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高速電磁開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性基于虛擬儀器的研究
2011-07-20
本文基于虛擬儀器技術(shù)對電磁閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了儀器測試，為電磁閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)，閥桿組合左錐面和左閥座接觸并密封，進(jìn)氣口和出氣口連通，線圈斷電后，銜鐵向右運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行分解，有以下幾個(gè)過程。給線圈加激勵(lì)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(huì)產(chǎn)生磁場(設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)，磁場方向如圖1中綠線所示。
(1)銜鐵開始運(yùn)動(dòng)
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(lì)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(qiáng)度有關(guān))；當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到足以克服彈簧的推力時(shí)，即Fc>Fk時(shí)，銜鐵開始向Fc方向運(yùn)動(dòng)。
(2)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
銜鐵的運(yùn)動(dòng)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(huì)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(dòng)勢計(jì)算公式，可得到線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為：
(N：線圈的匝數(shù)；S：線圈的橫截面積；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度(由于銜鐵運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，如果銜鐵運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)后，電流呈減小趨勢。
(3)銜鐵停止運(yùn)動(dòng)
當(dāng)彈簧達(dá)到最大形變時(shí)，銜鐵停止運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)前的變化規(guī)律進(jìn)行變化，在電流曲線上即表現(xiàn)為吸合拐點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)位移為l，根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度均有關(guān)系。
(4)電流穩(wěn)定
當(dāng)電流穩(wěn)定后，線圈中磁通量不再發(fā)生變化，銜鐵不會(huì)運(yùn)動(dòng)。
(5)線圈斷電
線圈斷電后，其磁場強(qiáng)度減小，銜鐵所受到磁場的吸力減小，當(dāng)Fc≤Fk時(shí)，銜鐵開始向FK的方向運(yùn)動(dòng)，銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量減小，同樣會(huì)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(yùn)動(dòng)后，電流呈增大趨勢。
(6)銜鐵停止運(yùn)動(dòng)
當(dāng)銜鐵停止運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)前的規(guī)律變化，在曲線上表現(xiàn)為釋放拐點(diǎn)。
2 電磁閥動(dòng)態(tài)特性測試
電磁閥動(dòng)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(gè)部分：驅(qū)動(dòng)電路、電流調(diào)理電路、濾波電路，驅(qū)動(dòng)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(hào)，該信號(hào)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(jì)中的電磁閥等效為電阻和電感的串聯(lián)，其中電阻約為100 Ω，電感約為100 mH，吸合和釋放時(shí)間均為毫秒級(jí)，考慮到開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間和電阻對測試的影響，本設(shè)計(jì)中選擇快速響應(yīng)的MOSFET開關(guān)管，型號(hào)為IRF540，其導(dǎo)通時(shí)間小于20ns，遠(yuǎn)小于吸合和釋放時(shí)間，其導(dǎo)通電阻為0．05 Ω，對動(dòng)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(hào)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(huì)影響電流曲線特征提取，帶寬過窄，會(huì)影響電流曲線上升沿和拐點(diǎn)的陡度，根據(jù)實(shí)際測試得到的電流曲線，以及帶寬經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(tr為曲線上最陡的一段的時(shí)間，0．2ms)，可計(jì)算信道帶寬為1．75 kHz，該帶寬為通帶頻率，根據(jù)此帶寬，并且通過濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterCAD可知-3 dB時(shí)的帶寬應(yīng)為2 kHz，由于電流芯片的帶寬為200 kHz，因此在電路中加一個(gè)低通濾波器模塊對帶寬進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)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(jì)的這種基于Labview的電磁閥動(dòng)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(hào)電磁閥進(jìn)行測試。
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