高速電磁閥是航空發動機實現電子控制部件，工程應用中通常采用定頻與變頻兩種驅動方式，而應對控制效果方面進行對比研究。為比較兩種方式對系統控制的影響，為相關控制模式選型提供參考，在AMESim 環境下建立了電磁閥及典型航空發動機機械液壓主燃油流量控制系統的數學模型，運用數字仿真方法，研究了定頻變占空比及變頻變占空比兩種驅動控制模式對系統性能的影響，以及定頻控制模式下不同頻率對系統性能的影響。結果表明： 變頻控制方式在快速性方面優于定頻控制，其它性能相當。定頻控制模式下，驅動頻率增加，系統響應的超調量減小但響應速度變慢； 驅動頻率降低，系統的響應速度變快但超調量增大。

1、引言

　　高速占空比電磁閥作為航空發動機電子控制系統的電-液轉換裝置，是電子控制器的關鍵執行元件。國外某型渦扇發動機機械液壓- 模擬電子控制系統所用的電磁閥采用頻率隨占空比按照一定規律變化的驅動控制模式，而我國同類電磁閥的驅動控制方式為： 頻率為固定的40Hz，僅通過調節占空比來實現對流量和壓力的控制。

　　國外早在50 年代末就開始了電磁閥的研制工作，但在1975 年以前只限于實驗室研究。高速電磁閥自二十世紀七十年代問世以來，國內外許多廠家、公司，競相研制出不少的型式結構，對高速電磁閥的研究和應用已經成為液壓界的一個重要課題。與國外相比，我國的高速電磁閥的開發研究工作起步相對較晚，有關高速電磁閥的研究始于二十世紀八十年代后期，所開展的工作大致可以分為兩個方面，即一方面是跟蹤國外的研究，探索電磁閥實現快速響應的基本理論；另一方面則是自主或合作開發高速電磁閥樣機及與之配套的驅動控制裝置。

　　鑒于國內外在兩種不同控制方式對系統控制的影響的比對方面缺少相關研究，本文針對某型渦扇發動機用高速電磁閥的不同控制模式，結合典型的航空發動機燃油控制系統，利用AMESim 的系統建模、仿真及動力學分析功能，在AMESim 環境下建立了某型發動機控制系統中的高速電磁閥及典型航空發動機機械液壓主燃油流量執行機構的數學模型，在此基礎上對模型進行仿真分析。最后，針對仿真結果中兩種不同控制模式對發動機性能影響情況進行分析比較，掌握了這兩種控制模式的工作特點及對航空發動機性能的影響。為工程實踐中航空發動機高速電磁閥控制模式的研究及選型提供了相關依據，具有一定的工程應用參考價值。

2、高速電磁閥的工作原理及特性

　　2. 1、高速電磁閥及其驅動信號介紹

　　高速電磁閥為快速響應式開關電磁閥，在機電液一體化系統中是電子與機械液壓機構間理想的接口元件。其基本工作狀態是： 閥全開或閥全關兩種狀態。通過改變“單位時間”內的閥全開時間與閥全關時間的比例，即可實現對“單位時間”內的介質通過量進行控制。考慮到如此工作方式將對系統產生較大的間歇式液壓沖擊作用，工程中將此“單位時間”取的較短，例如： “單位時間”= 1 /40 秒。也即，閥在1 /40 秒的時間內即完成了開、關這兩種工作狀態，且“開”持續時間與“關”持續時間的比值受電磁閥驅動信號控制———實現對通過該閥介質流量的控制； 下一個周期( 1 /40 秒) 占空比可以是另一個值。這就是該閥的“變占空比”概念。顯然，在“占空比”不變的情況下，“單位時間”的改變，也會對所通過的流量產生一定的影響。“單位時間”在此被稱為“工作頻率”。因此，對高速通/斷式電磁閥的控制，可以采用定頻率、變占空比控制和變頻率、變占空比混合調制等工作方式。常用其實現對壓力、流量的控制。額定流量和動作時間是衡量此類電磁閥的重要指標，其直接影響系統的穩定性和可控性，電磁閥的額定流量越大，響應時間越快，但系統的控制精度和穩定性會較差。這種電磁閥具有結構緊湊、體積小、重量輕、動作準確、內泄漏小、抗污染能力強等特點。近年來，高速電磁閥在航空發動機控制系統中的應用日趨廣泛。

　　本文所研究的高速電磁閥的驅動電流采用了階梯波疊加三角顫振波的形式，階梯波形使得在不降低安全系數的條件下，電磁活門的功耗大幅度降低，并且溫升小，效率高； 而三角顫振波減小了電磁活門的摩擦滯環，對提高電磁閥的響應速度和控制精度十分有益。典型驅動電流波形示意圖見圖1。圖1 中I1表示開啟電磁閥的電流，I2表示維持電磁閥處于開啟狀態的電流。

圖1 高速電磁閥驅動電流波形

　　2. 2、高速電磁閥的結構及工作原理

　　高速電磁閥只有ON、OFF 兩種工作狀態，其開關靠高低電平來驅動，主要有擋板活門、活門彈簧、活門墊圈、鐵芯彈簧、線圈組件、鐵芯組件、殼體組件等組成，其基本結構如圖2所示。

圖2 高速電磁閥結構簡圖

　　在線圈7 兩端施加驅動電流后，根據電磁感應原理，線圈中的電流會引起周圍磁場的變化，可動鐵芯15 在磁場力的作用下克服鐵芯彈簧5的彈力而向右運動，噴嘴擋板活門16 在活門彈簧3 回復力的作用下向右運動，擋板活門16 打開。當線圈7 中的電流小于臨界值時，鐵芯15 所受磁場力不足以克服鐵芯彈簧力，在鐵芯彈簧力的作用下鐵芯向左移動，擋板活門16 關閉。正常工作時，在控制信號的作用下，噴嘴擋板閥持續進行開、關動作，其出口的介質流量也呈現相應的脈動。因此閥的流量為一脈動的平均流量，占空比越大，噴嘴擋板閥打開的時間越長，流量也越大。工作頻率越高，則受控介質脈動量越小，流量也就越接近平均流量。

5、結論

　　本文在AMESim 軟件平臺上建立了某型航空發動機電子控制系統的電液轉換裝置中高速電磁閥的模型，并結合主燃油系統模型進行了仿真研究，仿真結果為工程實踐中航空發動機高速電磁閥控制模式的研究及選型提供了相關依據，具有一定的工程應用參考價值。仿真結果表明，定頻變占空比控制具有較小的超調量，而變頻變占空比控制具有較快的響應速度。定頻時，隨著頻率的增大，系統的超調量減小，但是響應速度變慢； 頻率降低時系統的響應速度加快，但是超調量增大，而且系統響應達到穩態所需時間較長。所建數學模型具有良好的動靜態精度，仿真結果也具有較高的置信度。通過分析比較兩種控制方式的不同，可以對航空發動機控制方式特別是高速電磁閥控制方式的設計與調試提供指導。分析結果可為航空發動機控制器的設計提供有價值的參考。