數(shù)字濾波技術(shù)在伺服閥測試信號采集中的應用

孫 誠金善益王 偉/

1. 上海交通大學，2. 上海市計量測試技術(shù)研究院，3. 沃爾沃汽車技術(shù)（上海）有限公司

數(shù)字濾波技術(shù)在伺服閥測試信號采集中的應用

孫 誠1金善益2王 偉3/

1. 上海交通大學，2. 上海市計量測試技術(shù)研究院，3. 沃爾沃汽車技術(shù)（上海）有限公司

通過對伺服閥及其測試的簡單介紹，引出了實際應用中所遇到的一些問題。然后通過對數(shù)字濾波技術(shù)的幾種常用方法分析，了解各自的優(yōu)缺點及應用場合。最后再通過實例來展示數(shù)字濾波技術(shù)在解決實際問題中所達到的高精度，高可靠性以及低成本的效果。

數(shù)字濾波；液壓伺服閥；測試臺；虛擬儀器

0 引言

近年來，隨著液壓伺服以及運動控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)應用中對于高精度、高可靠性、高響應特性的液壓伺服閥的需求也變得越來越迫切。

由于液壓伺服閥具有小尺寸、高集成度的結(jié)構(gòu)，以及其成品極高的裝配精度要求，故對它零部件的加工工藝提出了近乎苛刻的要求。即使是現(xiàn)行的加工工藝，仍然無法保證所加工出來的零部件裝配的伺服閥性能能夠一次性達到設(shè)計的要求。因此伺服閥質(zhì)量保障的最后一道關(guān)卡，檢測與調(diào)試則成了整個生產(chǎn)過程中最重要的一個環(huán)節(jié)。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬控制器為核心的液壓測試臺也逐漸向著更先進、集成度更高的計算機輔助測試平臺進行升級。在這個過程中，也遇到了一系列的困難和挑戰(zhàn)，特別是在測試信號的采集與分析方面。本文研究在伺服閥測試過程中，如何利用數(shù)字濾波技術(shù)對測量所采集到的壓力或流量等模擬電信號進行處理，并比較了幾種不同處理方式所得到的結(jié)果差異性。

1 伺服閥的測試方法

為了確認最終裝配完成的伺服閥能滿足最初設(shè)計的要求，需要使用伺服閥測試臺來完成一系列的測試項目并繪制出相應的曲線。測試臺本身是一個主要用于檢驗與測試伺服閥的零部件及裝配是否達到最終的性能設(shè)計指標的一個工作臺，主要工作原理就是通過給定伺服閥一個信號，然后觀察輸出的液壓流量、壓力或者是動態(tài)曲線是否滿足預期要求。

1.1 測試原理

傳統(tǒng)的測試臺主要是由四大部分所構(gòu)成，分別是液壓回路及各式控制閥來控制液壓回路；電氣控制器來控制伺服閥的輸入信號及整個回路比例閥的供給壓力；各式溫度、壓力、流量傳感器來記錄伺服閥動作后的輸出情況；通過X-Y記錄儀繪制最終曲線圖。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，測試臺本身在軟硬件方面也有了長足的進步，而且新型測試臺都在向著數(shù)字化、多功能集中控制發(fā)展。圖1是目前常見的新型伺服閥測試臺的測試原理圖。

在圖1中，左邊框圖中的液壓測試臺模塊、傳感器模塊以及控制執(zhí)行器都和傳統(tǒng)的液壓測試臺保持完全一致。

右邊框圖中工控機及其右側(cè)的輸入輸出設(shè)備就相當于傳統(tǒng)的模擬信號控制器及X-Y繪圖儀，這些傳統(tǒng)元器件已被工控機、高度集中化的數(shù)字控制器、電腦顯示屏及打印機輸出等替代了。

剩下中間的那一部分正是新型液壓測試臺對比傳統(tǒng)系統(tǒng)最大的不同之處，對于全數(shù)字化控制與記錄的新型液壓測試臺來說，所有的測試及控制信號都需要進行數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換（模-數(shù)或者數(shù)-模轉(zhuǎn)換）這一個步驟才能最終輸入到工控機或是輸出到液壓測試臺上去，而傳統(tǒng)的測試臺則不需要這一步。

圖1 新型伺服閥測試臺測試原理圖

1.2 主要的測試要求

對于一般的液壓伺服閥來說，主要的測試內(nèi)容為它的靜態(tài)特性（包括壓力、流量、內(nèi)泄漏等常規(guī)指標）以及動態(tài)性能（包括幅頻及相位特性）兩方面。

1.2.1 靜態(tài)特性的測量

1）由于伺服閥的控制電流非常小，因此其測量準確度要求會達到毫安級甚至更小才能在繪制出的曲線上進行讀數(shù)分析。此時的干擾或噪聲信號往往對結(jié)果的影響十分明顯，甚至會嚴重影響到讀數(shù)的準確性。

2）不同的伺服閥，由于最終應用的領(lǐng)域不同，因此流量的測量區(qū)間會在升到上百升的大跨度之間進行變動。這時，對于傳統(tǒng)的測試臺來說需要準備兩套（或以上）回路甚至測試臺分別進行測試。

3）由于需要同時處理兆帕級壓力及溫度等數(shù)據(jù)，勢必造成每個測試臺都需要多套模擬濾波回路來處理這些信號，成本較高。

1.2.2 動態(tài)性能的測量

1）測試臺或額外的硬件本身的頻率響應特性是否會影響到最終測試曲線的幅頻和相位測試。

2）濾波回路可處理的頻率范圍是否夠大，或者在不同頻率的伺服閥測試時，這個頻率范圍是否可調(diào)顯得尤為重要。

2 數(shù)字濾波技術(shù)

2.1 技術(shù)分類

目前主要被應用在信號濾波上有以下兩類不同的技術(shù)。

第一類，主要還是以模擬信號濾波技術(shù)為基礎(chǔ)，新舊測試臺都有應用。對于傳統(tǒng)測試臺，信號主要是通過傳統(tǒng)的模擬量放大器及濾波器回路進行處理，整個回路都以模擬量進行信號的傳遞與處理。而對于新型的數(shù)字化測試臺，如果使用這種方案，則僅僅是在中央控制計算機的輸入和輸出兩側(cè)增加了模擬量-數(shù)字量和數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換，其他的硬件回路仍可以沿用傳統(tǒng)測試臺的方案。此方案的好處是可以最大限度地利用現(xiàn)有的測試臺硬件設(shè)施，實質(zhì)仍以模擬信號濾波技術(shù)為基礎(chǔ)，沒有任何改變。

另一種數(shù)字化測試臺的方案，則是一種區(qū)別于以上兩種應用的全新手段。先通過模擬量-數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，將得到的原始數(shù)字信號輸入到控制計算機，然后再通過軟件的編程運算對信號進一步處理，最后再進行計算與系統(tǒng)控制。

此方案最大的好處在于：測量的準確度較高，應用的靈活性極強，成本較低，可處理的頻率范圍大，可靠性高。

由此可見，數(shù)字濾波技術(shù)基本上可以解決上面涉及的大部分問題。目的是為了通過對采集的數(shù)據(jù)進行一定的運算來濾除其中的噪聲或者說某一頻段的信號，其計算方程式可以表達為

式中：an、bn— 常數(shù)，是用來確定濾波器特性的；

N— 數(shù)字濾波器在任意一個時刻的采樣點個數(shù)

式（1）經(jīng)過Z變換，可得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為

2.2 幾種常用的數(shù)字濾波技術(shù)

2.2.1 對信號死區(qū)的處理

在一些實際的工況中，由于信號并不如理想狀態(tài)那么穩(wěn)定，會在某一個較小的區(qū)間內(nèi)不斷來回波動，這就導致所采集到的數(shù)字信號的最后一位尾數(shù)不停地跳動，從而難以進行穩(wěn)定的讀數(shù)。此時，可以采取比較簡單的方法來穩(wěn)定，如將采集到的數(shù)據(jù)在程序中經(jīng)過除以10，然后取整除去波動項?；蚋鶕?jù)實際測量準確度的需要，進行一定倍數(shù)的取整。

2.2.2 幅值濾波法

在某些情況下，由于開關(guān)的瞬間吸合，或者是附近大型設(shè)備的啟停等，很容易在檢測到的相對平滑的信號中引入一個突變的毛刺噪聲。針對這種毛刺信號最簡單的處理就是利用斜率的比較，篩選出此信號，并去除。整個運算法則為

去除此數(shù)據(jù)點xn，令xn=xn-1。

否則，將xn取做一個數(shù)據(jù)點，然后再進行下一個數(shù)據(jù)點的判斷。

此法的優(yōu)點是很容易篩選去除突變信號。但它對于所取數(shù)據(jù)窗口（第m到n個數(shù)據(jù)）的選擇要求較高，缺點是假設(shè)了所有的突變信號均為干擾，同時也很難篩選出周期性噪聲信號。所以選用的時候也要根據(jù)具體場合來確定。

2.2.3 取中值法

這個方法是將連續(xù)采集到的一串數(shù)字信號值（一般為奇數(shù)n個數(shù)據(jù)），然后按照從小到大的順序排列，取其中的中位數(shù)為這一小段數(shù)據(jù)的值。

這種算法的優(yōu)點是可以有效地防止突發(fā)性的脈沖干擾數(shù)據(jù)點混入系統(tǒng)，但n的取值十分關(guān)鍵，如果取值太小，可能起不到作用；而取值過大的話有可能導致數(shù)據(jù)量過小，采集到的曲線不夠平滑以及可能數(shù)據(jù)處理時間較長等問題。因此還是需要根據(jù)經(jīng)驗和實際情況不斷調(diào)整，并且這種濾波方法不適用于變化較快的參數(shù)。

2.2.4 算術(shù)平均法

這種方法的優(yōu)點在于可以有效地去除周期性的干擾信號，并且對于一般的隨機噪聲的作用也較顯著。同時運算量也較小，運算也較簡單，因此算術(shù)平均值法可以算是最簡單高效的數(shù)字濾波手段之一。2.2.5 LabVIEW自帶濾波器

除了以上介紹的這些數(shù)字濾波方法以外，現(xiàn)在一些計算機軟件中往往也自帶了一些常用的成熟濾波算法。

如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等；也可以分為FIR數(shù)字濾波器、IIR數(shù)字濾波器等。

這些濾波器在實際的使用中，只需要簡單設(shè)定一些濾波的實際參數(shù)，便能夠很方便地應用這些成熟的濾波技術(shù)來處理信號了。

3 測試中的實際應用與對比

舉一個實例來說明數(shù)字濾波技術(shù)在實際數(shù)據(jù)采集及處理中所達到的效果。

選用基于LabVIEW軟硬件平臺所搭建的伺服閥測試系統(tǒng)進行測試，先不做任何處理，直接將采樣到的數(shù)字信號繪制成曲線，如圖2所示。

此曲線為液壓伺服閥的輸入控制電流與輸出流量的曲線圖，它的數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)定為50 Hz。在這個例子中選用了從-4～4 mA的電流信號來控制伺服閥的線圈，進行一個循環(huán)的電流變化的同時去檢測每一時刻的流量值得到了這一條曲線。但是和圖3的理論曲線對比后，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，此曲線上的干擾較為嚴重，同時由于信號曲線相互重合導致已經(jīng)無法區(qū)分出實際曲線的滯環(huán)大小，將給最終讀數(shù)帶來了巨大的困難。

進一步分析圖2，由于流量曲線理論上不存在突變信號，因此不需要使用幅值濾波法去毛刺，而將濾波的重點放在去除隨機干擾。同時由于整個流量曲線的變化速度較快，因此不適用于取中值法去干擾，可首選算術(shù)平均法。

圖2 伺服閥流量曲線

圖3 伺服閥流量理論曲線

接著，使用算術(shù)平均法進行再次測試。并且在軟件中經(jīng)過幾次不同的嘗試，最終獲得當連續(xù)取值點的個數(shù)m取值為12時，可以得到一條較為理想的曲線，如圖4所示，同時工控機的計算負荷也在合理的范圍內(nèi)。

此曲線已經(jīng)與理想曲線較為接近了，只是整體上還是帶有些微小的干擾。這時候如果進一步增大平均法m的取值的話，雖然能夠使曲線更平滑，但將大大增加工控機的計算負荷，同時優(yōu)化的效果也不會特別明顯了。

為了得到更平滑的曲線，選用了均值濾波法的同時還疊加了LabVIEW中自帶的低通濾波器模塊進行進一步的濾波處理。由于系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)定在50 Hz，根據(jù)經(jīng)驗，將截止頻率設(shè)置在100 Hz。并且經(jīng)過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)選擇有限長沖激響應（FIR）濾波器并設(shè)定抽頭數(shù)為35頭時能得到較好的波形曲線。

由此，最終繪制得到經(jīng)過數(shù)字濾波處理的曲線如圖5所示。

可以看到，整個曲線已經(jīng)相當平滑，相關(guān)的零位及滯環(huán)已經(jīng)可以很方便地從曲線圖上進行直接讀數(shù)以及后期的數(shù)據(jù)處理與分析。并且和最初采集到的數(shù)據(jù)曲線圖2相比，已經(jīng)達到了很好的濾波效果。

圖4 伺服閥流量曲線

圖5 伺服閥流量曲線

4 結(jié)語

數(shù)字濾波技術(shù)可以說是未來在信號處理上的一個發(fā)展方向，并且隨著越來越多測量檢測儀器儀表的數(shù)字化，數(shù)字濾波技術(shù)的優(yōu)勢將會越來越明顯，應用的領(lǐng)域也將越來越廣泛。

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Application of digital fi lter technology in servo valve test signal acquisition

Sun Cheng1，Jin Shanyi2， Wang Wei3
（1.Shanghai Jiao Tong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology；3.VOLVO CAR CHINA）

With the development of testing technology of servo valve, we have seen higher demands for the accuracy of testing signal. First, by doing a simple introduction to the servo valve and its test this thesis raises some problems encountered in the practical application. And then through the analysis of several common methods of digital filtering technology, we have a good understanding of the respective advantages and disadvantages and where the applications should be properly used. Finally, to display the digital filtering technology achieved in solving practical problems in high precision, high reliability and low cost after having series of testing of applications.

digital filter；hydraulic servo valve；test stand；visual instrument