双向作用脉冲电磁铁测试系统的研究

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(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

课题组自行研制了一种双向作用脉冲电磁铁。这种新型双向作用脉冲电磁铁不同于常规电磁铁，采用了具有创新性的结构与多力耦合的工作原理并加入了永磁材料部件，显著提高了电磁铁性能，特别适合于对电磁铁需要高驱动力、高响应速度，以及两端无源自保持等场合应用，具有良好的应用前景。为解决其性能测试问题，需要进一步研制相应的测试系统。

目前，普遍存在的电磁铁性能测试系统，都是根据比例型电磁铁和无端部保持力的非双稳态电磁铁来设计的，针对这些电磁铁设计出的测试系统已经功能比较齐全、自动化程度高且性能稳定[1-4]。而双向作用脉冲电磁铁具有无源自保持的优点，其只需在开启或关闭时提供短暂脉冲电流，一旦被打开或关闭则无需通电便保持在该状态，而且这一由永磁体提供的保持力相对较高，足以克服一定的负载，稳定保持所需要的状态，从而降低电磁铁能耗。但是，这一性能特点也为测试带来一定的困难，传统的力传感器与位移调节机构组成的测试系统，难以满足双向作用脉冲电磁铁的性能测试需求。

综上所述，研制一套软硬件结合、测试准确、自动化程度较高的测试系统，对双向作用脉冲电磁铁进行精确的性能测试有着重要的意义。在此，针对自行研制的双向作用脉冲电磁铁，提出了其性能测试方法，并进行性能分析。

1 双向作用脉冲电磁铁测试内容及难点

对于双向作用脉冲电磁铁来说，不同位置处的自保持力和电流驱动力是需要重点测得的性能指标。这里的自保持力是指电磁铁在线圈没有通电的情况下所能推动动铁的最小的力，它反映了双向作用脉冲电磁铁克服一定负载、稳定保持所需要状态的能力；这里的电流驱动力(也可称之为启动力)是指给电磁铁线圈通一定的激励电流所产生的力，它反映了电磁铁的驱动能力。而要完成该测试目标，则有以下几个难点：

a.双向作用脉冲电磁铁永磁体作用力F1与电磁力F2共同存在，永磁体作用力F1的大小仅与动铁位置x有关，而电磁力F2的大小与动铁位置x和电磁铁通电电流I都有关系。它们的合力F可由以下关系式表达：

F=F1(x)+F2(x,I)

(1)

该类电磁铁能够实现端部无电自保持，即在没有激励电流的条件下电磁铁的动铁被永磁体吸附在一端，这个力是力传感器无法方便准确直接测得的。

b.由于需要测不同位置处的自保持力和电流驱动力，而该类电磁铁工作行程又较短，仅有1 mm左右，这就需要确保微小位移调整的精度，实现准确定位，同时操作简便。

c.由于双向作用脉冲电磁铁正常工作时采用毫秒级的脉冲供电方式，响应时间为数个毫秒。长时间大电流的通电容易导致其发热，严重时会造成损坏。所以，测试过程也必须非常迅速，尽量减少电磁铁通电时间。

d.在满足以上几点的同时，还需要尽量避免复杂的操作程序，实现更高程度的自动化。

2 测试系统硬件组成与测试方法

2.1 测试系统的硬件组成

该测试系统中一个主要特色就是合理利用了直线伺服电机的性能特点。自行研制的直线伺服电机[5]的电流和力呈线性关系，不仅可当作模拟负载使用，还可实现力传感器的功能，通过电流值就可以换算得到输出的力的值[6]。这使装置的复杂程度大大降低。

双向作用脉冲电磁铁测试台架如图1所示。底部是直线伺服电机，可通过中间的连杆与测试样件的动铁接触，提供所需要的推力。电磁铁测试样件通过自身具有的螺纹固定于测试台架上，测试样件上下各有一组连杆和压板，与垫片配合可方便调节动铁的位置。位移传感器固定于台架的侧面，传感器的推杆和直线伺服电机的推杆需要保持平行，可用刚性连杆连接，保证位移信号的准确。此时位移传感器就能测得直线伺服电机推杆的位移量，电磁铁测试样件的动铁位移情况也同样能测得。DSP选用TMS320F2812，可令其分别对测试样件与直线伺服电机的电流进行实时控制[7]。

图1 双向作用脉冲电磁铁测试台架

2.2 测试方法

测保持力时，通过增减垫片调节不同的动铁位移量，控制DSP输出PWM控制信号，生成激励电流以驱动直线伺服电机，直线伺服电机通过连杆顶住测试样件的动铁，通过测试动铁被推动时直线伺服电机电流的大小，得到动铁在不同位置处自保持力的大小。

测电流驱动力时，调节不同的动铁位移量，控制DSP输出PWM控制信号，先生成激励电流驱动直线伺服电机，通过连杆顶住动铁，然后生成激励电流驱动测试样件，通过测试动铁被推动时直线伺服电机电流的大小和测试样件中所通脉冲电流的大小，从而得到电流驱动力与动铁位移量和所给脉冲电流的关系。

该测试系统采用计算机通过LabVIEW平台完成测试项目，并求出相应的测试指标。整个测试系统的组成如图2所示。

图2 测试系统组成

3 测试系统的软件设计

3.1 通信方式的选择

在该测试系统中，首先需要解决电脑上位机与DSP之间的数据通信问题。由于下位机DSP每0.1 ms发送1次数据包，频率达到了10 kHz，传输数据速度快且数量多，所以并没有选择传输速度较慢的串口通信，而选用网口通信，即用网线将电脑网口和下位机DSP的网口直接相连[8]。

3.2 基于LabVIEW调用动态链接库(DLL)实现数据通信

由于LabVIEW 提供的网络化组件高度封装化，其开发环境访问底层网络能力不足，无法对底层的数据包进行解析，因而存在一定的局限。但丰富的节点仍然能够使其轻松地实现与其他语言的混合编程，进而完成相关功能[9]。所以此次采取的方法是在LabVIEW开发平台上结合 WinPcap技术，实现以太网数据采集传输。本文主要用到了WinPcap中pcap_findalldevs，pcap_freealldevs，pcap_open，pcap_loop，pcap_next_ex，pcap_sendpacket等函数。有了这些函数，基于WinPcap的数据通信的整个流程就比较清晰了。数据通信流程如图3所示。

图3 基于WinPcap的数据通信流程

但由于LabVIEW中缺少内存指针数据类型，无法完成对这些函数的直接调用。因此需要在WinPcap的安装环境下重写动态链接库(DLL)。本文使用VS软件建立动态链接库。编写时将函数pcap_findalldevs_ex，pcap_open，pcap_freealldevs和pcap_sendpacket一起写成发送数据包的函数int Send()，将函数pcap_findalldevs_ex，pcap_open，pcap_freealldevs和pcap_loop一起写成接收数据包的函数int Cap()。

为了充分利用其他编程语言的优势，LabVIEW提供了强大的外部程序接口。在LabVIEW中,调用库函数节点(Call Library Functionnode,简称CLF节点)可以较容易地实现对DLL的调用,从而提高了程序的开发效率。实现LabVIEW调用DLL的具体步骤为：建立CLF节点，配置CLF节点，连接CLF节点。

3.3 LabVIEW人机交互界面的设计

针对所需测试的内容，分别设计了保持力测试和电流作用力测试2个测试界面，可通过选项卡进行切换。在每个测试界面内，可分别进行发送控制命令、分析处理数据、数据显示和保存数据等操作。

4 测试结果与分析

现对双向作用脉冲电磁铁某一样件进行性能测试，测试系统实物如图4所示。测得的保持力与启动力随位置变化情况如图5和图6所示，3次测试的曲线基本重合，复现性良好，表明该测试系统的稳定性是有所保障的。

图4 测试系统实物

通过分析整个测试过程和所测数据，可以发现，与常规电磁铁相比较，双向作用脉冲电磁铁具有以下性有优势。

a.双向作用。双向作用脉冲电磁铁两端为完全对称的结构，内部只有一组线圈，通过电流的正反向产生不同方向的电磁力。从而取消了复位元件或者定位元件，如弹簧等。

b.两端永磁自保持。无源自保持一直是电磁铁研究的方向，双向作用脉冲电磁铁只需在开启或关闭时提供短暂脉冲电流，而且永磁体提供的保持力较高，如图5，在端部达到了300 N以上，随着距端部越远近似呈线性下降，足以克服一定的负载，能稳定地保持所需要的状态。自保持特性不仅具有节能的优势，而且能够有效减少电磁铁发热，一方面提高了工作可靠性，另一方面也提供了降低电磁铁质量和体积的可能性。

c.较好的控制特性。从控制方式上来看，在要求不高的情况下，可以简单地控制电磁铁线圈工作电流的通断以及正反向。在要求更高的情况下，可以根据具体需求采用脉宽调制(PWM)来控制工作电压，或采用工作电流的闭环控制，以获得更好的动态性能。

d.质量体积相对较小。双向作用脉冲电磁铁与工作行程以及初始作用力相同的常规电磁铁相比较，质量和体积均有显著的降低。

e.双向作用脉冲电磁铁响应速度快。采用毫秒级的脉冲供电方式，响应时间为数个毫秒。

图5 保持力随位置变化情况

图6 启动力随位置变化情况

f.双向作用脉冲电磁铁工作区域力特性线性较好，使得动子在行程任何位置都具有较强驱动能力。如图6，在端部启动力就有100 N以上，且随着距端部距离越远近似呈线性上升，这进一步提高了其快速响应特性。

总的来说，自行研制的双向作用脉冲电磁铁采用毫秒级的脉冲供电加上永磁自保持方式工作，具备能耗低、可靠性好、响应速度快和质量体积相对小等优势，满足自动控制系统对执行元件更高的性能要求，可作为一种高性能价格比的自动化控制系统执行元件得到应用，适合应用于有着高性能要求的航空航天、车辆、机器人等技术领域的自动控制系统中，特别是目前常规电磁铁难以满足要求的场合。

5 结束语

以自行研制的双向作用脉冲电磁铁的性能研究为背景，建立了以直线伺服电机为模拟负载的测试系统，解决了电磁铁中永磁体作用力与电磁作用力共存的测试难题。

以自行研制的直线伺服电机作为模拟负载，不仅加载方便，同时根据其作用力和电流成正比例关系的特点还可直接测得作用力。

测试系统基于LabVIEW软件，可方便实现双向作用脉冲电磁铁特性数据的采集和图形显示，并在此基础上对电磁铁性能进行分析。

总之，该测试系统验证了双向作用脉冲电磁铁的优越性能，为这类电磁铁的实际应用提供了更多的参考和保障，也为其进一步的研究设计提供了重要依据。该测试系统通过进行功能上的扩展还可用于工程上类似的产品测试项目，具有良好的应用前景。