高速電磁閥動態(tài)性能研究

　　虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間短、出色的集成等優(yōu)勢。
　　
　　本文基于虛擬儀器技術(shù)對電磁閥的動態(tài)特性進行了測試，為電磁閥結(jié)構(gòu)的改進提供了依據(jù)。
　　
　　1、電磁開關(guān)閥基本結(jié)構(gòu)和原理
　　
　　1．1電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　
　　一般的電磁閥其結(jié)構(gòu)由線圈、彈簧、銜鐵和閥桿組合、閥座以及進氣口、出氣口和排氣口組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。　　
　　1．2工作原理
　　
　　給線圈通電后，銜鐵和閥桿組合向左運動，閥桿組合左錐面和左閥座接觸并密封，進氣口和出氣口連通，線圈斷電后，銜鐵向右運動，右錐面和右閥座密封，排氣口和出氣口連通。對電磁閥的工作原理進行分解，有以下幾個過程。給線圈加激勵電壓U。加電壓后線圈中產(chǎn)生電流（i0），由于線圈為感性元件，因此，，式中，L為線圈電感值。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的電場產(chǎn)生磁場，因此線圈內(nèi)部會產(chǎn)生磁場（設(shè)磁感應(yīng)強度為B），磁場方向如圖1中綠線所示。
　　
　　（1）銜鐵開始運動
　　
　　由于磁場的存在，銜鐵的受力情況如圖1所示。銜鐵所受合力為：F合=Fc-Fk，式中：Fc為通電線圈產(chǎn)生的磁場對銜鐵的吸力（其大小和線圈激勵電壓、匝數(shù)、電阻以及磁導(dǎo)率有關(guān)）；Fk為彈簧對銜鐵的推力（和彈簧強度有關(guān)）；當磁場強度增加到足以克服彈簧的推力時，即Fc>Fk時，銜鐵開始向Fc方向運動。
　　
　　（2）線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
　　
　　銜鐵的運動使通過線圈的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，通過回路面積的磁通量增加會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通量將抵消原來磁通量的增加，因此可判斷感應(yīng)電流的方向和原電流方向相反。根據(jù)感應(yīng)電動勢計算公式，可得到線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：
　　
　　（N：線圈的匝數(shù)；S：線圈的橫截面積；B：磁感應(yīng)強度（由于銜鐵運動，導(dǎo)致線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，如果銜鐵運動位移相同，則dB為常數(shù)）），因此，感應(yīng)電流為，線圈上的總電流為：，從上式可知，銜鐵開始運動后，電流呈減小趨勢。
　　
　　（3）銜鐵停止運動
　　
　　當彈簧達到zui大形變時，銜鐵停止運動，穿過線圈的磁通量不再發(fā)生變化，感應(yīng)電流消失，線圈上電流按銜鐵運動前的變化規(guī)律進行變化，在電流曲線上即表現(xiàn)為吸合拐點。根據(jù)銜鐵的受力情況，可得下式：Fc-Fk=ma，式中：m：銜鐵的質(zhì)量；a：銜鐵的加速度；設(shè)銜鐵的運動位移為l，根據(jù)運動公式：，根據(jù)以上分析可知，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小和線圈參數(shù)、銜鐵質(zhì)量以及磁導(dǎo)率、彈簧強度均有關(guān)系。
　　
　　（4）電流穩(wěn)定
　　
　　當電流穩(wěn)定后，線圈中磁通量不再發(fā)生變化，銜鐵不會運動。
　　
　　（5）線圈斷電
　　
　　線圈斷電后，其磁場強度減小，銜鐵所受到磁場的吸力減小，當Fc≤Fk時，銜鐵開始向FK的方向運動，銜鐵運動時，穿過線圈的磁通量減小，同樣會在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通量將抑制原來磁通量的減小，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的方向和原電流方向相同，因此，線圈中的總電流為：，從上式可知，銜鐵開始運動后，電流呈增大趨勢。
　　
　　（6）銜鐵停止運動
　　
　　當銜鐵停止運動后，通過線圈的磁通量不再發(fā)生變化，因此，感應(yīng)電流消失，電流仍按銜鐵運動前的規(guī)律變化，在曲線上表現(xiàn)為釋放拐點。
　　
　　2、電磁閥動態(tài)特性測試
　　
　　電磁閥動態(tài)特性測試主要是指對電磁閥工作電流的測試，其電路包括三個部分：驅(qū)動電路、電流調(diào)理電路、濾波電路，驅(qū)動電路如圖2所示。　　
　　圖2為電磁閥控制電路，為電磁閥提供工作指令，指令格式為占空比可程控設(shè)置的方波信號，該信號通過編寫Labview程序控制NI數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，由數(shù)據(jù)采集卡的DO通道發(fā)出；右半部分為電流調(diào)理電路。本設(shè)計中的電磁閥等效為電阻和電感的串聯(lián)，其中電阻約為100Ω，電感約為100mH，吸合和釋放時間均為毫秒級，考慮到開關(guān)管的開關(guān)時間和電阻對測試的影響，本設(shè)計中選擇快速響應(yīng)的MOSFET開關(guān)管，型號為IRF540，其導(dǎo)通時間小于20ns，遠小于吸合和釋放時間，其導(dǎo)通電阻為0．05Ω，對動態(tài)特性測試的影響也可忽略。圖2中RX和RC分別為泄流電阻和采樣電阻。
　　
　　圖3為電流信號調(diào)理電路，其中，INA117為高共模電壓差分放大器，增益為1，其作用是消除高共模電壓，防止損壞后向信道上的芯片，INA為儀表放大器，其差分輸入模式可有效減小噪聲。
　　
　　電流曲線特征參數(shù)的提取與其調(diào)理模塊的帶寬有著密切的關(guān)系，帶寬過寬，系統(tǒng)噪聲會影響電流曲線特征提取，帶寬過窄，會影響電流曲線上升沿和拐點的陡度，根據(jù)實際測試得到的電流曲線，以及帶寬經(jīng)驗計算公式（tr為曲線上zui陡的一段的時間，0．2ms），可計算信道帶寬為1．75kHz，該帶寬為通帶頻率，根據(jù)此帶寬，并且通過濾波器設(shè)計軟件FilterCAD可知-3dB時的帶寬應(yīng)為2kHz，由于電流芯片的帶寬為200kHz，因此在電路中加一個低通濾波器模塊對帶寬進行限制。濾波器電路如圖4所示。　　
　　通過數(shù)據(jù)采集卡以及Labview程序?qū)﹄姶砰y工作電流進行測試，圖5為測試結(jié)果。　　
　　3、結(jié)論
　　
　　本文對電磁閥的工作原理進行了詳細的分析，分析的結(jié)果與測試得到的曲線吻合，另外，本文設(shè)計的這種基于Labview的電磁閥動態(tài)特性測試系統(tǒng)性能比較穩(wěn)定，測量精度比較高，能對不同型號電磁閥進行測試。