呂 超，謝海波，徐苾璇

（1.濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250022；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027）

0 引 言

“十一五”期間我國(guó)的車(chē)用柴油機(jī)產(chǎn)量將會(huì)有大幅度增長(zhǎng)，考慮到我國(guó)正處于實(shí)施歐Ⅲ甚至歐Ⅳ排放法規(guī)的適應(yīng)階段，針對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的要求將越來(lái)越嚴(yán)格，而比例電磁鐵作為共軌式柴油機(jī)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(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換成力或位移[1]。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便、抗污染能力強(qiáng)，并且能方便地進(jìn)行遠(yuǎn)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(duì)高頻響應(yīng)、高精度的控制元件和控制技術(shù)的要求越來(lái)越高，相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]。然而對(duì)于比例電磁鐵，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法，已有的一些測(cè)試方法也存在精度低、測(cè)試手段不合理、自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題。為此，研制了一套軟硬件結(jié)合、測(cè)試準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高的測(cè)試系統(tǒng)，并在實(shí)際測(cè)試中進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 比例電磁鐵測(cè)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(jí)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(wú)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(fù)載彈簧共同工作而形成的。電磁鐵的輸出力，通過(guò)彈簧轉(zhuǎn)換成輸出位移，從而實(shí)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(duì)于比例電磁鐵，測(cè)試內(nèi)容主要包括靜態(tài)特性測(cè)試和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試兩部分，其中靜態(tài)測(cè)試主要包括電流-力特性測(cè)試和位移-力特性測(cè)試，動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)原理與組成

2.1 測(cè)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(lì)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(jìn)一步研究比例電磁鐵動(dòng)態(tài)特性的前提和基礎(chǔ)。

靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)給定不同的銜鐵位移量，控制采集卡輸出PWM控制信號(hào)，通過(guò)比例控制放大器生成不同的激勵(lì)電流以驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵，通過(guò)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成試驗(yàn)項(xiàng)目，并求出相應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)。

如圖1所示，測(cè)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(jì)算機(jī)、顯示器等部分組成。

圖1 靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2.2 硬件組成

比例電磁鐵靜態(tài)測(cè)試臺(tái)架如圖2所示。底座用來(lái)支撐電磁鐵支架和傳感器等測(cè)試部分，其上表面開(kāi)有滑槽，便于電磁鐵支架在底座中水平移動(dòng)。電磁鐵通過(guò)用螺母固定于底座之上。位移傳感器調(diào)零后通過(guò)手動(dòng)調(diào)整兩個(gè)進(jìn)給圈的位置實(shí)現(xiàn)觸桿的移動(dòng)，從而調(diào)整比例電磁鐵推桿的位置，位置確定時(shí)兩個(gè)進(jìn)給圈夾緊中間支架，使推桿在軸向無(wú)法移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位的目的，此時(shí)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(guò)的電流對(duì)電磁鐵產(chǎn)生一定的電磁力去推動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)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(cè)試系統(tǒng)臺(tái)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(chǔ)器和可編程計(jì)數(shù)器等功能，可實(shí)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(jì)數(shù)器/定時(shí)器等作用。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件選擇常用的中文Windows98系統(tǒng)作為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，軟件的開(kāi)發(fā)工具選擇Visual Basic 6.0。根據(jù)軟件的功能，測(cè)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(kù)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(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集與處理以及實(shí)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(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性表征了燃油噴射系統(tǒng)真實(shí)的工作過(guò)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(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是在給定電磁鐵驅(qū)動(dòng)電流后，實(shí)時(shí)采集電磁吸力、銜鐵位移量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，即測(cè)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(jì)方案和靜態(tài)測(cè)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(hào)，電磁鐵受到激勵(lì)電流的驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生電磁力，電磁力通過(guò)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(guò)位移傳感器測(cè)得。

考慮到動(dòng)態(tài)測(cè)試要求測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地測(cè)出信號(hào)幅值的大小和無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形[6]，而靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)所采用的接觸式位移傳感器無(wú)法滿足該要求，因此選用測(cè)試性能更好的非接觸式高頻響位移傳感器。動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物圖

3.2 硬件組成

比例電磁鐵動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)集成在同一套測(cè)試臺(tái)架上，但力和位移的測(cè)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(hào)強(qiáng)、反差高、測(cè)試精度和準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)[7]，其模擬輸出和RS-232輸出可直接連接其他計(jì)算機(jī)和資料采集系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)力和位移量的同步測(cè)量。

（2）用彈簧傳遞裝置代替螺旋進(jìn)給裝置。電磁鐵工作時(shí)，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(hào)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用Visual Basic 6.0開(kāi)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(zhǔn)和穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了濾波模塊以剔除不可靠數(shù)據(jù)[8]。通過(guò)設(shè)計(jì)FFT變換模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的識(shí)別及校正以及對(duì)設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[9]。系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)、力信號(hào)和位移信號(hào)同步、準(zhǔn)確地采集?？紤]到采集頻率比較高，電流和力信號(hào)采用DMA方式傳輸，激光位移傳感器測(cè)得的位移信號(hào)通過(guò)其配套的RS232接口傳輸。

圖5 動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用該文研究的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)國(guó)外某型號(hào)高速比例電磁鐵進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖8 力-位移曲線

4.1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

銜鐵位移一定時(shí)的力-電流曲線如圖7所示，其中銜鐵位移的測(cè)量范圍為0.5～2.5 mm，變化步長(zhǎng)為0.5 mm，驅(qū)動(dòng)電流為0.8～1.8 A。激勵(lì)電流一定時(shí)的力-位移曲線如圖8所示，其中電流的測(cè)量范圍為1.3～1.7A，銜鐵位移的測(cè)量范圍為0.3～2.5mm。

由圖7可知，在位移給定時(shí)，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(dāng)電流給定時(shí)，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(shì)，水平特性較好。分析其下降的原因是由于在測(cè)試過(guò)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(shí)際測(cè)量過(guò)程中是不可避免的，所以實(shí)測(cè)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(yàn)曲線

圖10 40Hz時(shí)電磁鐵的跟隨響應(yīng)

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

4.2.1 階躍響應(yīng)分析

如圖9所示，圖9（a）為實(shí)測(cè)激勵(lì)電流曲線，圖9（b）為通過(guò)力傳感器測(cè)得的輸出力響應(yīng)曲線，圖9（c）為通過(guò)激光位移傳感器測(cè)得的位移響應(yīng)曲線。

由圖9可知，比例電磁鐵力延遲時(shí)間約為15ms，上升時(shí)間約為60 ms，位移延遲時(shí)間約為10 ms，上升時(shí)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(fù)載的情況下，銜鐵輸出的力需要通過(guò)彈簧來(lái)傳遞給力傳感器，漸變過(guò)程較明顯，而位移的測(cè)量采用非接觸測(cè)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(hào)的頻率為10～60 Hz，變化步長(zhǎng)為5Hz，分別測(cè)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(dāng)輸入信號(hào)的頻率為35Hz、40Hz、45Hz時(shí)，高速比例電磁鐵的銜鐵能夠較好地隨著輸入信號(hào)的變化而變化。而當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，銜鐵輸出力的波形較為混亂，出現(xiàn)失真，說(shuō)明此時(shí)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(dòng)的頻率在40Hz左右。

圖11 50Hz時(shí)電磁鐵的跟隨響應(yīng)

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

5 結(jié)束語(yǔ)

該文以高速比例電磁鐵的實(shí)驗(yàn)研究為背景，針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)臺(tái)架設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)了基于PCI1710數(shù)據(jù)采集卡的高速比例電磁鐵動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速比例電磁鐵運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)際采集和圖形顯示。并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入分析和研究，為高速比例電磁鐵的研究設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，該測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行功能上的擴(kuò)展還可用于工程上類似的產(chǎn)品測(cè)試項(xiàng)目。

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