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電液伺服閥自動測試方法的研究
發布時間：2011/10/8 15:17:12 修改時間：2011/10/8 15:17:12 瀏覽次數：783

摘要：研究了電液伺服閥自動測試的方法。給出了液壓系統的工作原理，介紹了自動測控單元的硬件構成，詳細論述了軟件設計的核心算法和自動功能的實現。

1 前言

　　電液伺服控制系統在控制領域中占有重要的地位，特別是在大功率、快速、精確的控制系統中起到重要作用。電液伺服閥是其中的主要執行機構。在閥出廠前和維修后進行性能測試是必不可少的環節。傳統的測試系統大都由分立的模擬儀表組成，在測試過程中，一般由模擬儀器在紙上記錄模擬試驗曲線或由試驗人員記錄試驗數據，然后把數據進行手工處理得到性能指標。顯然，該方法工作量大、速度慢、效率低、精度差。

　　隨著微電子技術和計算機技術的飛速發展，計算機輔助測試（CAT）技術在液壓系統測試中得到了廣泛的應用。它具有測試精度高、速度快、性價比高、測試的重復性和可靠性高等優點，有著很好的應用前景。

　　因此，本文基于CAT技術，研究了實現電液伺服閥自動測試的方法。

2 自動測試系統工作原理

　　根據GB/T15623—1995B標準，電液伺服閥的自動測試需要完成靜態性能測試（空載特性、壓力增益特性、負載特性）和動態性能測試（幅頻特性、相頻特性），在性能曲線上直接讀出性能指標，并可以把曲線保存成可以隨時調用的數據文件。液壓測試原理和國標相同。

　　自動測試就是利用現代的傳感器技術、電子技術和計算機技術，原來由試驗人員手工單點測試、讀取模擬儀表、記錄數據、描繪曲線的過程用自動測試系統迅速地自動連續地對各點進行測試、保存數據文件并自動生成性能曲線，從而得出電液伺服閥的各個性能指標。其中，空載特性、負載特性、動態特性的測試最具代表性。為實現自動測試功能，測試系統在結構上分為測試臺液壓系統和自動測控單元。

圖1 測試臺液壓系統原理圖

　　測試臺液壓系統結構原理如圖1所示。在對電液伺服閥進行不同的特性測試時閘閥的開關狀態如表1所示。閘閥采用手動開關閥可以很好地密封液壓回路，避免電磁開關閥有時出現行程不到位的缺點，減少測試誤差。

　　電液伺服閥8的各個測試點的自動變換由自動測控單元控制，完成空載特性測試和負載特性測試時被測閥開口度變換的自動化過程。

　　為實現系統的自動加載，采用比例溢流閥5做背壓閥，自動調節系統負載壓力，完成壓力增益特性和負載特性測試的自動化過程，克服了手動加載的隨機干擾和量化不準確、耗時長等缺點。

表1 閘閥開關狀態

　　本系統采用液壓缸和位移傳感器的方式計算電液伺服閥的工作流量，計算的流量不僅精確，而且克服了大流量流量計誤差偏大、有最小流量限制的缺點。靜態缸23在限位開關22、24和電磁換向閥21的控制下，在靜態性能測試時相當于缸有無限長的行程。對位移傳感器25的位移信號進行微分與靜態缸23的有效面積的積即得電液伺服閥的工作流量，流量的正負由控制被測閥的電信號的正負決定。

　　動態性能的自動測試采用頻域掃頻法。動態缸12的工作頻率為400Hz，滿足被測電液伺服閥的動態性能測試要求。自動測控單元給電液伺服閥0～200Hz的正弦激勵信號，根據位移傳感器20記錄的動態缸的位移規律，從而得出電液伺服閥的動態特性。

2 基于CAT技術的自動測控單元

　　采用“工控機+DA/AD采集卡”及相應的傳感、變換電路組成信號發生和采集的典型硬件系統，結合編制的專用軟件組成電液伺服閥的自動測控單元。

　　自動測控單元可以自動控制被測閥8和背壓閥5的開口度按測試要求減小或增大，并記錄保存每個測試點的壓力、流量、電流等數據，自動生成性能曲線。

2.1 硬件構成

　　電液伺服閥自動測控單元的硬件采用“傳感器+數據采集卡+工控機+電控器”的結構，如圖2所示。其中的壓力傳感器采用壓阻式傳感器，位移傳感器采用差動變壓器式傳感器。A/D數據采集卡采用研華的PCL-818L，其采樣速度每通道可達40kHz，采用差分輸入接線法，有8個輸入通道，D/A數據采集卡采用研華的PCL-726，可以輸出DC±10V，有6個輸出通道，輸入輸出通道的盈余可以用來檢測其它液壓系統時擴展之用。該測試結構的優點是方便靈活，通用性強。

圖3 自動測控程序流程式圖

　　圖3是實現產生自動控制信號和自動準確采集穩定數據并保存的程序設計流程。U1、U2設定控制液壓閥電壓信號上、下限，n設定曲線的測試點數。ΔU是自動產生控制電壓信號的變化步長，大小由（U1-U2）/n決定。U是控制液壓閥的電壓信號，按U=U2+iΔU的遞增規律自動輸出以控制液壓閥的測試點變化。q是根據靜態缸和位移傳感器計算所得的被測閥工作流量。在控制信號U輸出后，程序內設定了延時環節，其大小可根據正常液壓閥測試點變換時穩定時間來經驗設定，一般為2～5s。當系統穩定時，系圖3 自動測控程序流程圖統能從數據采集卡讀取相應的傳感器的穩定數據，并自動保存成數據表文件，同時自動生成相應的性能曲線。

　　圖4是根據傳感器數據自動判斷液壓系統是否穩定的程序設計流程。判斷的依據是流量的變化和程序的運行時間，算法上通過實現。a、b是程序運行的中間變量，t是計時器，n設定判斷穩定時對數據進行比較的點數，τ設定判斷穩定時程序的最大運行時間，δ設定穩定信號允許的誤差，q是靜態缸的流量。程序中的延時環節決定了所要判斷的n個點的時差性，進一步保證了流量q的穩定性判斷。從自動測試系統的實際工作情況來看，若n取10，延時40～60ms效果較好。取值太小，不能準確判斷穩定，取值太大，則浪費系統的運行時間。

　　從以上的程序設計核心算法可以看出，該算法通用性強，適用面廣，可以用不同的計算機語言來開發電液伺服閥自動測試的軟件系統。

3 實驗

圖4 判斷液壓系統穩定的程序流程圖

　　LabVIEW作為一種比較規范、成熟的圖形化編程語言，可以方便地開發出虛擬面板、自動控制信號的產生和實現數據的采集、分析、處理和存儲等功能。

　　為了對所作的研究做進一步的驗證，作者基于LabVIEW軟件平臺，按照以上的測試方法，對電液伺服閥自動測試系統做了部分開發。在搭建的簡易試驗臺上用型號為34B-H10/25B電液比例換向閥代替電液伺服閥做了部分性能測試，所測的性能曲線如圖5和圖6所示。

圖5 空載流量曲線

圖6 壓力流量曲線

4 結論

　　通過實驗研究表明，本文所述的電液伺服閥自動測試的方法是完全可行的，開發的系統是穩定的，大大提高了測試精度和測試速度。另外，該方法還可以靈活地應用于其它一些液壓元件及系統的自動測試。

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