摘　要:针对目前国内对直动式气动电磁阀测试存在的不足问题,采用高速数据采集系统,应用计算机控制技术,设计了电磁阀综合性能检测系统。测试项目主要有动态特性检测、密封性检测、疲劳寿命测试,并首次引入了最低先导压力的测试,突破了以往只针对单个参数测试的局限。为验证系统的准确性,设计完善了一种基于MATLAB/Simulink的电磁阀动态仿真模型,可应用于电磁阀设计时的多参数仿真和优化设计。运用仿真模型和测试系统,测试、分析了气路压力条件对电磁阀性能的影响,确定了电磁阀测试或使用时的最佳气路压力条件。实验结果表明:该系统能很好地对电磁阀的综合性能进行评判,系统时间分辨率达到0. 1 ms,压力分辨率0. 1 kPa

　　1　引　　言

　　直动型电磁阀属于气动系统中方向控制阀的一种,　在自动控制系统中,电磁阀是重要的执行器,广泛应用于汽车ABS系统、柴油机燃油电子喷射系统、火箭发动机的推进剂供应系统之中[1-2]。随着自动化技术的应用和发展,要求电磁阀具有更加精、准、快的响应控制。到目前为止,电磁阀检测方法及检测设备仍尚无完整的国家标准或行业、企业标准可供参考[3]。根据电磁阀技术要求,目前国内主要有几个测试项目为最重要,分别为动态特性检测、密封性检测、疲劳寿命测试,本系统首次增加了最低先导压力检测。同时,国内生产厂家对电磁阀的　　检测仍然还处于手工或半手工的状态,这些检测方法不能对电磁阀的质量进行定量的分析,对电磁阀的设计参数更无法提供理论分析的依据[4]。

　　国内各科研机构也对电磁阀测试设备进行了研制,　主要针对液压电磁阀或者针对电磁阀的动态特性参数检测上,分析的参量主要有电磁阀的电流值或输出压力值。对电流值输出结果的分析是一种间接的分析,并不符合电磁阀本身的质量要求,而且电磁阀在不同的工作条件下,得出的分析结果也有较大差异[5]。东北大学郭北涛、柳洪义等人[6]采用的压力分级测量实现精确压力控制的控制策略,设计了基于虚拟仪器技术的液压电磁阀综合特性测控系统;东南大学黄茂杨等人[7]采用高精度激光位移测试仪测量喷油电磁阀在特定电流激励下衔铁的位　　移响应,从而获得其动态特性;清华大学王会义等人[8]通过电流响应分析,设计研制了汽车液压制动系统中ABS电磁阀性能测试系统;西北工业大学马静、陈静等人[9]研究了航空液压快速电磁阀的数学模型,得到了快速阀的位移-时间响应关系。必须指出的是电磁阀种类繁多,需测试的参数种类也较多,只针对某一项参数进行测试显然不能满足要求。因此研制出一种实用性强的能够服务于工业现场与实验室的电磁阀综合测试系统很有必要[10]。为验证测试系统的准确性,设计了一种电磁阀的仿真模型,该模型在常见的电磁阀模型中加入了气路方　　程,弥补了常见模型中只有阀芯位移与时间的输出关系,　更符合电磁阀的设计依据,因此该模型可避免电磁阀设计时多参数实验的复杂性,为质量反馈提供依据。

　　2　系统原理设计

　　2.1　直动型电磁阀原理及测试要求

　　图1为常通式直动型电磁阀的动作原理图,通电时,线圈1通电时产生电磁力,使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接关闭阀,使P、A断开,A、R接通,阀处于排气状态。断电时,阀芯靠弹簧力复位,使P、A接通,阀处于进气状态。

　　电磁阀的综合性能中,需要测试的参数种类中,有4个主要项目: 1)动态特性检测:即电磁阀接收控制信号后,会在多少时间内完成动作,动作过慢会影响使用效果,又叫响应时间测试[11]。进气时,出口压力上升到进口压力的10%时为开启响应时间,达到进口压力90%时的时间为开启换向时间。排气时,出口压力下降到原来压力的10%的时间为关闭响应时间,降到原来90%的时间为关闭换向时间。2)密封性检测:如果阀在关闭的状态下不能完全关死,就为泄漏,它的大小将影响整个气动装置的工作可靠性和气源能量的损失。3)最低先导压力测试:在允许的泄露量范围内,能使气动电磁阀正常换向的控制口的最低压力值,当气路压力很小的时候电磁阀是不能打开或关闭的。4)疲劳寿命检测:气阀经过若干次切换后,阀的主要性能参数都在允许范围内,该切换次数即为阀的耐久性。

　　2.2　系统总体设计

　　基于以上测试要求,设计了PC控制的电磁阀综合性能测试系统,如图2所示。空气压缩机1、二位二通换向阀2、气罐3、压力传感器11、控制器构成了一个闭环气源供应系统,当系统中的气压不足的时候,控制器打开二位二通换向阀2,空压机向气罐充气。系统采用工控机、高速数据采集卡、定时计数器卡为控制和处理核心;数据采集卡负责采集气路中压力传感器的A/D值,同时提供低速的控制I/O数字信号;定时计数器卡可提供高速的开关量切换信号,控制被测高速电磁阀的开关。目前高速电磁阀的速度达到1 ms左右,所以要求数据采集卡的速　　率能达100 k以上,编程方式采用中断方式编程[12]。驱动单元提供系统中必要的驱动电流,采用高速驱动电路,响应时间<0.1 ms。气路系统中的气路压力调节通过电气比例阀5来调节,控制信号为0~5 V,对应0~1MPa的压力调节。高精度压力传感器8选用精度0.05%、响应时间0.1 ms的压阻式压力传感器。夹具的驱动装置由气缸10来提供,构成自动化装夹机构。

　　测量电磁阀的动态响应时, PC通过数据采集卡,输出D/A值给电气比例阀,设定气路压力,并通过数采卡I/O接口开通换向阀6、9,使气路导通。然后PC通过定时计数器卡发出指令对被测电磁阀发出通电和断电的开关频率,根据高精度气压传感器测量出口压力值和响应时间定义,记录时间,经计算机处理得到电磁阀动态响应时间。

　　测量电磁阀密封性的方法为:采用直压法,即首先使被测电磁阀处于充气状态,充气至设定压力,关闭端口的各个电磁阀,同时监测压力变化,检测保压一定时间后的压降,得出前后压力差,根据保压-泄压后的压力差判断合格与否。

　　最低先导压力测试:打开被测电磁阀,然后通过数据采集卡中的D/A,输出模拟量控制电气比例阀,自动调节气路中的压力从低到高变化,当电磁阀的输出口压力有明显跳变的时候,计算机记录下此时的气路压力值,这个压力值就为电磁阀的最低先导压力。同样,关闭的时候,电磁阀的输出压力口有明显跳变的时候的气路压力值为电磁阀关闭的最低先导压力。

　　寿命的检测方法为:电磁阀经过若干次切换后,在不更换零部件的条件下,若测得的换向时间、密封性在允许范围之内,继续电磁阀切换,经设定次数的切换后再进行电磁阀换向时间和密封性的测量,直到所测量的值超出允许范围,记录测量的次数即为电磁阀的疲劳寿命参数[13]。

　　3　电磁阀仿真建模

　　为验证系统动态响应的准确性,采用MATLAB/Smi-ulink对电磁阀动态特性进行了仿真。首先建立电磁阀的动态响应数学模型,该模型由运动方程、磁路方程、电路方程和气路方程组成[14]。

　　3.1　运动方程

　　电磁阀工作时,阀芯受到弹簧力、电磁吸力以及气压阻力的作用。其运动方程为:

　　式中:m为阀芯质量(kg),c为阀芯运动时的等效黏性阻尼(Ns/m);k为弹簧刚度(N/m),xp为弹簧预紧量(m),Fe为电磁吸力(N),Ff为阀芯所受气压阻力(N)。

　　3.2　磁路方程

　　根据麦克斯韦电磁吸力公式以及基尔霍夫磁压定律,电磁阀的磁势变化的动态过程下面微分方程来表示[15]:

　　式中:Rm为磁总磁阻(&Omega;),Rmf为磁路磁阻(&Omega;),R&delta;为气隙磁阻(&Omega;),Rf为非工作气隙磁阻(&Omega;),&delta;0为最大气隙(m),x为衔铁位移(m),为磁通量(Wb),&mu;0为真空中的磁导率,&mu;0=4&pi;&times;10-7H/m,A为气隙处的磁极面积(m2)。

　　3.3　电路方程

　　根据电压平衡的原理,可以得到电路方程为:

　　式中:U为电磁阀驱动电压(V),I为线圈内电流(A),R为线圈回路的电阻(&Omega;),N为线圈匝数;&psi;为磁系统的磁链(Wb),t为时间(s)。

　　3.4　气路方程

　　假定在阀芯运动过程中没有气体泄漏,充、放气过程由于时间短、速度快,可以将整个过程看成绝热过程,根据出气口质量流量方程,以及理想气体方程和气体质量密度方程,得到气室充放气过程的动态微分方程:

　　式中:A(t)为t时刻阀口面积(m2),R0为气体常数,空气,R0=287.1 J/kg&middot;K,K为绝热指数,K=1. 4,T1为气室气体的绝对温度,T1=313 K;p1、p2为气室前、后压力(kPa),V为气室容积(m3)。

　　3.5　仿真结果

　　上述方程(1)~(5)联立,是个复杂的非线性系统。在电磁阀工作过程中,4个系统不断地变化,若对各个过程建立方程,再对这些联立方程组进行求解,则计算量非常大,很难求解。MATLAB/Smi ulink能有效解决这个问题。根据电磁阀的设计参数,当气源压力为400 kPa时,在Smi ulink中输入电磁阀仿真结构参数,得到图3。

　　从图4中可得出,此条件下的电磁阀仿真模型的开启响应时间和开启换向时间分别为15.9ms和28.1ms,关闭响应时间和关闭换向时间分别为12.3ms和27.3ms。

4　测试结果与分析

　　4.1　动态响应实验结果

　　为验证测试系统效果,在供气压力400 kPa之下,对电磁阀的动态响应进行了测试,结果如下:

　　从图中可得出,此条件下的电磁阀实测开启响应时间和开启换向时间分别为18.5 ms和29.1 ms,关闭响应　　时间和关闭换向时间分别为14. 8 ms和28. 5 ms。测试结果比仿真结果略大一点,这是由于测试系统中一些固有时间延迟造成的。

　　为了验证不同气源压力下,在电磁阀工作参数范围内对电磁阀的动态输出响应的影响,分别在100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa、350 kPa、400 kPa、450 kPa、500 kPa的气路压力下,在仿真模型中和测试系统中对电磁阀的动态特性进行了实验,图5显示了不同气路压力下的动态响应结果。

　　从实验结果分析得出,无论是仿真结果还是仪器测试结果,当气压上升的时候开启响应时间和开启换向时间随着气压的上升变长,这是由于气压阻力的作用,而关闭响应时间和关闭换向时间随着气压的上升变短,这是由于气压助力的作用。所以对电磁阀的使用的时候,如何衡量开启时间和关闭时间的最佳应用条件,可根据不同应用系统的需求而选择,一般可选择图5中2和4相交的点作为气路中最佳气压应用条件,此时开启时间和关闭时间相等。

　　4.2　密封性测试结果

　　图6为测量电磁阀密封性的测试结果。测量时间为1 min,充气气压为400 kPa,从图中可知电磁阀起始压力为399.4 kPa,终止压力为382. 9 kPa,压降16. 5 kPa,满足密封性要求。

　　根据理想气体状态方程,有P0V0=P1V1,P0和P1为泄漏前后的压力值,V0和V1泄漏前后的气体体积,得:

　　泄漏量定义为Q =&Delta;PV/t, t为泄漏时间。因此可以看出泄漏的绝对量大小与气路初始压力值有关。图7为电磁阀在不同气路压力下的压差变化值,可以看出泄漏量随着气路压力的增大近似线性增大。所以衡量电磁阀密封性的时候,需要指出其气路压力条件,然后得出判断阈值大小

　　4.3　最低先导压力测试结果

　　对电磁阀的最低先导压力的输出结果如图8所示。当气路中压力很小的时候,即使开启电磁阀,电磁阀的输出也是没有输出值的,只有当气路中的气压值达到6.2 kPa时候,输出才有响应,如图8中所标的1点所示,　这就是开启的最小先导压力。同理,可求出电磁阀关闭时候的最低先导压力,如图8中所标的2点所示,为2 kPa左右。可见电磁阀开启的最低先导压力要大于关　　闭时候的最低先导压力值。

　　5　结　　论

　　本文在基于MATLAB/Smi ulink的电磁阀动态仿真模型的基础之上,设计研制了电磁阀综合性能测试仪器。突破了以往针对电磁阀的测试只针对局部参数测试的局限,完善了动态仿真模型,首次引入了最低先导压力的测试,并全面地分析与测试了气路压力对电磁阀性能的影响,指出了电磁阀测试和使用时的最佳气路压力条件。实验结果表明:本系统能很好地对电磁阀的综合性能进行评判,对电磁阀测试标准的建立具有良好的意义,有利于国内电磁阀生产质量的提高。

　　参考文献

　　[ 1 ]　姜杨,柳洪义,田洪海,等.电磁阀测试系统综合控制研究[J].东北大学学报, 2010, 31(1): 103-106.

　　JIANG Y, LIUH Y, TIAN H H, et a.l Integrated con-trol study on testing system of solenoid valve[J]. Journal　ofNortheasternUniversity, 2010, 31(1): 103-106.

　　[ 2 ]　吴朋,时光,聂绍忠.仿人智能控制在智能电气阀门定位器中的应用[ J].仪器仪表学报, 2009, 30 (9):　1930-1934.

　　WU P, SHIG, NIE SH ZH.Application of human-simu-lated intelligent control in smart electro-pneumatic valve　positioner[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,　2009, 30(9): 1930-1934.

　　[ 3 ]　张廷羽,张国贤.高速开关电磁阀的性能分析及优化研究[J].机床与液压, 2006, 22(9): 139-142.

　　ZHANG T Y, ZHANG G X. Performance analysis and　investigation to high speed digital valve [ J]. Machine　Tool&Hydraulics, 2006, 22(9): 139-142.

　　[ 4 ]　马亮.电磁阀检测仪的设计和应用[D].武汉:武汉科技大学, 2009.

　　MA L. The design of the electromagnetic valve detecting　instruments[D]. Wuhan: Wuhan University of Science　and Technology, 2009.

　　[ 5 ]　AHN K, YOKOTA S. Intelligent switching control of　pneumatic actuator using on/off solenoid valves [ J].　Mechatronics, 2005, 55(15): 683-702.

　　[ 6 ]　郭北涛,柳洪义,曹阳,等.基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统[ J].仪器仪表学报, 2010, 31(2): 293-298.

　　GUO B T, LIU H Y, CAO Y, et a.l Measurement and　control system for comprehensive performance of solenoid　valve based on virtual instrument technique[J]. Chinese　　Journal ofScientific Instrument, 2010, 31(2): 293-298.

　　[ 7 ]　黄茂杨,翟羽健.基于激光位移测试仪的高速电磁阀动态特性测试系统[ J].测控技术, 2005, 24 (9):　59-61.

　　HUANGM Y, ZHAIY J. High speed solenoid dynamic　performance testing system based on high precision laser　displacement tester[J]. Measurement& ControlTechnol-　ogy, 2005, 24(9): 59-61.

　　[ 8 ]　王会义,高博,宋健.汽车ABS电磁阀动作响应测试与分析[J].汽车工程, 2002, 24(1): 29-31.

　　WANG H Y, GAO B, SONG J. Measurement and analy-sis of response of electromagnetic valve in automotive hy-draulic ABS [ J]. Automotive Engineering, 2002, 24　(1): 29-31.

　　[ 9 ]　马静,陈静,李杰.航空快速电磁阀的设计和仿真研究[J].计算机仿真, 2009, 26(9): 24-27.

　　MA J, CHEN J, LI J. Design and simulation of aero-high-speed solenoid[J]. ComputerSimulation, 2009, 26(9): 24-27.

　　[10]　王立辉,杨志新,殷明慧.数字闭环光纤电流互感器动态特性仿真与测试[J].仪器仪表学报, 2010, 31(8):　1890-1895.

　　WANG LH, YANG ZH X, YIN M H. Simulation and　test of dynamic performances of digital closed-loop fiber　optic current transducer[J]. Chinese JournalofScientific　　Instrument, 2010, 31(8): 1890-1895.

　　[11]　章文川,苏小光.基于嵌入式平台实现自吸电磁阀检测系统[J].电子测量技术, 2009, 32(7): 132-135.

　　ZHANGW CH, SHU X G. Self-priming electromagnetic　valve detection system base on embedded platform [ J].　Electronic Measurement Technology, 2009, 32 ( 7 ):　132-135.

　　[12]　郭连平,田书林,蒋俊.高速数据采集系统中触发点同步技术研究[J].电子测量与仪器学报, 2010, 24(3):224-228.

　　GUO L P, TIAN SH L, JIANG J. Research on the trig-ger point synchronizing technology ofultra-high-speed da-ta acquisition system[J]. Journal ofElectronicMeasure-ment and Instrument, 2010, 24(3): 224-228.

　　[13]　ANGADI S V, JACKSON R L, CHOE S Y. Reliability　and life study of hydraulic solenoid valve. Part 2: Ex-perimental study [ J]. Engineering Failure Analysis,　2009, 16: 944-963.

　　[14]　BUNTE T, SAHINA,BAJCINCAN. Inversion ofvehicle　steering dynamics with Modelica/Dymola[C]. Proceed-ings of the 4th InternationalModelica Conference. Ham-burg-Harburg, Germany: HamburgUniversity ofTechnol-ogy, 2005: 319-328.

　　[15]　陈婷.柴油机高压共轨电磁阀特性仿真及驱动电路研究[D].北京:北京交通大学, 2009.

　　CHEN T. Simulation and drive circuit research of sole-noid valve in common rail injection system[D]. Beijing:　Beijing JiaotongUniversity, 2009.

　　作者简介

　　陆艺, 2001年于四川大学获得学士学位, 2003年于四川大学获得硕士学位,现为中国计量学院讲师、浙江大学博士研究生,主要研究方向为精密测试技术研究。E-mai:l luyi9798@ 163. com

　　郭斌, 2000年于山东大学获得学士学位, 2003年于中国计量学院获得硕士学位,现为中国计量学院讲师,主要研究方向为汽车零部件检测。E-mai:l Guobin905@ 163. com