高速比例電磁鐵動靜態特性測試系統的研究

呂 超，謝海波，徐苾璇

（1.濟南軌道交通裝備有限責任公司，山東 濟南 250022；2.浙江大學，浙江 杭州 310027）

0 引 言

“十一五”期間我國的車用柴油機產量將會有大幅度增長，考慮到我國正處于實施歐Ⅲ甚至歐Ⅳ排放法規的適應階段，針對柴油機燃燒特性的要求將越來越嚴格，而比例電磁鐵作為共軌式柴油機燃油噴射系統中的關鍵控制部件，其重要性不言而喻。

比例電磁鐵作為電液比例控制元件的電-機械轉換器件，其功能是將比例控制放大器輸入的電流信號轉換成力或位移[1]。它結構簡單、成本低廉、維護方便、抗污染能力強，并且能方便地進行遠程控制和程序控制，因此被廣泛應用于電液比例控制系統中。如今工業上對高頻響應、高精度的控制元件和控制技術的要求越來越高，相應的測試技術也有了長足的進步[2]。然而對于比例電磁鐵，目前國內還沒有形成完整的測試標準及試驗方法，已有的一些測試方法也存在精度低、測試手段不合理、自動化程度不高等問題。為此，研制了一套軟硬件結合、測試準確、自動化程度高的測試系統，并在實際測試中進行了驗證。

1 比例電磁鐵測試內容

比例電磁鐵根據其輸出特性可以分為力控制型和行程控制型兩大類[3]。力控制型比例電磁鐵直接輸出力，其工作行程較短，多用于比例閥的先導控制級上。在工作區內，力控制型比例電磁鐵具有水平的位移-力特性，即其輸出力只與輸入電流成比例關系，而與位移無關[4]。行程控制型比例電磁鐵是由力控制型比例電磁鐵與負載彈簧共同工作而形成的。電磁鐵的輸出力，通過彈簧轉換成輸出位移，從而實現電流-力-位移的線性轉換。行程控制型比例電磁鐵的位移輸出量與電流成比例關系，其工作行程較大，多用于直接控制型比例閥上。行程控制型比例電磁鐵與力控制型比例電磁鐵結構完全相同，只有使用條件的區別，因此它們的控制特性曲線是一致的，都具有水平的位移-力特性和線性的電流-力特性[5]。

對于比例電磁鐵，測試內容主要包括靜態特性測試和動態特性測試兩部分，其中靜態測試主要包括電流-力特性測試和位移-力特性測試，動態測試包括輸出力階躍響應特性、輸出位移階躍響應特性和跟隨響應分析。

2 靜態測試系統原理與組成

2.1 測試原理

高速比例電磁鐵靜態特性是指電磁鐵在一定大小的銜鐵位移量和一定的線圈激勵電流情況下所得到的電磁作用力的極限值，它反映了比例電磁鐵的電磁特性，揭示了電磁閥工作的最大潛力，是進一步研究比例電磁鐵動態特性的前提和基礎。

靜態測試系統的工作原理是通過給定不同的銜鐵位移量，控制采集卡輸出PWM控制信號，通過比例控制放大器生成不同的激勵電流以驅動比例電磁鐵，通過測試其電磁力的大小從而得到電磁力與銜鐵位移量和線圈電流的關系，確定比例電磁鐵的靜態特性。電磁鐵測試系統采用計算機自動完成試驗項目，并求出相應的測試指標。

如圖1所示，測試系統主要由電磁鐵、傳感器、數據采集卡、比例控制放大器、計算機、顯示器等部分組成。

圖1 靜態測試系統原理圖

2.2 硬件組成

比例電磁鐵靜態測試臺架如圖2所示。底座用來支撐電磁鐵支架和傳感器等測試部分，其上表面開有滑槽，便于電磁鐵支架在底座中水平移動。電磁鐵通過用螺母固定于底座之上。位移傳感器調零后通過手動調整兩個進給圈的位置實現觸桿的移動，從而調整比例電磁鐵推桿的位置，位置確定時兩個進給圈夾緊中間支架，使推桿在軸向無法移動，實現定位的目的，此時位移傳感器的讀數即為電磁鐵推桿的位移量。線圈中通過的電流對電磁鐵產生一定的電磁力去推動機械執行機構，觸桿將電磁鐵的作用力傳遞給力傳感器，從而得到電磁鐵輸出力的情況。

圖2 靜態測試系統臺架結構圖

數據采集卡選用研華PCI-1710，它具有即插即用、單端或差分混合的模擬量輸入、FIFO存儲器和可編程計數器等功能，可實現A/D轉換、D/A轉換、數字量輸入、PWM控制輸出和計數器/定時器等作用。

2.3 軟件設計

系統軟件選擇常用的中文Windows98系統作為軟件的開發平臺，軟件的開發工具選擇Visual Basic 6.0。根據軟件的功能，測試系統軟件可以分為主控模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、文件保存與數據庫模塊、結果顯示及打印模塊、圖像顯示模塊。該軟件很好地實現了試驗參數設定、數據采集與處理以及實現數值結果及曲線結果的保存、打印等功能。系統的操作界面如圖3所示。

圖3 靜態采集系統操作界面

3 動態測試系統原理與組成

3.1 系統原理

高速比例電磁鐵的動態響應特性表征了燃油噴射系統真實的工作過程，直接決定燃油噴射系統的工作特性，其研究具有重要意義。電磁鐵動態測試系統的設計目的是在給定電磁鐵驅動電流后，實時采集電磁吸力、銜鐵位移量的動態響應信號，即測試輸出力階躍響應特性和輸出位移階躍響應特性。

其設計方案和靜態測試系統相似，但是取消了給定銜鐵位移量這一步驟，直接輸入PWM控制信號，電磁鐵受到激勵電流的驅動后產生電磁力，電磁力通過彈簧傳遞裝置傳遞給力傳感器，并產生輸出位移，該位移通過位移傳感器測得。

考慮到動態測試要求測量系統能實時而準確地測出信號幅值的大小和無失真地再現被測信號隨時間變化的波形[6]，而靜態測試系統所采用的接觸式位移傳感器無法滿足該要求，因此選用測試性能更好的非接觸式高頻響位移傳感器。動態測試系統的設備實物圖如圖4所示。

圖4 動態測試系統設備實物圖

3.2 硬件組成

比例電磁鐵動態測試和靜態測試系統集成在同一套測試臺架上，但力和位移的測量方式有區別：

（1）位移傳感器采用非接觸式高頻響位移傳感器（即激光位移傳感器，量程0～10 mm，精度0.1%，分辨率0.01%，采樣頻率最高8kHz），它具有輸出信號強、反差高、測試精度和準確度高等特點[7]，其模擬輸出和RS-232輸出可直接連接其他計算機和資料采集系統，從而實現力和位移量的同步測量。

（2）用彈簧傳遞裝置代替螺旋進給裝置。電磁鐵工作時，壓縮彈簧，利用彈簧可將電磁鐵的輸出作用力傳遞給力傳感器，并產生輸出位移，從而獲得電磁鐵的輸出力和位移信號。

3.3 軟件設計

系統軟件采用Visual Basic 6.0開發，軟件由數據采集模塊、數據處理模塊、控制模塊、圖形顯示等模塊組成。其中為保證數據的精準和穩定，設計了濾波模塊以剔除不可靠數據[8]。通過設計FFT變換模塊對采集到的信號進行頻譜分析，從而實現對系統參數的識別及校正以及對設備狀態的動態監測[9]。系統要求實現電流信號、力信號和位移信號同步、準確地采集。考慮到采集頻率比較高，電流和力信號采用DMA方式傳輸，激光位移傳感器測得的位移信號通過其配套的RS232接口傳輸。

圖5 動態測試系統軟件操作界面

圖6 電流和力采集流程圖

圖7 力-電流曲線

動態測試系統的軟件操作界面如圖5所示，電流和力的采集流程圖如圖6所示。

4 實驗結果與分析

采用該文研究的測試系統對國外某型號高速比例電磁鐵進行了靜態和動態測試。

圖8 力-位移曲線

4.1 靜態測試結果

銜鐵位移一定時的力-電流曲線如圖7所示，其中銜鐵位移的測量范圍為0.5～2.5 mm，變化步長為0.5 mm，驅動電流為0.8～1.8 A。激勵電流一定時的力-位移曲線如圖8所示，其中電流的測量范圍為1.3～1.7A，銜鐵位移的測量范圍為0.3～2.5mm。

由圖7可知，在位移給定時，隨著電流的增加，比例電磁鐵的輸出力呈線性變化，并且不同位移給定下的輸出力相差不大。由圖8可知，當電流給定時，在工作區域內，比例電磁鐵的輸出力隨位移的增加呈輕微下降趨勢，水平特性較好。分析其下降的原因是由于在測試過程中比例電磁鐵線圈溫度上升，導致銜鐵磁導率下降，從而輸出力下降。這在實際測量過程中是不可避免的，所以實測結果和理論存在一定差異。

圖9 高速比例電磁鐵階躍響應試驗曲線

圖10 40Hz時電磁鐵的跟隨響應

4.2 動態測試結果

4.2.1 階躍響應分析

如圖9所示，圖9（a）為實測激勵電流曲線，圖9（b）為通過力傳感器測得的輸出力響應曲線，圖9（c）為通過激光位移傳感器測得的位移響應曲線。

由圖9可知，比例電磁鐵力延遲時間約為15ms，上升時間約為60 ms，位移延遲時間約為10 ms，上升時間約為6ms。力的響應明顯遲于位移的響應，原因是在有負載的情況下，銜鐵輸出的力需要通過彈簧來傳遞給力傳感器，漸變過程較明顯，而位移的測量采用非接觸測量，中間環節少，因此響應較快[10]。

4.2.2 跟隨情況分析

控制輸入的PWM信號的頻率為10～60 Hz，變化步長為5Hz，分別測比例電磁鐵的輸出力響應曲線。根據響應曲線可知，當輸入信號的頻率為35Hz、40Hz、45Hz時，高速比例電磁鐵的銜鐵能夠較好地隨著輸入信號的變化而變化。而當輸入信號的頻率過高或過低時，銜鐵輸出力的波形較為混亂，出現失真，說明此時銜鐵已經不能較好地做出響應。因此可以判斷此比例電磁鐵反復振動的頻率在40Hz左右。

圖11 50Hz時電磁鐵的跟隨響應

圖10和圖11分別為40 Hz和50 Hz時的電磁鐵跟隨響應曲線。

5 結束語

該文以高速比例電磁鐵的實驗研究為背景，針對測試系統臺架設計和軟件實現進行了深入研究，開發了基于PCI1710數據采集卡的高速比例電磁鐵動靜態特性測試系統，實現了高速比例電磁鐵運動數據的實際采集和圖形顯示。并且對實驗結果進行了深入分析和研究，為高速比例電磁鐵的研究設計提供了重要依據，該測試系統通過進行功能上的擴展還可用于工程上類似的產品測試項目。

[1] 吳根茂.新編實用電液比例技術[M].杭州：浙江大學出版社，2006.

[2] 路甬祥，胡大纮.電液比例控制技術[M].杭州：浙江大學出版社，1988.

[3] 蔡春源.機電液設計手冊[M].沈陽：東北大學出版社，1997.

[4] 張冠生.電磁鐵與自動電磁元件[M].北京：機械工業出版社，1980.

[5] 葛偉亮.自動控制元件[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[6] 秦樹人.機械測試系統原理與應用[M].北京：科學出版社，2005.

[7] 平鵬.機械工程測試與數據處理技術[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[8] 王伯雄.工程測試技術[M].北京：清華大學出版社，2006.

[9] 盧文祥，杜潤生.機械工程測試·信息·信號分析[M].武漢：華中科技大學出版社，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.