高速比例電磁鐵動靜態(tài)特性測試系統(tǒng)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(chǎn)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(guī)的適應(yīng)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(tǒng)中的關(guān)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(zhuǎn)換器件，其功能是將比例控制放大器輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成力或位移[1]。它結(jié)構(gòu)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(yīng)用于電液比例控制系統(tǒng)中。如今工業(yè)上對高頻響應(yīng)、高精度的控制元件和控制技術(shù)的要求越來越高，相應(yīng)的測試技術(shù)也有了長足的進步[2]。然而對于比例電磁鐵，目前國內(nèi)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(jié)合、測試準確、自動化程度高的測試系統(tǒng)，并在實際測試中進行了驗證。

1 比例電磁鐵測試內(nèi)容

比例電磁鐵根據(jù)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(dǎo)控制級上。在工作區(qū)內(nèi)，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(guān)系，而與位移無關(guān)[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(zhuǎn)換成輸出位移，從而實現(xiàn)電流-力-位移的線性轉(zhuǎn)換。行程控制型比例電磁鐵的位移輸出量與電流成比例關(guān)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(jié)構(gòu)完全相同，只有使用條件的區(qū)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(nèi)容主要包括靜態(tài)特性測試和動態(tài)特性測試兩部分，其中靜態(tài)測試主要包括電流-力特性測試和位移-力特性測試，動態(tài)測試包括輸出力階躍響應(yīng)特性、輸出位移階躍響應(yīng)特性和跟隨響應(yīng)分析。

2 靜態(tài)測試系統(tǒng)原理與組成

2.1 測試原理

高速比例電磁鐵靜態(tài)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(tài)特性的前提和基礎(chǔ)。

靜態(tài)測試系統(tǒng)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(qū)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(guān)系，確定比例電磁鐵的靜態(tài)特性。電磁鐵測試系統(tǒng)采用計算機自動完成試驗項目，并求出相應(yīng)的測試指標。

如圖1所示，測試系統(tǒng)主要由電磁鐵、傳感器、數(shù)據(jù)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(tài)測試系統(tǒng)原理圖

2.2 硬件組成

比例電磁鐵靜態(tài)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(diào)零后通過手動調(diào)整兩個進給圈的位置實現(xiàn)觸桿的移動，從而調(diào)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(xiàn)定位的目的，此時位移傳感器的讀數(shù)即為電磁鐵推桿的位移量。線圈中通過的電流對電磁鐵產(chǎn)生一定的電磁力去推動機械執(zhí)行機構(gòu)，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(tài)測試系統(tǒng)臺架結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)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(shù)器等功能，可實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、PWM控制輸出和計數(shù)器/定時器等作用。

2.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件選擇常用的中文Windows98系統(tǒng)作為軟件的開發(fā)平臺，軟件的開發(fā)工具選擇Visual Basic 6.0。根據(jù)軟件的功能，測試系統(tǒng)軟件可以分為主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、文件保存與數(shù)據(jù)庫模塊、結(jié)果顯示及打印模塊、圖像顯示模塊。該軟件很好地實現(xiàn)了試驗參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集與處理以及實現(xiàn)數(shù)值結(jié)果及曲線結(jié)果的保存、打印等功能。系統(tǒng)的操作界面如圖3所示。

圖3 靜態(tài)采集系統(tǒng)操作界面

3 動態(tài)測試系統(tǒng)原理與組成

3.1 系統(tǒng)原理

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

其設(shè)計方案和靜態(tài)測試系統(tǒng)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(qū)動后產(chǎn)生電磁力，電磁力通過彈簧傳遞裝置傳遞給力傳感器，并產(chǎn)生輸出位移，該位移通過位移傳感器測得。

考慮到動態(tài)測試要求測量系統(tǒng)能實時而準確地測出信號幅值的大小和無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形[6]，而靜態(tài)測試系統(tǒng)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(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)備實物圖如圖4所示。

圖4 動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)備實物圖

3.2 硬件組成

比例電磁鐵動態(tài)測試和靜態(tài)測試系統(tǒng)集成在同一套測試臺架上，但力和位移的測量方式有區(qū)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(tǒng)，從而實現(xiàn)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(chǎn)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(shè)計

系統(tǒng)軟件采用Visual Basic 6.0開發(fā)，軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、圖形顯示等模塊組成。其中為保證數(shù)據(jù)的精準和穩(wěn)定，設(shè)計了濾波模塊以剔除不可靠數(shù)據(jù)[8]。通過設(shè)計FFT變換模塊對采集到的信號進行頻譜分析，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的識別及校正以及對設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測[9]。系統(tǒng)要求實現(xiàn)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(tài)測試系統(tǒng)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(tài)測試系統(tǒng)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(jié)果與分析

采用該文研究的測試系統(tǒng)對國外某型號高速比例電磁鐵進行了靜態(tài)和動態(tài)測試。

圖8 力-位移曲線

4.1 靜態(tài)測試結(jié)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(qū)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(qū)域內(nèi)，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(dǎo)致銜鐵磁導(dǎo)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(jié)果和理論存在一定差異。

圖9 高速比例電磁鐵階躍響應(yīng)試驗曲線

圖10 40Hz時電磁鐵的跟隨響應(yīng)

4.2 動態(tài)測試結(jié)果

4.2.1 階躍響應(yīng)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(yīng)曲線，圖9（c）為通過激光位移傳感器測得的位移響應(yīng)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(yīng)明顯遲于位移的響應(yīng)，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(huán)節(jié)少，因此響應(yīng)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(yīng)曲線。根據(jù)響應(yīng)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(xiàn)失真，說明此時銜鐵已經(jīng)不能較好地做出響應(yīng)。因此可以判斷此比例電磁鐵反復(fù)振動的頻率在40Hz左右。

圖11 50Hz時電磁鐵的跟隨響應(yīng)

圖10和圖11分別為40 Hz和50 Hz時的電磁鐵跟隨響應(yīng)曲線。

5 結(jié)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(tǒng)臺架設(shè)計和軟件實現(xiàn)進行了深入研究，開發(fā)了基于PCI1710數(shù)據(jù)采集卡的高速比例電磁鐵動靜態(tài)特性測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速比例電磁鐵運動數(shù)據(jù)的實際采集和圖形顯示。并且對實驗結(jié)果進行了深入分析和研究，為高速比例電磁鐵的研究設(shè)計提供了重要依據(jù)，該測試系統(tǒng)通過進行功能上的擴展還可用于工程上類似的產(chǎn)品測試項目。

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