基于虚拟仪器的高速电磁开关阀动态特性研究

摘要：高速电磁阀在控制系统中的应用越来越广泛，其动态特性直接影响了系统的性能。为了研究电磁阀的动态性能，从电磁阀的结构入手，详细分析了其工作原理，得到了工作电流曲线模型。通过设计驱动电路，并且利用虚拟仪器技术，对电磁阀的工作电流进行了测试，得到了实际的电流曲线。结果表明，利用虚拟仪器搭建的系统能对电磁阀的动态特性进行有效地测试。
关键词：电磁阀；虚拟仪器；Labview

0 引言
高速电磁阀可用于水、空气和中性气体以及其他与电磁阀材质相适宜的气体、液体的开关控制，已广泛应用于航空、航天、汽车等领域，作为电-气结合的纽带，其动态性能对整个系统的性能有着重大影响，因此有必要对它的工作原理及控制方法进行深入研究。
虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，具有性能高、扩展性强、开发时间短、出色的集成等优势。
本文基于虚拟仪器技术对电磁阀的动态特性进行了测试，为电磁阀结构的改进提供了依据。

1 电磁开关阀基本结构和原理
1．1 电磁阀内部结构
一般的电磁阀其结构由线圈、弹簧、衔铁和阀杆组合、阀座以及进气口、出气口和排气口组成，其基本结构如图1所示。

1．2 工作原理
给线圈通电后，衔铁和阀杆组合向左运动，阀杆组合左锥面和左阀座接触并密封，进气口和出气口连通，线圈断电后，衔铁向右运动，右锥面和右阀座密封，排气口和出气口连通。对电磁阀的工作原理进行分解，有以下几个过程。给线圈加激励电压U。加电压后线圈中产生电流(i0)，由于线圈为感性元件，因此，，式中，L为线圈电感值。根据电磁感应定律，变化的电场产生磁场，因此线圈内部会产生磁场(设磁感应强度为B)，磁场方向如图1中绿线所示。
(1)衔铁开始运动
由于磁场的存在，衔铁的受力情况如图1所示。衔铁所受合力为：F合=Fc-Fk，式中：Fc为通电线圈产生的磁场对衔铁的吸力(其大小和线圈激励电压、匝数、电阻以及磁导率有关)；Fk为弹簧对衔铁的推力(和弹簧强度有关)；当磁场强度增加到足以克服弹簧的推力时，即Fc>Fk时，衔铁开始向Fc方向运动。

(2)线圈中产生感应电流
衔铁的运动使通过线圈的磁通量增加，根据楞次定律，通过回路面积的磁通量增加会产生感应电流，感应电流所产生的磁通量将抵消原来磁通量的增加，因此可判断感应电流的方向和原电流方向相反。根据感应电动势计算公式，可得到线圈上产生的感应电动势为：

(N：线圈的匝数；S：线圈的横截面积；B：磁感应强度(由于衔铁运动，导致线圈内磁通量发生变化，如果衔铁运动位移相同，则dB为常数))，因此，感应电流为，线圈上的总电流为：，从上式可知，衔铁开始运动后，电流呈减小趋势。