基于虛擬儀器的高速電磁開關閥動態特性研究

摘要：高速電磁閥在控制系統中的應用越來越廣泛，其動態特性直接影響了系統的性能。為了研究電磁閥的動態性能，從電磁閥的結構入手，詳細分析了其工作原理，得到了工作電流曲線模型。通過設計驅動電路，并且利用虛擬儀器技術，對電磁閥的工作電流進行了測試，得到了實際的電流曲線。結果表明，利用虛擬儀器搭建的系統能對電磁閥的動態特性進行有效地測試。
關鍵詞：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相適宜的氣體、液體的開關控制，已廣泛應用于航空、航天、汽車等領域，作為電-氣結合的紐帶，其動態性能對整個系統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行深入研究。
虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用，具有性能高、擴展性強、開發時間短、出色的集成等優勢。
本文基于虛擬儀器技術對電磁閥的動態特性進行了測試，為電磁閥結構的改進提供了依據。

1 電磁開關閥基本結構和原理
1．1 電磁閥內部結構
一般的電磁閥其結構由線圈、彈簧、銜鐵和閥桿組合、閥座以及進氣口、出氣口和排氣口組成，其基本結構如圖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動，閥桿組合左錐面和左閥座接觸并密封，進氣口和出氣口連通，線圈斷電后，銜鐵向右運動，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行分解，有以下幾個過程。給線圈加激勵電壓U。加電壓后線圈中產生電流(i0)，由于線圈為感性元件，因此，，式中，L為線圈電感值。根據電磁感應定律，變化的電場產生磁場，因此線圈內部會產生磁場(設磁感應強度為B)，磁場方向如圖1中綠線所示。
(1)銜鐵開始運動
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為通電線圈產生的磁場對銜鐵的吸力(其大小和線圈激勵電壓、匝數、電阻以及磁導率有關)；Fk為彈簧對銜鐵的推力(和彈簧強度有關)；當磁場強度增加到足以克服彈簧的推力時，即Fc>Fk時，銜鐵開始向Fc方向運動。

(2)線圈中產生感應電流
銜鐵的運動使通過線圈的磁通量增加，根據楞次定律，通過回路面積的磁通量增加會產生感應電流，感應電流所產生的磁通量將抵消原來磁通量的增加，因此可判斷感應電流的方向和原電流方向相反。根據感應電動勢計算公式，可得到線圈上產生的感應電動勢為：

(N：線圈的匝數；S：線圈的橫截面積；B：磁感應強度(由于銜鐵運動，導致線圈內磁通量發生變化，如果銜鐵運動位移相同，則dB為常數))，因此，感應電流為，線圈上的總電流為：，從上式可知，銜鐵開始運動后，電流呈減小趨勢。