電磁閥響應(yīng)時(shí)間測試裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石建民，劉 坤

(1.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049； 2.西安交通大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

1 概 述

電磁閥是由線圈與閥體兩部分組成，線圈通電產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)閥體動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)氣體或者液體通路的通、斷功能。電磁閥在電力、汽車、機(jī)車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電磁閥的一個(gè)主要指標(biāo)就是響應(yīng)時(shí)間，為了測試響應(yīng)時(shí)間就需要對電磁閥的閉合與斷開進(jìn)行控制，系統(tǒng)的連接示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接圖

一般的電磁閥線圈輸出電壓的控制方式有繼電器輸出控制與功率管輸出控制，由于電磁閥是感性負(fù)載在斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢，這會(huì)造成繼電器觸點(diǎn)的拉弧從而極大地減少其使用壽命。這種控制一般都是固定電壓輸出，也有基于PLC來控制電磁閥的方式。像圖2中輸出的要求簡單地使用繼電器或PLC是沒法實(shí)現(xiàn)的。

本裝置主要適用于圖1這種變電壓的輸出要求，給出了詳細(xì)的控制電路與相應(yīng)的軟件要點(diǎn)，并且在輸出控制時(shí)避免繼電器的觸點(diǎn)拉弧，從而極大地延長了裝置壽命。本裝置具有輸出短路保護(hù)，可以在μs級檢測到有短路現(xiàn)象并且以μs級的速度斷開輸出電壓，從而保護(hù)內(nèi)部電路避免損壞，提高了裝置的可靠性，極大地減少因意外短路故障給用戶帶來的不必要的麻煩與損失，從而提高生產(chǎn)效率。

電磁閥的響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)比較重要的參數(shù)，在提高電磁閥的響應(yīng)時(shí)間方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[1-5]。冉振華等[6]做了電磁閥響應(yīng)時(shí)間的參數(shù)影響性研究，而在測試響應(yīng)時(shí)間方面國內(nèi)也有大量的研究[7-11]，如用示波器捕捉輔助讀數(shù)的方法[8-11]、自動(dòng)采集讀取數(shù)據(jù)的方法[7,9-10]，電磁閥的響應(yīng)時(shí)間對控制對象的影響也有相關(guān)的研究[12-14]，這些都說明了電磁閥的響應(yīng)時(shí)間是比較重要的一個(gè)參數(shù)。該文介紹了一種電磁閥的控制裝置，通過這個(gè)控制裝置就可以測試電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，檢驗(yàn)電磁閥是否合格，介紹了測試裝置的組成，原理，軟硬件的設(shè)計(jì)。

該文所做的電磁閥通斷控制不是一個(gè)固定的電壓加載到電磁閥的線圈上，把開始加到電磁閥線圈上的電壓叫吸合電壓，吸合電壓持續(xù)一定時(shí)間后切換到保持電壓，在整個(gè)過程中測試電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，吸合電壓比保持電壓高。

測試裝置供電是220VAC50Hz，電磁閥最大電流是2 A，測試裝置設(shè)置有電源開關(guān)——控制裝置的電源通斷，電源指示燈，測試輸出指示燈，啟動(dòng)按鈕，停止按鈕，輸出端子，串口。

電磁閥的控制按照控制電壓波形進(jìn)行，如圖2所示。從吸合到保持有一個(gè)切換過程的控制，這個(gè)切換過程不能使用繼電器切換，因?yàn)槔^電器在切換時(shí)有5 ms～10 ms的切換間隙，這種間隙會(huì)對電磁閥的吸合造成很大影響，會(huì)使電磁閥斷開，從而造成誤動(dòng)作，所以用繼電器切換的方法行不通。

裝置還考慮了輸出短路保護(hù)，以免造成永久性損壞故障。

軟件采用C語言編程，系統(tǒng)中的上位機(jī)通過串口[15-17]命令可以對測試裝置進(jìn)行管理：控制測試裝置的啟動(dòng)、停止，設(shè)置啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間參數(shù)。

本裝置通過測試運(yùn)行，表現(xiàn)出性能穩(wěn)定、可靠、操作簡單的特點(diǎn)，運(yùn)行以來沒有出現(xiàn)故障，表明這種設(shè)計(jì)是比較成功的。

2 原理與設(shè)計(jì)

2.1 輸出的時(shí)序與電平要求

如圖2所示，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)開始輸出電壓25 V，并持續(xù)150 ms～200 ms，然后將輸出電壓降到17 V～17.5 V之間并保持到結(jié)束，結(jié)束時(shí)間由人工控制。

圖2 輸出的電平與時(shí)序

把150 ms～200 ms這個(gè)時(shí)間稱為啟動(dòng)保持時(shí)間T0，可以通過上位機(jī)串口命令改變。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用MCU[18]作為時(shí)序與操作等邏輯控制，輸入電壓是220VAC50Hz，使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊并且可調(diào)整電壓輸出，電源模塊輸出，24 V/2 A，24 V調(diào)整到25 V輸出，控制電磁閥的通斷，通過降壓到5 V給MCU供電。具體結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 電源模塊及穩(wěn)壓

電源模塊使用一個(gè)24 V/2 A輸出可調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)電源模塊，17 V穩(wěn)壓使用LT1084[19]的調(diào)整管來實(shí)現(xiàn)，調(diào)整Rp1使得輸出電壓UO在帶載情況下滿足17 V～17.5 V，一般取中間值17.25 V，5 V電壓通過一個(gè)三端穩(wěn)壓器7805實(shí)現(xiàn)，7805的輸入使用穩(wěn)壓過的17 V。

如圖4所示，R13，R19采用1%精度的電阻比普通的電阻輸出電壓的穩(wěn)定性好一些，如果使用0.1%的電阻也是一個(gè)很好的辦法，穩(wěn)定度更高，調(diào)整RP1使得輸出電壓到17 V。

圖4 穩(wěn)壓電路

2.2.3 電源切換控制

當(dāng)按下測試啟動(dòng)按鈕時(shí)，輸出25 V，持續(xù)時(shí)間150 ms～200 ms，本裝置設(shè)置到160 ms輸出，然后將電壓切換到17 V繼續(xù)輸出，直到按下停止按鈕后切斷輸出。

25 V與17 V的切換采用大功率達(dá)林頓PNP管輸出，采用無縫電壓切換方式?？刂齐娐啡鐖D5所示。

圖5 電壓輸出切換控制

如圖5所示，控制邏輯如表1所示，表中0、1分別表示低電平與高電平，對應(yīng)實(shí)際的控制電壓就是0 V與5 V。

表1 電壓輸出邏輯控制

控制過程：25 V輸出時(shí)，先給17V-ON信號高電平(5 V)，Q8截止，Q6截止，17 V的電壓禁止輸出，然后給25V-ON信號低電平(0 V)，Q2導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通，25 V輸出到UO。系統(tǒng)定時(shí)160 ms后，切換到17 V輸出：17V-ON低電平(0 V)，25V-ON信號高電平(5 V)，Q2截止，Q1截止，25 V禁止輸出，Q8導(dǎo)通，Q6導(dǎo)通，17 V的電壓輸出到UO。

對應(yīng)C語言的程序如下：

sbit b25V_ON=P1^0; //定義25 V輸出信號控制腳為P10，0：輸出信號，1：斷開

sbit b17V_ON=P1^1; //定義17 V輸出信號控制腳為P11，0：輸出信號，1：斷開

……

25 V輸出時(shí)的控制語句：

b17V_ON = 1;//17 V斷開

b25V_ON = 0;//輸出25 V信號

17 V輸出時(shí)的語句：

b17V_ON = 0;//17 V輸出

_nop_();//空語句

_nop_();

_nop_();

25V_ON = 1;//25V信號斷開

17 V輸出時(shí)為何要這么控制？從圖2中知道要求25 V切換到17 V，所以先將17 V接通，空語句是等待電壓輸出穩(wěn)定一下，都準(zhǔn)備好了最后將25 V斷開，這時(shí)17 V就接上了，類似于運(yùn)動(dòng)場的接力跑模式，接棒人先要準(zhǔn)備好接棒，傳棒人才能松手，不然棒就掉到地上了。這就是程序中的細(xì)節(jié)。

2.2.4 輸出控制

輸出采用圖6的方式，分為電壓輸出、電磁閥續(xù)流保護(hù)兩部分電路。R1，Z1，Z3與R2，Z2，Z4組成一個(gè)電磁閥線包的續(xù)流電路，這個(gè)是客戶特意要求的形式。Z3，Z4是100 V的穩(wěn)壓管，因此在切斷輸出電壓時(shí)線包上會(huì)產(chǎn)生超過100 V的反向電壓。如果直接斷開K1繼電器的輸出，這時(shí)就會(huì)在繼電器的觸點(diǎn)上拉弧，運(yùn)行的次數(shù)多了繼電器觸點(diǎn)就會(huì)不可靠，就要更換繼電器。為了解決這個(gè)問題，專門做了由Q3，Q7以及Z6，R14，Z5，R18，R22，R23組成的保護(hù)電路，這樣就不會(huì)在K1繼電器的觸點(diǎn)上拉弧了，使用壽命大大增加。

圖6 輸出控制

CZ3是主板上的插座，直接用線接到測試裝置的面板接線端子上，在面板上接電磁閥的線包兩端。

吸合控制邏輯：首先給OUT-ON信號低電平(0 V)，Q5導(dǎo)通，繼電器K1吸合，UO電壓加載到CZ3的1腳(也就是電磁閥線包的一端)，再給OUT-GND信號低電平(0 V)，Q7截止，Q3導(dǎo)通，CZ3的2腳接地(電磁閥的另一端接地)，此時(shí)電磁閥線包加電，電磁閥吸合動(dòng)作。

斷開控制邏輯：首先給OUT-GND信號高電平(5 V)，Q7導(dǎo)通，Q3截止，CZ3的2腳與GND斷開，電磁閥的線包開始續(xù)流產(chǎn)生反向高電壓，延遲10 ms～50 ms等待線包能量釋放完畢，再給OUT-ON信號高電平(5 V)，Q5截止，繼電器K1釋放斷開，UO電壓與CZ3的1腳切斷，此時(shí)電磁閥線包徹底失電，電磁閥釋放。

延遲時(shí)間可以根據(jù)不同電磁閥進(jìn)行實(shí)際測量能量釋放時(shí)間，從而調(diào)整合適的延遲時(shí)間。

圖6中Z6，Z5是對Q3的冗余保護(hù)，Z6選擇150 V的瞬態(tài)二極管，Z5選擇12 V的穩(wěn)壓管，這樣可以極大提高Q3的可靠性。

C程序如下：

sbit bOUT_GND = P1^2;//GND控制腳為P12，0：導(dǎo)通，1：斷開

sbit bOUT_ON = P1^3;//繼電器控制腳為P13，0：吸合輸出信號，1：釋放斷開

接通控制：

bOUT_ON =0; //繼電器吸合

……等待10 ms，繼電器吸合動(dòng)作完成

bOUT_GND = 0;//GND接通

斷開控制：

bOUT_GND = 1;//GND斷開

……等待10 ms～50 ms電磁閥續(xù)流結(jié)束

bOUT_ON = 1;//繼電器釋放，斷開輸出

2.2.5 短路保護(hù)

輸出如果沒有短路保護(hù)的話，可能造成器件損壞，從而引起設(shè)備故障，保護(hù)電路如圖7所示。

圖7 輸出短路保護(hù)

保護(hù)原理：D21選擇12 V的穩(wěn)壓管(1N4742A)，當(dāng)UO輸出時(shí)(25 V或17 V)，Q31導(dǎo)通，Short_CHK信號為低電平(0 V)，如果輸出短路也就是UO瞬間為0 V時(shí)，Q31截止，Short_CHK信號為高電平(5 V)，當(dāng)檢測到高電平時(shí)及時(shí)切斷輸出電壓，參照圖6的電路，置OUT-ON與OUT-GND同時(shí)高電平，瞬間就將輸出切斷了，同時(shí)將蜂鳴器報(bào)警信號Short_Alarm置低電平(0 V)，蜂鳴器蜂鳴報(bào)警提醒，解除報(bào)警時(shí)按下面板上的停止測試按鈕即可。

短路檢測也可以采用電平門限檢測芯片，要注意芯片的最高承受電壓，不要因過壓損壞芯片導(dǎo)致檢測電路失效。

C程序如下：

sbit bSHORT_CHK = P1^4;//短路檢測腳為P14，0：正常，1：短路。

sbit bAlarm_OUT = P1^5;//報(bào)警輸出腳為P15, 0:報(bào)警，1：正常

短路檢測與控制：

if (bSHORT_CHK == 1) //輸出短路

{

bOUT_GND = 1;//GND斷開

bOUT_ON = 1;//繼電器釋放

b25V_ON = 1;//斷開25 V信號

b17V_ON = 1;//斷開17 V信號

bAlarm_OUT = 0;//報(bào)警輸出

}

2.2.6 其他設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

裝置的控制采用C語言編程的MCU完成，裝置前面板設(shè)置兩個(gè)按鈕，一個(gè)啟動(dòng)(綠色)，一個(gè)停止(紅色)，串口接口使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232芯片，接口放置在后面板，由于MCU在上電復(fù)位時(shí)IO口輸出高電平，為了避免復(fù)位時(shí)IO引起誤動(dòng)作，在需要的電路中加入反相器，如圖6中U1A，圖7中的U1D，如果沒有反相器的話，上電復(fù)位中就會(huì)發(fā)生輸出繼電器K1吸合一下然后釋放，蜂鳴器LS1就會(huì)鳴叫一聲。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 MCU軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)加電后初始化處理，初始化結(jié)束后查詢啟動(dòng)按鈕是否按下，按下后輸出測試電壓，等待停止按鈕按下后測試結(jié)束，同時(shí)查詢輸出是否短路，若短路則執(zhí)行短路保護(hù)程序，切斷輸出電壓并報(bào)警，按下停止按鈕后解除報(bào)警，測試結(jié)束。

按鍵啟動(dòng)與停止與串口命令的啟動(dòng)與停止是或的關(guān)系，可以串口啟動(dòng)，按鍵停止，反之亦然。

串口接收解碼在串口中斷里完成。

軟件循環(huán)查詢一次的耗時(shí)非常短，大約是μs級別的，速度已經(jīng)足夠快，因此在本系統(tǒng)中短路保護(hù)使用了查詢方法而沒有使用中斷模式。軟件使用C語言編程，便于閱讀，修改。

軟件的主流程如圖8所示。

圖8 軟件主流程

2.3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VB設(shè)計(jì)，串口協(xié)議為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，一幀數(shù)據(jù)10 bit。具體串口通信協(xié)議如下：

啟動(dòng)：A，1，START，Z

停止：A，2，STOP，Z

啟動(dòng)保持時(shí)間T0：A，3，nnn，Z

均用可見的ASCII傳輸，nnn為3字節(jié)數(shù)字，“A”為開始字節(jié)，“Z”為結(jié)束字節(jié)。啟動(dòng)命令為字符串“A1STARTZ”，停止命令為“A2STOPZ”，T0字符串舉例“A3090Z”(對應(yīng)90 ms)，“A3230Z”(對應(yīng)230 ms)。

用可見的ASCII的好處是用通用的串口調(diào)試程序直接發(fā)送命令變得非常方便。

3 實(shí) 驗(yàn)

設(shè)備的實(shí)物照片如圖9所示。

圖9 實(shí)物外形照片

面板介紹：

(1)電源指示燈：供電后亮起；

(2)工作指示燈：測試時(shí)亮起，短路報(bào)警時(shí)快閃；

(3)啟動(dòng)按鈕：按下后輸出電壓開始測試；

(4)停止按鈕：按下后測試結(jié)束；輸出短路報(bào)警后，按下停止按鈕解除報(bào)警；

(5)輸出接線端子：1+與1-監(jiān)視輸出電壓波形，3+與3-接電磁閥線包，采樣電阻可以檢測線路的電流。

電源輸入、串口接口在裝置的后面板上。

圖10是線包在斷電時(shí)續(xù)流產(chǎn)生的反向電壓，縱向是電壓值，每格20 V，橫向是時(shí)間，每格2 ms，從示波器上可以看出，在斷開的瞬間反向電壓高達(dá)100多伏，約1 ms的時(shí)間被續(xù)流及穩(wěn)壓電路吸收，此后開始下降，從斷開到大部分的能量釋放大約持續(xù)時(shí)間是2 ms，大約6 ms～8 ms后基本釋放完畢。這個(gè)測試數(shù)據(jù)可以作為軟件編程時(shí)的時(shí)間控制，能延長繼電器的壽命。

圖10 線包電壓斷開時(shí)的電壓波形

4 結(jié)束語

該文給出的軟硬件實(shí)用、可靠，完全滿足了客戶提出的要求，在續(xù)流保護(hù)與短路保護(hù)做了很好的處理，避免意外損壞，延長了設(shè)備的使用壽命。串口接口使得改變啟動(dòng)保持時(shí)間T0變得容易，通過客戶的測試與驗(yàn)證，完全滿足要求，已經(jīng)投入了實(shí)際使用。

對于不同的電壓等級，介紹的電路只需做一些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整就可以滿足實(shí)際要求，控制用C語言編程可讀性好，靈活性方便。

本裝置可以應(yīng)用于汽車、機(jī)車、電力、航空航天等使用電磁閥的領(lǐng)域。本裝置在輸出保護(hù)時(shí)反應(yīng)快速，避免不必要的損傷。本裝置由于運(yùn)行穩(wěn)定，故障率極低，可以為客戶節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省運(yùn)行成本，可靠的硬件與靈活的軟件使得本裝置使用起來簡單順手、方便舒心。