高速比例电磁铁动静态特性测试系统的研究

吕 超，谢海波，徐苾璇

（1.济南轨道交通装备有限责任公司，山东 济南 250022；2.浙江大学，浙江 杭州 310027）

0 引 言

“十一五”期间我国的车用柴油机产量将会有大幅度增长，考虑到我国正处于实施欧Ⅲ甚至欧Ⅳ排放法规的适应阶段，针对柴油机燃烧特性的要求将越来越严格，而比例电磁铁作为共轨式柴油机燃油喷射系统中的关键控制部件，其重要性不言而喻。

比例电磁铁作为电液比例控制元件的电-机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输入的电流信号转换成力或位移[1]。它结构简单、成本低廉、维护方便、抗污染能力强，并且能方便地进行远程控制和程序控制，因此被广泛应用于电液比例控制系统中。如今工业上对高频响应、高精度的控制元件和控制技术的要求越来越高，相应的测试技术也有了长足的进步[2]。然而对于比例电磁铁，目前国内还没有形成完整的测试标准及试验方法，已有的一些测试方法也存在精度低、测试手段不合理、自动化程度不高等问题。为此，研制了一套软硬件结合、测试准确、自动化程度高的测试系统，并在实际测试中进行了验证。

1 比例电磁铁测试内容

比例电磁铁根据其输出特性可以分为力控制型和行程控制型两大类[3]。力控制型比例电磁铁直接输出力，其工作行程较短，多用于比例阀的先导控制级上。在工作区内，力控制型比例电磁铁具有水平的位移-力特性，即其输出力只与输入电流成比例关系，而与位移无关[4]。行程控制型比例电磁铁是由力控制型比例电磁铁与负载弹簧共同工作而形成的。电磁铁的输出力，通过弹簧转换成输出位移，从而实现电流-力-位移的线性转换。行程控制型比例电磁铁的位移输出量与电流成比例关系，其工作行程较大，多用于直接控制型比例阀上。行程控制型比例电磁铁与力控制型比例电磁铁结构完全相同，只有使用条件的区别，因此它们的控制特性曲线是一致的，都具有水平的位移-力特性和线性的电流-力特性[5]。

对于比例电磁铁，测试内容主要包括静态特性测试和动态特性测试两部分，其中静态测试主要包括电流-力特性测试和位移-力特性测试，动态测试包括输出力阶跃响应特性、输出位移阶跃响应特性和跟随响应分析。

2 静态测试系统原理与组成

2.1 测试原理

高速比例电磁铁静态特性是指电磁铁在一定大小的衔铁位移量和一定的线圈激励电流情况下所得到的电磁作用力的极限值，它反映了比例电磁铁的电磁特性，揭示了电磁阀工作的最大潜力，是进一步研究比例电磁铁动态特性的前提和基础。

静态测试系统的工作原理是通过给定不同的衔铁位移量，控制采集卡输出PWM控制信号，通过比例控制放大器生成不同的激励电流以驱动比例电磁铁，通过测试其电磁力的大小从而得到电磁力与衔铁位移量和线圈电流的关系，确定比例电磁铁的静态特性。电磁铁测试系统采用计算机自动完成试验项目，并求出相应的测试指标。

如图1所示，测试系统主要由电磁铁、传感器、数据采集卡、比例控制放大器、计算机、显示器等部分组成。

图1 静态测试系统原理图

2.2 硬件组成

比例电磁铁静态测试台架如图2所示。底座用来支撑电磁铁支架和传感器等测试部分，其上表面开有滑槽，便于电磁铁支架在底座中水平移动。电磁铁通过用螺母固定于底座之上。位移传感器调零后通过手动调整两个进给圈的位置实现触杆的移动，从而调整比例电磁铁推杆的位置，位置确定时两个进给圈夹紧中间支架，使推杆在轴向无法移动，实现定位的目的，此时位移传感器的读数即为电磁铁推杆的位移量。线圈中通过的电流对电磁铁产生一定的电磁力去推动机械执行机构，触杆将电磁铁的作用力传递给力传感器，从而得到电磁铁输出力的情况。

图2 静态测试系统台架结构图

数据采集卡选用研华PCI-1710，它具有即插即用、单端或差分混合的模拟量输入、FIFO存储器和可编程计数器等功能，可实现A/D转换、D/A转换、数字量输入、PWM控制输出和计数器/定时器等作用。

2.3 软件设计

系统软件选择常用的中文Windows98系统作为软件的开发平台，软件的开发工具选择Visual Basic 6.0。根据软件的功能，测试系统软件可以分为主控模块、数据采集模块、数据处理模块、文件保存与数据库模块、结果显示及打印模块、图像显示模块。该软件很好地实现了试验参数设定、数据采集与处理以及实现数值结果及曲线结果的保存、打印等功能。系统的操作界面如图3所示。

图3 静态采集系统操作界面

3 动态测试系统原理与组成

3.1 系统原理

高速比例电磁铁的动态响应特性表征了燃油喷射系统真实的工作过程，直接决定燃油喷射系统的工作特性，其研究具有重要意义。电磁铁动态测试系统的设计目的是在给定电磁铁驱动电流后，实时采集电磁吸力、衔铁位移量的动态响应信号，即测试输出力阶跃响应特性和输出位移阶跃响应特性。

其设计方案和静态测试系统相似，但是取消了给定衔铁位移量这一步骤，直接输入PWM控制信号，电磁铁受到激励电流的驱动后产生电磁力，电磁力通过弹簧传递装置传递给力传感器，并产生输出位移，该位移通过位移传感器测得。

考虑到动态测试要求测量系统能实时而准确地测出信号幅值的大小和无失真地再现被测信号随时间变化的波形[6]，而静态测试系统所采用的接触式位移传感器无法满足该要求，因此选用测试性能更好的非接触式高频响位移传感器。动态测试系统的设备实物图如图4所示。

图4 动态测试系统设备实物图

3.2 硬件组成

比例电磁铁动态测试和静态测试系统集成在同一套测试台架上，但力和位移的测量方式有区别：

（1）位移传感器采用非接触式高频响位移传感器（即激光位移传感器，量程0～10 mm，精度0.1%，分辨率0.01%，采样频率最高8kHz），它具有输出信号强、反差高、测试精度和准确度高等特点[7]，其模拟输出和RS-232输出可直接连接其他计算机和资料采集系统，从而实现力和位移量的同步测量。

（2）用弹簧传递装置代替螺旋进给装置。电磁铁工作时，压缩弹簧，利用弹簧可将电磁铁的输出作用力传递给力传感器，并产生输出位移，从而获得电磁铁的输出力和位移信号。

3.3 软件设计

系统软件采用Visual Basic 6.0开发，软件由数据采集模块、数据处理模块、控制模块、图形显示等模块组成。其中为保证数据的精准和稳定，设计了滤波模块以剔除不可靠数据[8]。通过设计FFT变换模块对采集到的信号进行频谱分析，从而实现对系统参数的识别及校正以及对设备状态的动态监测[9]。系统要求实现电流信号、力信号和位移信号同步、准确地采集。考虑到采集频率比较高，电流和力信号采用DMA方式传输，激光位移传感器测得的位移信号通过其配套的RS232接口传输。

图5 动态测试系统软件操作界面

图6 电流和力采集流程图

图7 力-电流曲线

动态测试系统的软件操作界面如图5所示，电流和力的采集流程图如图6所示。

4 实验结果与分析

采用该文研究的测试系统对国外某型号高速比例电磁铁进行了静态和动态测试。

图8 力-位移曲线

4.1 静态测试结果

衔铁位移一定时的力-电流曲线如图7所示，其中衔铁位移的测量范围为0.5～2.5 mm，变化步长为0.5 mm，驱动电流为0.8～1.8 A。激励电流一定时的力-位移曲线如图8所示，其中电流的测量范围为1.3～1.7A，衔铁位移的测量范围为0.3～2.5mm。

由图7可知，在位移给定时，随着电流的增加，比例电磁铁的输出力呈线性变化，并且不同位移给定下的输出力相差不大。由图8可知，当电流给定时，在工作区域内，比例电磁铁的输出力随位移的增加呈轻微下降趋势，水平特性较好。分析其下降的原因是由于在测试过程中比例电磁铁线圈温度上升，导致衔铁磁导率下降，从而输出力下降。这在实际测量过程中是不可避免的，所以实测结果和理论存在一定差异。

图9 高速比例电磁铁阶跃响应试验曲线

图10 40Hz时电磁铁的跟随响应

4.2 动态测试结果

4.2.1 阶跃响应分析

如图9所示，图9（a）为实测激励电流曲线，图9（b）为通过力传感器测得的输出力响应曲线，图9（c）为通过激光位移传感器测得的位移响应曲线。

由图9可知，比例电磁铁力延迟时间约为15ms，上升时间约为60 ms，位移延迟时间约为10 ms，上升时间约为6ms。力的响应明显迟于位移的响应，原因是在有负载的情况下，衔铁输出的力需要通过弹簧来传递给力传感器，渐变过程较明显，而位移的测量采用非接触测量，中间环节少，因此响应较快[10]。

4.2.2 跟随情况分析

控制输入的PWM信号的频率为10～60 Hz，变化步长为5Hz，分别测比例电磁铁的输出力响应曲线。根据响应曲线可知，当输入信号的频率为35Hz、40Hz、45Hz时，高速比例电磁铁的衔铁能够较好地随着输入信号的变化而变化。而当输入信号的频率过高或过低时，衔铁输出力的波形较为混乱，出现失真，说明此时衔铁已经不能较好地做出响应。因此可以判断此比例电磁铁反复振动的频率在40Hz左右。

图11 50Hz时电磁铁的跟随响应

图10和图11分别为40 Hz和50 Hz时的电磁铁跟随响应曲线。

5 结束语

该文以高速比例电磁铁的实验研究为背景，针对测试系统台架设计和软件实现进行了深入研究，开发了基于PCI1710数据采集卡的高速比例电磁铁动静态特性测试系统，实现了高速比例电磁铁运动数据的实际采集和图形显示。并且对实验结果进行了深入分析和研究，为高速比例电磁铁的研究设计提供了重要依据，该测试系统通过进行功能上的扩展还可用于工程上类似的产品测试项目。

[1] 吴根茂.新编实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[2] 路甬祥，胡大纮.电液比例控制技术[M].杭州：浙江大学出版社，1988.

[3] 蔡春源.机电液设计手册[M].沈阳：东北大学出版社，1997.

[4] 张冠生.电磁铁与自动电磁元件[M].北京：机械工业出版社，1980.

[5] 葛伟亮.自动控制元件[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[6] 秦树人.机械测试系统原理与应用[M].北京：科学出版社，2005.

[7] 平鹏.机械工程测试与数据处理技术[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[8] 王伯雄.工程测试技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[9] 卢文祥，杜润生.机械工程测试·信息·信号分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2003.

[10]Sung B J，Lee E W.Optimal design of high-speed solenoid actuatorusing a non-magnetic ring [C]∥Proceedings ofthe Eighth International Conference.ICEMS，2005：2333-2338.