0 引言
    高速電磁閥可用于水、空氣和中性氣體以及其他與電磁閥材質(zhì)相適宜的氣體,、液體的開關(guān)控制，已廣泛應(yīng)用于航空,、航天,、汽車等領(lǐng)域，作為電-氣結(jié)合的紐帶,，其動態(tài)性能對整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重大影響,，因此有必要對它的工作原理及控制方法進(jìn)行深入研究。
    虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件,，結(jié)合高效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(kuò)展性強(qiáng),、開發(fā)時(shí)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(jìn)行了測試，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，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，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
    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,。

    (2)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
    銜鐵的運(yùn)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(jì)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(qiáng)度(由于銜鐵運(yùn)動,，導(dǎo)致線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化,，如果銜鐵運(yùn)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(yùn)動后,，電流呈減小趨勢。
    (3)銜鐵停止運(yùn)動
    當(dāng)彈簧達(dá)到最大形變時(shí),，銜鐵停止運(yùn)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(yùn)動前的變化規(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)動位移為l,，根據(jù)運(yùn)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(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，銜鐵不會運(yùn)動,。
    (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，銜鐵運(yùn)動時(shí),，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(yùn)動后,，電流呈增大趨勢,。
    (6)銜鐵停止運(yùn)動
    當(dāng)銜鐵停止運(yùn)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(yùn)動前的規(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(gè)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(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,，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(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(jìn)行測試,。