三余度電液伺服閥靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)研制

劉 雪，陳宇峰

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

0 引言

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)火箭的可靠性要求越來(lái)越高。為獲得滿意的可靠性，對(duì)余度伺服系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，研發(fā)了多種形式的余度伺服機(jī)構(gòu)，其中三余度伺服控制技術(shù)因其卓越性能受到了認(rèn)可［1］。電液伺服閥是伺服控制系統(tǒng)中將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓功率信號(hào)的關(guān)鍵元件，其性能直接影響伺服控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)電液伺服閥特性測(cè)試顯得至關(guān)重要。

電液伺服閥是一種自動(dòng)控制閥，它既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件，其功用是將小功率的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為隨電流信號(hào)大小極性變化且速度響應(yīng)的大功率液壓能（流量或壓力）輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓執(zhí)行器位移、速度或加速度的控制。不同于單余度電液伺服閥，三余度電液伺服閥是三組力矩馬達(dá)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有三組控制線圈。在三余度電液伺服閥測(cè)試時(shí)，三余度模式下，3個(gè)線圈同時(shí)輸入控制電流，3路控制電流需同步獨(dú)立，同步時(shí)差不大于3μs，幅值相同，波形為正弦波、三角波、方波可選，頻率在0.05～20Hz范圍內(nèi)可調(diào)；雙余度模式下，每?jī)蓚€(gè)線圈同時(shí)輸入控制電流；單余度模式下，3個(gè)線圈分別輸入控制電流，性能測(cè)試共有模式7種。在這7種控制狀態(tài)下，測(cè)試系統(tǒng)需同步實(shí)時(shí)將液壓系統(tǒng)輸出的流量、壓力、泄漏等傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供計(jì)算機(jī)采集的電壓信號(hào)，繪制流量、壓力、泄漏特性曲線，根據(jù)不同的特性曲線，計(jì)算相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)，分析靜態(tài)特性，最終對(duì)閥的性能進(jìn)行有效判定。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的伺服閥測(cè)試系統(tǒng)只適于測(cè)試單線圈伺服閥（即單余度伺服閥），并不滿足三余度電液伺服閥的測(cè)試需求，因此需研制一套三余度電液伺服閥自動(dòng)測(cè)試系，用于測(cè)試三余度電液伺服閥在三余度、雙余度和單余度狀態(tài)下的性能特性，同時(shí)還可測(cè)試普通單余度或雙余度伺服閥，是一種伺服閥通用型的測(cè)試系統(tǒng)。為此，本文研制了一種三余度電液伺服閥靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與工作流程

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用PCI總線工控機(jī)＋多功能測(cè)試板卡＋虛擬儀器的測(cè)試模式，具有測(cè)試精度高，功能擴(kuò)展靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是近年研制伺服閥測(cè)試系統(tǒng)的首選方案。本測(cè)試系統(tǒng)嚴(yán)格遵循QJ 504A—96，QJ 2078A—98標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)電液伺服閥的靜態(tài)特性測(cè)試、磨合試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。靜態(tài)特性測(cè)試主要完成空載流量特性測(cè)試、小信號(hào)特性測(cè)試、分辨率特性測(cè)試、壓力特性測(cè)試，以及內(nèi)漏特性測(cè)試。磨合試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)主要考核電液伺服閥的穩(wěn)定性和可靠性。

測(cè)試系統(tǒng)以Labview平臺(tái)為控制及測(cè)試核心，由計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、三余度主信號(hào)輸出模塊、信號(hào)測(cè)量模塊和數(shù)字功率放大器等組成硬件測(cè)試環(huán)境，軟硬件配合完成電液伺服閥的調(diào)試及測(cè)試功能。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

測(cè)試系統(tǒng)各模塊主要功能：信號(hào)發(fā)生器為電液伺服閥測(cè)試提供勵(lì)振信號(hào)；數(shù)字功率放大器為液壓系統(tǒng)提供升壓的電流控制信號(hào)；三余度主信號(hào)輸出模塊為電液伺服閥測(cè)試提供三路同步電流信號(hào)；計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器，采集數(shù)據(jù)，控制測(cè)試狀態(tài)；信號(hào)測(cè)量模塊調(diào)理液壓系統(tǒng)輸出流量、壓力、泄漏信號(hào)后輸出給計(jì)算機(jī)采集，由此形成測(cè)試閉環(huán)；外接的X－Y記錄儀可在計(jì)算機(jī)測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行各種特性測(cè)試，供數(shù)據(jù)比對(duì)。

1.1.1 計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是控制及測(cè)試核心，主要由PCI總線工控機(jī)、多功能測(cè)試板卡、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)和打印機(jī)等組成［2］。其中：PCI總線工控機(jī)采用IPC－610H型工控機(jī)，顯示器鍵盤鼠標(biāo)和打印機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)配置；多功能測(cè)試板卡是計(jì)算機(jī)測(cè)試的核心硬件，采用PCI－6232高精度16位多功能板卡，1塊板卡可實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集、4個(gè)通道的信號(hào)輸出和4個(gè)通道的I／O控制，節(jié)省成本，提高編程實(shí)現(xiàn)效率。

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)利用Labview強(qiáng)大的信號(hào)分析處理功能，通過(guò)測(cè)試板卡的D／A接口，編程實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)發(fā)生器，輸出波形可選，頻率、相位、幅值可調(diào)的連續(xù)波形；通過(guò)測(cè)試板卡的A／D接口，采集伺服閥測(cè)試過(guò)程中的電流、流量、泄漏流量和壓力差等特性信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字濾波、曲線擬合、特性曲線繪制、參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)其靜態(tài)特性分析，分析結(jié)果以曲線形式顯示輸出，并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)測(cè)試板卡的I／O接口實(shí)現(xiàn)測(cè)試狀態(tài)控制，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的繼電器控制，可實(shí)現(xiàn)伺服閥的不同余度測(cè)試。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 Components of testing system

圖2 計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware components of computer testing system

1.1.2 三余度主信號(hào)輸出模塊

三余度主信號(hào)輸出模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵。三余度信號(hào)輸出模塊由雙極性穩(wěn)壓源、狀態(tài)通斷模塊、狀態(tài)選擇模塊、勵(lì)振幅值調(diào)節(jié)、峰值幅值調(diào)節(jié)、加法器、校正回路及和三路壓控懸浮負(fù)載恒流源模塊等組成，如圖3所示。與傳統(tǒng)單余度伺服閥不同，三余度電液伺服閥共有獨(dú)立線圈3組，測(cè)試時(shí)需提供3組同步電流信號(hào)，同步信號(hào)要求時(shí)差不大于3μs，非線性度不大于0.1%。三余度主信號(hào)輸出模塊，不僅要滿足時(shí)差及非線性度要求，同時(shí)需兼顧手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)測(cè)試電液伺服閥的需求。

三余度主信號(hào)輸出模塊的主要功能有：為手動(dòng)測(cè)試伺服閥提供所需的固定值電流信號(hào)；為自動(dòng)測(cè)試伺服閥提供連續(xù)波形的電流信號(hào)；在上述連續(xù)波形上疊加正弦波勵(lì)振電流信號(hào)；伺服閥不同余度下測(cè)試的狀態(tài)切換。其工作原理為：通過(guò)前面板上的狀態(tài)選擇模塊選擇測(cè)試模式，若選擇手動(dòng)調(diào)試，雙極性穩(wěn)壓源提供正負(fù)對(duì)稱的電壓信號(hào)，經(jīng)恒流源模塊轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，觀察前面板的顯示儀表，通過(guò)峰值調(diào)節(jié)模塊可調(diào)節(jié)所需的固定值電流信號(hào)；若選擇自動(dòng)測(cè)試，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的虛擬信號(hào)發(fā)生器發(fā)出連續(xù)的三角波電壓信號(hào)，經(jīng)恒流源模塊轉(zhuǎn)換為連續(xù)的三角波電流信號(hào)輸出至伺服閥。信號(hào)發(fā)生器、勵(lì)振幅值調(diào)節(jié)和加法器、校正回路在上述三角波信號(hào)上疊加正弦波勵(lì)振信號(hào)。

恒流源模塊選取體積小、效率高、電流調(diào)節(jié)范圍寬的運(yùn)算放大器構(gòu)成的懸浮負(fù)載壓控恒流源［3］。在恒流源前端，電壓信號(hào)一分三輸出至3個(gè)恒流源模塊，保證輸入恒流源的電壓信號(hào)完全物理同步，同時(shí)恒流源模塊中的功率運(yùn)放選用高精度功率運(yùn)放OPA544T，其電壓轉(zhuǎn)換速率8V／s，電液伺服閥測(cè)試使用的最高電流20mA，恒流源的輸入電壓與輸出電流關(guān)系為1V輸入電壓對(duì)應(yīng)10mA輸出電流，故恒流源的輸入電壓最高僅2V，8V／s的電壓轉(zhuǎn)換速率保證了輸出給三余度電液伺服閥的電流同步。

恒流源模塊后端的狀態(tài)通斷模塊由內(nèi)部的繼電器和前面板的手動(dòng)開(kāi)關(guān)并聯(lián)組成，根據(jù)不同的余度測(cè)試需求，開(kāi)啟不同開(kāi)關(guān)：測(cè)試三余度特性時(shí)，開(kāi)啟3個(gè)開(kāi)關(guān)，測(cè)試雙余度特性時(shí)，開(kāi)啟2個(gè)開(kāi)關(guān)，以此類推。幅值調(diào)節(jié)，加法器，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)等模塊的疊加，使恒流源模塊產(chǎn)生累積誤差，影響輸出至電液伺服閥的電流信號(hào)的線性度及對(duì)稱性，為此加入校正回路，消除由眾多前置環(huán)節(jié)對(duì)恒流源模塊電流線性度及對(duì)稱性的影響。

1.1.3 信號(hào)測(cè)量模塊

信號(hào)測(cè)量模塊包括主流量測(cè)量模塊、泄漏流量測(cè)量模塊和壓力差測(cè)量模塊。因液壓系統(tǒng)中的各種傳感器輸出信號(hào)一般較微弱，需經(jīng)放大、整形及濾波等處理后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感器二次儀表的功能。

圖3 三余度主信號(hào)輸出模塊組成Fig.3 Components of three redundant main signal output module

主流量測(cè)量模塊由F／V變換、比例調(diào)節(jié)、零位調(diào)節(jié)、顯示儀表和同相跟隨等電路組成，如圖4所示。其中：F／V變換電路將流量計(jì)輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為易采集的電壓信號(hào)，比例調(diào)節(jié)電路將電壓信號(hào)與流量信號(hào)調(diào)節(jié)成1∶1比例，電壓值可直接反映對(duì)應(yīng)的流量值，本文系統(tǒng)流量測(cè)量范圍可達(dá)0～100L／min。因F／V變換電路、比例調(diào)節(jié)等電路中使用的電子芯片及放大器芯片均具有毫伏級(jí)的零位輸出，對(duì)后續(xù)計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)對(duì)稱性的影響較大，因此必須加入零位調(diào)節(jié)電路以消除影響。比例調(diào)節(jié)后的電壓信號(hào)分別接入計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、顯示儀表和同相跟隨電路。接入計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的電壓信號(hào)用于自動(dòng)測(cè)試；顯示儀表置于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的前面板上，使用高精度的數(shù)字顯示儀表，方便調(diào)試時(shí)觀察數(shù)據(jù)；同相跟隨電路將流量信號(hào)接至X－Y記錄儀采集，可在自動(dòng)測(cè)試的同時(shí)用X－Y記錄儀進(jìn)行特性測(cè)試，供數(shù)據(jù)比對(duì)。泄漏流量測(cè)量模塊與主流量測(cè)量模塊功能電路實(shí)現(xiàn)形式類似。

圖4 主流量測(cè)量模塊組成Fig.4 Components of main flux testing module

壓力差測(cè)量模塊由I／V變換、減法器、比例調(diào)節(jié)、有源低通濾波、顯示儀表和同相跟隨等電路組成，如圖5所示。壓力傳感器的輸出信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)，用I／V變換模塊將A、B腔壓力傳感器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，減法器電路將兩電壓值作差值后輸出，比例調(diào)節(jié)模塊將電壓值與壓力差信號(hào)調(diào)節(jié)成1∶1比例，電壓值可直接反映A、B腔的壓力差。因液壓系統(tǒng)所用壓力傳感器的輸出電流回路與其供電回路共地，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中較易受干擾，故測(cè)量電路中須加入有源濾波環(huán)節(jié)，截止頻率設(shè)置為5Hz，這樣可有效濾除干擾，保證采集信號(hào)的精度。有源低通濾波電路輸出的電壓信號(hào)分別接至計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、顯示儀表和X－Y記錄儀，使自動(dòng)測(cè)試和X－Y記錄儀測(cè)試可同時(shí)進(jìn)行，方便數(shù)據(jù)比對(duì)。

1.2 系統(tǒng)工作流程

圖5 壓力差測(cè)量模塊組成Fig.5 Components of pressure difference testing module

測(cè)試系統(tǒng)兼具手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)測(cè)試兩種功能，還可滿足不同余度電液伺服閥的測(cè)試需求，根據(jù)測(cè)試的不同階段選擇不同的測(cè)試方法，其工作流程如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)工作流程Fig.6 Working procedure of testing system

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)測(cè)試軟件用Labview8.6語(yǔ)言編寫［4］。程序?yàn)槟K化多循環(huán)結(jié)構(gòu)，主要包括用戶管理、初始化、測(cè)試選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、錯(cuò)誤處理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等模塊。

系統(tǒng)測(cè)試軟件界面包括測(cè)試軟件和用戶管理軟件兩個(gè)子界面。測(cè)試軟件子界面由曲線顯示圖、操作命令按鈕和參數(shù)顯示表組成。測(cè)試開(kāi)始時(shí)，用戶根據(jù)需要的測(cè)試項(xiàng)目（空載流量，小信號(hào)，內(nèi)漏，壓力，分辨率，磨合，壽命實(shí)驗(yàn)），選擇左側(cè)的操作命令按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)入用戶管理軟件子界面，操作者填寫電液伺服閥型號(hào)、編號(hào)，并設(shè)置測(cè)試波形、頻率和幅值，根據(jù)波形幅值調(diào)整X／Y坐標(biāo)幅值，最后選擇電液伺服閥進(jìn)行何種余度測(cè)試，同時(shí)需檢查右側(cè)列表內(nèi)電液伺服閥參數(shù)是否配置正確。點(diǎn)擊確定按鈕后，軟件會(huì)自動(dòng)返回測(cè)試軟件界面，軟件將實(shí)時(shí)顯示測(cè)試的特性曲線，曲線繪制完畢后，相應(yīng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果在下方的表格中顯示。若有超差的參數(shù)，則用紅色突顯相應(yīng)的值。項(xiàng)目測(cè)試完成后，用戶可打印曲線圖和測(cè)試結(jié)果，也可將測(cè)試結(jié)果和曲線圖保存到用戶指定的文件內(nèi)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三余度測(cè)試技術(shù)

三余度信號(hào)輸出模塊是三余度伺服閥測(cè)試實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在三路恒流源前端，將電壓信號(hào)一分三輸出至3個(gè)恒流源模塊，保證輸入恒流源的電壓信號(hào)在物理上完全同步，同時(shí)恒流源模塊中的功率運(yùn)放選用轉(zhuǎn)換速率達(dá)8V／s的高速模塊，保證了輸出至三余度電液伺服閥的電流同步性。恒流源模塊后端的狀態(tài)通斷模塊由內(nèi)部的繼電器和前面板的手動(dòng)開(kāi)關(guān)并聯(lián)組成，根據(jù)不同的余度測(cè)試需求，開(kāi)啟不同開(kāi)關(guān)，測(cè)試三余度特性時(shí)，開(kāi)啟三3個(gè)開(kāi)關(guān)，測(cè)試雙余度特性時(shí)，開(kāi)啟2個(gè)開(kāi)關(guān)，以此類推。由此該測(cè)試系統(tǒng)可滿足三余度、雙余度和單余度伺服閥的測(cè)試需求。

3.2 模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件和硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，為不同功能需求設(shè)計(jì)單獨(dú)的模塊，如三余度主信號(hào)輸出模塊、流量測(cè)量模塊、泄漏流量測(cè)量模塊、壓力差測(cè)量模塊，系統(tǒng)用供電模塊等均單獨(dú)設(shè)計(jì)成不同的電路板卡，若試驗(yàn)中出現(xiàn)異常，可及時(shí)更換備份硬件。若系統(tǒng)需求改變，只需對(duì)涉及的模塊進(jìn)行適應(yīng)性更改而不影響其他板卡，整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)不會(huì)改變，便于系統(tǒng)升級(jí)。

測(cè)試軟件采用Labview特有的模塊化多循環(huán)編程架構(gòu)，多循環(huán)的模式分3個(gè)線程。線程1中，程序首先執(zhí)行用戶管理模塊，管理用戶的權(quán)限，管理員為最高權(quán)限，可刪除和添加用戶，可改程序運(yùn)行參數(shù)，然后程序依次往下執(zhí)行，直至退出程序。線程2中，程序運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，管理各操作的數(shù)據(jù)記錄，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)。線程3中，程序運(yùn)行錯(cuò)誤管理，模塊管理線程1中各模塊的錯(cuò)誤，如發(fā)生錯(cuò)誤，程序就退出，并記錄錯(cuò)誤。多循環(huán)應(yīng)用程序框架將多個(gè)單循環(huán)設(shè)計(jì)模式、消息機(jī)制、工具和控制集成到一個(gè)應(yīng)用程序框架中，按測(cè)試需求設(shè)計(jì)不同的軟件模塊，具有較強(qiáng)的可維護(hù)性、可移植性、可擴(kuò)展性，利于系統(tǒng)日后的升級(jí)。

3.3 手動(dòng)和自動(dòng)結(jié)合測(cè)試技術(shù)

因調(diào)試伺服閥的特殊性，測(cè)試人員不方便在調(diào)試的同時(shí)操作計(jì)算機(jī)鍵盤和點(diǎn)擊鼠標(biāo)。為提高伺服閥測(cè)試人員的調(diào)試效率，本系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，加入了多個(gè)手動(dòng)調(diào)試模塊，測(cè)量模塊和部分高精度數(shù)字顯示儀表置于系統(tǒng)的前面板，供調(diào)試時(shí)信號(hào)輸出和數(shù)據(jù)觀察，便于調(diào)試人員使用，系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了研制的一種三余度電液伺服閥靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)在基于Labview平臺(tái)的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上，外圍配合高精度的恒流輸出模塊，信號(hào)測(cè)量模塊等，實(shí)現(xiàn)三余度電液伺服閥在三余度狀態(tài)，雙余度狀態(tài)和單余度狀態(tài)下的性能測(cè)試，同時(shí)可單獨(dú)測(cè)試雙余度伺服閥和單余度伺服閥。與傳統(tǒng)伺服閥測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有通用性。采用了模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，手動(dòng)和自動(dòng)結(jié)合的測(cè)試模式便于測(cè)試人員使用。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的三余度電液伺服閥靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)滿足三余度電液伺服閥的靜態(tài)特性測(cè)試需求，電流輸入精度可達(dá)±0.01mA，非線性度＜1%。流量測(cè)量相對(duì)誤差＜1%。壓力測(cè)量范圍可達(dá)約21MPa，壓力差測(cè)量相對(duì)誤差＜1%。

［1］ 曾廣商，沈衛(wèi)國(guó)，石 立，等.高可靠三冗余伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)［J］.航天控制，2005，23（1）：35－40.

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