)的開環(huán)控制.

本文提出了一種新型的比例電磁閥設(shè)計(jì)方案，在優(yōu)化比例磁路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用平衡腔結(jié)構(gòu)消除了壓差力的影響，使閥門可以始終工作于“近似空載”的狀態(tài)，并采用線性化控制器對(duì)電磁遲滯非線性現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了比例電磁閥在大負(fù)載工況下對(duì)流量的高線性度開環(huán)控制.

1 比例電磁閥的結(jié)構(gòu)方案

設(shè)計(jì)比例電磁閥，特別需要關(guān)注電磁力、彈簧力以及壓差力之間的三力平衡.從零流量到滿流量范圍內(nèi)，銜鐵必須能夠穩(wěn)定的保持在任意一個(gè)節(jié)流位置上，從而實(shí)現(xiàn)流量的無級(jí)調(diào)節(jié)[8-9].

因?yàn)閺椈闪﹄S銜鐵位移的變化遵循胡克定律，是線性關(guān)系，所以為了保證力的平衡關(guān)系，需要將問題聚焦于電磁力的控制和壓差力的消除.

1.1 磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用于非線性電磁鐵的經(jīng)典電磁力計(jì)算公式如下[10-11]：

(1)

其中，Φ為磁通，Rδ為氣隙磁阻，δ為氣隙長度.從式(1)看出，Φ與電磁力F之間是明顯的非線性關(guān)系.如圖1所示，勵(lì)磁電流I與Φ也是非線性關(guān)系.因此，需要通過磁路設(shè)計(jì)，使電磁力F和控制量I近似形成比例關(guān)系.

圖1 軟磁材料Φ-I曲線Fig.1 Φ-I curve of soft magnetic material

如圖2所示，在螺管式電磁閥的磁路結(jié)構(gòu)上，除了傳統(tǒng)的工作氣隙A區(qū)(作為銜鐵的作動(dòng)距離)以外，設(shè)計(jì)了一個(gè)較大的漏磁氣隙B區(qū).由于B區(qū)的存在，導(dǎo)致整個(gè)磁路的磁阻很大，可以確保閥門工作點(diǎn)位于低磁通區(qū)域，則閥門始終工作于Φ-I曲線的相對(duì)線性部分，如圖1所示.

圖2 比例電磁閥磁路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the proportional solenoid valve’s magnetic circuit structure

在銜鐵吸合過程中，隨著氣隙δ的減小，磁阻減小，磁通Φ增加，會(huì)導(dǎo)致電磁力急劇增大，打破與彈簧力之間的平衡關(guān)系.

為了抑制該問題，在磁路中增加了比例極靴結(jié)構(gòu)，如圖3所示.當(dāng)銜鐵遠(yuǎn)離吸合面時(shí)，比例極靴的尖角α靠近銜鐵，因此B區(qū)的側(cè)向漏磁相對(duì)較小，獲得較大電磁吸力來啟動(dòng)閥門；當(dāng)銜鐵開始吸合時(shí)，側(cè)向漏磁逐漸增多，磁通Φ相對(duì)減小，降低了電磁力的增速，從而有效的抑制了電磁力過快增長，使其與彈簧力保持相對(duì)平衡，令銜鐵可以懸停于中間位置.

圖3 銜鐵在不同位置時(shí)的間隙變化Fig.3 The gap changes of armature at different positions

使用Ansoft有限元仿真軟件，對(duì)比例電磁閥的靜態(tài)特性進(jìn)行模擬[12-13]，對(duì)B區(qū)間隙和比例極靴的尖角α角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).其優(yōu)化目標(biāo)是保證閥門在0.4 mm間隙至1.6 mm間隙的范圍內(nèi)，電磁力F與氣隙長度δ呈近似線性變化的關(guān)系(如圖4所示)，且盡量提高初始電磁力(間隙最大時(shí))，以使得閥門同時(shí)獲得較大的電磁力初始值和較高線性度.

圖4 有限元仿真計(jì)算的電磁力-位移關(guān)系Fig.4 The relationship between magnetic force and displacement

1.2 壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了消除介質(zhì)負(fù)載形成的壓差力，設(shè)計(jì)了平衡腔結(jié)構(gòu)，如圖5所示，以實(shí)現(xiàn)閥門從開啟到關(guān)閉全過程的壓力平衡[14].

圖5 比例電磁閥壓力平衡腔結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of the proportional solenoid valve’s pressure balance chamber

該平衡腔采用了一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用閥桿、閥體和閥座構(gòu)建了上下兩個(gè)壓力腔，上腔與入口連通，下腔與出口連通，兩個(gè)腔的壓力作用面積必須與密封面積相等.

所以，閥門從零流量至滿流量工作范圍內(nèi)，始終只需要考慮電磁力和彈簧力的作用.

2 控制模塊設(shè)計(jì)

由于比例電磁閥具有強(qiáng)感性的負(fù)載特性，并且存在遲滯的問題，所以需要配合前饋控制器模塊，結(jié)合相關(guān)的控制算法來進(jìn)行對(duì)閥門的電磁遲滯非線性現(xiàn)象的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)閥門流量與輸入控制信號(hào)的線性控制.

采用基于Bouc-Wen模型構(gòu)建的前饋控制系統(tǒng)[15-16]，其控制器原理框圖，如圖6所示.

圖6 比例電磁閥控制器系統(tǒng)總體原理框圖Fig.6 Total schematic diagram of the proportional solenoid valve’s control device

比例電磁閥的輸出電磁力與勵(lì)磁電流之間存在嚴(yán)重的遲滯特性，可將電磁閥執(zhí)行器的輸出力看成是線性分量和遲滯分量的疊加，并提出如下模型：

F(t)=kvIA(t)+h(t)

(2)

式中：F(t)為電磁閥的輸出電磁力；I(t)為電磁閥的勵(lì)磁電流；kv為電磁閥的輸出電磁力與作用電流之間的比率常量；h(t)為遲滯力分量.利用Bouc-Wen遲滯算子模擬遲滯位移分量，可以表示為：

(3)

式(2)～(3)構(gòu)成了電磁閥基于Bouc-Wen模型的前饋線性化控制方法.如圖7所示，通過對(duì)比例電磁閥的遲滯輸出力進(jìn)行“學(xué)習(xí)觀測(cè)”，可以求解A、β和γ的參數(shù)，然后利用得到的遲滯力對(duì)比例電磁閥的輸入電流進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)閥輸出力與輸入電流之間遲滯關(guān)系的線性化控制.

圖7 比例電磁閥的前饋線性化控制器原理圖Fig.7 Schematic diagram of the proportional solenoid valve’s feedforward linearized control

3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)及測(cè)試驗(yàn)證

采用上述技術(shù)方案，研制了一套比例電磁閥及其線性化控制器樣機(jī)，如圖8～9所示，可以實(shí)現(xiàn)250 N變推力單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的流量調(diào)節(jié).閥門等效通徑為4 mm，工作壓力可以達(dá)到10 MPa以上.

圖8 比例電磁閥實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 The photograph of the proportional solenoid valve

圖9 閥門線性化控制器照片F(xiàn)ig.9 The photograph of the valve’s control device

控制器采用28 V直流供電，通過電源管理模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制器芯片和閥門線圈.控制指令通過串口數(shù)字量進(jìn)行輸入，從00字位至FF字位分為256個(gè)控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了閥門流量的高分辨率數(shù)字化控制.

由于閥門采用了壓力平衡設(shè)計(jì)，閥門空載與負(fù)載特性并無明顯差異，所以在空載條件下進(jìn)行了銜鐵行程隨電流變化的曲線測(cè)試：如圖10(a)所示，在沒有控制器補(bǔ)償?shù)那闆r下，閥門的磁滯現(xiàn)象仍然比較明顯；通過對(duì)補(bǔ)償模型的修正，首先消除了升程和回程曲線之間的滯環(huán)，并使得電流—行程曲線的線性化程度得以大幅提升，升回程曲線簇全部擬合到圖10(b)所示的回歸曲線中.經(jīng)過回歸分析，擬合優(yōu)度的確定系數(shù)R2值可以達(dá)到0.999，表明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度非常好.

圖10 控制器補(bǔ)償前(a)和補(bǔ)償后(b)電流—行程曲線圖Fig.10 Comparison of current and displacement curves before (a) and after (b) controller compensation

以酒精為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行負(fù)載性能試驗(yàn)，從0-255的控制點(diǎn)數(shù)中選取若干個(gè)位置點(diǎn)，在0.2 MPa的額定壓降下，對(duì)比例電磁閥及線性化控制器進(jìn)行了質(zhì)量流量測(cè)試，測(cè)試過程中每點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間在10 s以上，觀測(cè)流量非常穩(wěn)定，表明閥芯位置穩(wěn)定無震顫，測(cè)試結(jié)果如圖11所示.

從圖11(a)中可以看出，當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)超過200時(shí)，閥門流量已經(jīng)接近飽和，表明此時(shí)閥門節(jié)流位置已經(jīng)不在閥口開度上.對(duì)0～200控制點(diǎn)范圍內(nèi)的流量曲線進(jìn)行線性擬合，如圖11(b)所示，R2值為0.988，表明該設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)超高線性度的數(shù)字化比例流量控制.

圖11 比例電磁閥的負(fù)載流量曲線Fig.11 Load flow curves of the proportional solenoid valves

4 結(jié) 論

流量調(diào)節(jié)技術(shù)是變推力發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，比例電磁閥作為一種理想的流量調(diào)節(jié)方案，在未來將得到廣泛應(yīng)用.本文提出了能夠適應(yīng)大負(fù)載工況的超高線性度的比例電磁閥設(shè)計(jì)方案，具有以下特點(diǎn)：

(1) 采用低磁通工作點(diǎn)和比例極靴的磁路設(shè)計(jì)，大幅抑制了電磁力隨著行程變化的增速，有效改善了其非線性和滯環(huán)特性.

(2) 采用平衡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使閥門從零流量至滿流量工作范圍內(nèi)，只需要考慮電磁力和彈簧力的作用，排除了壓差力的干擾.

(3) 采用前饋補(bǔ)償遲滯線性化及電流驅(qū)動(dòng)放大器的控制器模塊，結(jié)合控制算法對(duì)閥門的電磁遲滯非線性現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的控制指令高分辨率調(diào)節(jié).