基于虛擬儀器的高速電磁開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性研究

摘要：高速電磁閥在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其動(dòng)態(tài)特性直接影響了系統(tǒng)的性能。為了研究電磁閥的動(dòng)態(tài)性能，從電磁閥的結(jié)構(gòu)入手，詳細(xì)分析了其工作原理，得到了工作電流曲線模型。通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，并且利用虛擬儀器技術(shù)，對(duì)電磁閥的工作電流進(jìn)行了測(cè)試，得到了實(shí)際的電流曲線。結(jié)果表明，利用虛擬儀器搭建的系統(tǒng)能對(duì)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有效地測(cè)試。
關(guān)鍵詞：電磁閥；虛擬儀器；Labview

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(kāi)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(dòng)態(tài)性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重大影響，因此有必要對(duì)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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、出色的集成等優(yōu)勢(shì)。
本文基于虛擬儀器技術(shù)對(duì)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試，為電磁閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了依據(jù)。

1 電磁開(kāi)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(duì)電磁閥的工作原理進(jìn)行分解，有以下幾個(gè)過(guò)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(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)(設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)，磁場(chǎng)方向如圖1中綠線所示。
(1)銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)
由于磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)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(duì)銜鐵的推力(和彈簧強(qiáng)度有關(guān))；當(dāng)磁場(chǎng)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(kāi)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(guò)線圈的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，通過(guò)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(lái)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(shì)計(jì)算公式，可得到線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，電流呈減小趨勢(shì)。