高速電磁開關閥動態特性基于虛擬儀器的研究
2011-07-20
本文基于虛擬儀器技術對電磁閥的動態特性進行了儀器測試，為電磁閥結構的改進提供了依據。
1 電磁開關閥基本結構和原理
1．1 電磁閥內部結構
一般的電磁閥其結構由線圈、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，其基本結構如圖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。根據電磁感應定律，變化的電場產生磁場，因此線圈內部會產生磁場(設磁感應強度為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為通電線圈產生的磁場對銜鐵的吸力(其大小和線圈激勵電壓、匝數、電阻以及磁導率有關)；Fk為彈簧對銜鐵的推力(和彈簧強度有關)；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)線圈中產生感應電流
銜鐵的運動使通過線圈的磁通量增加，根據楞次定律，通過回路面積的磁通量增加會產生感應電流，感應電流所產生的磁通量將抵消原來磁通量的增加，因此可判斷感應電流的方向和原電流方向相反。根據感應電動勢計算公式，可得到線圈上產生的感應電動勢為：
(N：線圈的匝數；S：線圈的橫截面積；B：磁感應強度(由于銜鐵運動，導致線圈內磁通量發生變化，如果銜鐵運動位移相同，則dB為常數))，因此，感應電流為，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
當彈簧達到最大形變時，銜鐵停止運動，穿過線圈的磁通量不再發生變化，感應電流消失，線圈上電流按銜鐵運動前的變化規律進行變化，在電流曲線上即表現為吸合拐點。根據銜鐵的受力情況，可得下式：Fc-Fk=ma，式中：m：銜鐵的質量；a：銜鐵的加速度；設銜鐵的運動位移為l，根據運動公式：，根據以上分析可知，線圈中產生的感應電流的大小和線圈參數、銜鐵質量以及磁導率、彈簧強度均有關系。
(4)電流穩定
當電流穩定后，線圈中磁通量不再發生變化，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，同樣會在線圈上產生感應電流，感應電流所產生的磁通量將抑制原來磁通量的減小，根據楞次定律，感應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生變化，因此，感應電流消失，電流仍按銜鐵運動前的規律變化，在曲線上表現為釋放拐點。
2 電磁閥動態特性測試
電磁閥動態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：驅動電路、電流調理電路、濾波電路，驅動電路如圖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置的方波信號，該信號通過編寫Labview程序控制NI數據采集卡PCI-6221，由數據采集卡的DO通道發出；右半部分為電流調理電路。本設計中的電磁閥等效為電阻和電感的串聯，其中電阻約為100 Ω，電感約為100 mH，吸合和釋放時間均為毫秒級，考慮到開關管的開關時間和電阻對測試的影響，本設計中選擇快速響應的MOSFET開關管，型號為IRF540，其導通時間小于20ns，遠小于吸合和釋放時間，其導通電阻為0．05 Ω，對動態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。
電流曲線特征參數的提取與其調理模塊的帶寬有著密切的關系，帶寬過寬，系統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，根據實際測試得到的電流曲線，以及帶寬經驗計算公式(tr為曲線上最陡的一段的時間，0．2ms)，可計算信道帶寬為1．75 kHz，該帶寬為通帶頻率，根據此帶寬，并且通過濾波器設計軟件FilterCAD可知-3 dB時的帶寬應為2 kHz，由于電流芯片的帶寬為200 kHz，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。
通過數據采集卡以及Labview程序對電磁閥工作電流進行測試，圖5為測試結果。
3 結論
本文對電磁閥的工作原理進行了詳細的分析，分析的結果與測試得到的曲線吻合，另外，本文設計的這種基于Labview的電磁閥動態特性測試系統性能比較穩定，測量精度比較高，能對不同型號電磁閥進行測試。
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