电磁螺线管驱动器行程短，响应速度较快，从而实现快速动作，常用于快速直线运动的工业应用中，如隔膜泵的直线驱动。在实际应用中，隔膜泵中柱塞的高速冲击大大降低了隔膜的寿命并带来较大的噪声。通过经验公式建立隔膜泵中电磁驱动机构模型，并通过比例积分微分控制对电磁驱动机构模型进行控制，实现柱塞的软着陆，从而提升隔膜泵的性能。通过COMSOL软件分析隔膜泵柱塞在瞬态磁场下柱塞的运动特性，并对驱动控制参数进行调整，最终实现隔膜泵电磁执行器软着陆。

电磁执行器是通过向电磁线圈施加电流来产生电磁力，进而驱动柱塞或杆运动的装置。近年来，电磁执行器广泛应用于诸如机械手、液压系统和机器鱼等装置上[1,2]。电磁计量泵通过电磁推杆带动隔膜在泵头内往复运动，引起泵头腔体体积和压力的变化，腔体压力的变化进而引起进液球阀和排液球阀的开启和关闭，实现液体的定量吸入和排出[3]。以电磁螺线管驱动机构为驱动器的电磁计量泵在现代工业中显得极其重要，特别是在化工和半导体行业，正是由于电磁计量泵的使用实现了加入试剂的快速精准控制。

传统的电磁执行器只通过简单的开关信号实现启停控制，但无法控制柱塞停止时刻的速度。在泵的应用中，柱塞的高速着陆会给隔膜带来较大的冲击力，导致隔膜过度磨损，从而减少隔膜的寿命，除此以外，在运动过程中还会导致柱塞的反弹[4,5,6],以至于增加泵输出的不确定性，导致其物理硬件性能不佳。通过控制对隔膜泵电磁执行器所施加激励的大小，改变柱塞的运行速度从而实现软着陆，即柱塞在接近行程时速度缓慢降为0,由此可以提高隔膜的使用寿命且减少产生的噪声。但由于电磁执行器的非线性特性及其复杂的耦合过程难以有效地实现产品的开发使用，使得此类研究很少见。

本研究通过对电磁执行器的研究，提出了一种新型隔膜泵用电磁执行器，通过对电磁驱动机构控制来实现泵用电磁执行器的软着陆。利用COMSOL可以进行复杂场的计算，如瞬态电磁场的计算[7]。本研究将借助COMSOL多物理场仿真软件的优势，对整个隔膜泵用电磁驱动机构进行仿真，通过瞬态磁场研究来获得其动态性能参数，对比例积分微分控制器的控制过程进行优化，对软着陆的电磁执行器在隔膜泵上的应用和发展具有一定的意义。

1 泵用电磁驱动器结构

图1为可实现软着陆的隔膜泵用电磁驱动机构结构简图。传统隔膜泵通过气体产生压差来实现泵的运作，本研究使用电磁驱动代替气动的方式来实现泵的运作。对线圈施加激励，电流将在线圈中积累并产生磁通量，通过电磁线圈的磁芯、柱塞和空气间隙闭合形成磁路，如图1中黑色虚线所示。电磁驱动器通过主气隙对柱塞施加吸引力从而驱动柱塞进行运动，在处于平衡位置时，电磁力与弹簧力相等，柱塞推动隔膜从而将液体压出，此时上球阀打开下球阀关闭。在无激励信号时，弹簧储存的弹性势能使柱塞恢复原位，柱塞带动隔膜回移将液体吸入，此时上球阀关闭下球阀打开，从而实现泵的一次冲程运作。

2 模型的建立

电磁驱动机构建立模型，主要由线圈、柱塞、弹簧及油膜组成弹簧-电磁力-阻尼系统，其所能产生的电磁力取决于电磁线圈，同时螺线管的长度、柱塞的气隙、线圈的绕线匝数、所施加的变化的电流、柱塞的材料类型等都决定着电磁驱动机构所能产生的电磁力的大小[8,9,10,11]。本研究将对电磁驱动机构建立电磁螺线管模型，并在此基础上建立控制模型，通过比例积分微分控制实现泵柱塞的软着陆。

2.1 电磁螺线管模型

对于在空间任意点P处电流元所激发的磁场，当电磁力由环形导线所产生时，空间点P到电流元的距离用R进行表示，cosα=R/r表示R与r的关系，r为线圈半径，z为P点到线圈中心的距离，通过积分可以得到环形导线上的磁感强度：

Bc,z=μ02ir2(r2+z2)3/2zˆ         (1)Bc,z=μ02ir2(r2+z2)3/2z^         (1)

在式(1)的基础上，结合如图2中所示的具有一定长度和一定绕线厚度的螺线管，将螺线管的内径、外径、螺线管的长度、匝数比以及运动的距离加以计算，对螺线管的长度和螺线管的宽度从内径到外径进行积分，可以得到在P点处的磁感强度[12]: