引言

電液伺服閥在電液伺服系統(tǒng)中是將電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓功率信號(hào)的關(guān)鍵元件,系統(tǒng)的品質(zhì)直接受該閥性能的影響。而且電液伺服閥本其數(shù)學(xué)模型及特性參數(shù)的獲得經(jīng)常需要通過靜態(tài)特性測(cè)試和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試進(jìn)行。

將 LabVIEW 應(yīng)用在電液伺服閥計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)中，簡化測(cè)試系統(tǒng)、提高測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)效率、增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，大大降低實(shí)驗(yàn)成本,從而加快電液伺服閥計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)系統(tǒng)的研制開發(fā)速度，是電液伺服閥測(cè)試實(shí)驗(yàn)的重要分支，也是未來電液伺服閥試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)。

LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)

虛擬儀器 (Virtual Instrument)是利用現(xiàn)有的 PC 加上專門設(shè)計(jì)的軟件和必備的硬件,完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，其出發(fā)點(diǎn)是將傳統(tǒng)的硬件儀器軟件化。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件,體現(xiàn)了“ NI 公司的 LabVIEW 是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，是當(dāng)今主要的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，它繼承了高級(jí)編程語言的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，支持模塊化與層次化設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了程序的可讀性。與傳統(tǒng)的編程語言相比, LabVIEW 圖形編程方式可以大大節(jié)省程序開發(fā)時(shí)間,且其運(yùn)行速度幾乎不受影響。

2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為靜態(tài)特性測(cè)試與動(dòng)態(tài)特性測(cè)試兩部分。靜態(tài)特性測(cè)試主要完成電液伺服閥壓力特性、流量特性、泄漏特性測(cè)試;動(dòng)態(tài)特性測(cè)試主要完成電液伺服閥頻率響應(yīng)測(cè)試及譜分析測(cè)試，且可直接擴(kuò)展完成電液伺服閥時(shí)域階躍響應(yīng)測(cè)試。 系統(tǒng)以LabVIEW為平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的信號(hào)分析處理功能，編程實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)經(jīng)D/A輸出作用到電液伺服閥上，相關(guān)的信號(hào)經(jīng)傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在LabVIEW平臺(tái)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑窗、數(shù)字濾波、非線性校正和標(biāo)定等數(shù)字化處理，對(duì)其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果以圖形化曲線的形式輸出顯示，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，并生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖一所示：

3 靜態(tài)特性測(cè)試

如圖二是電液伺服閥靜態(tài)特性測(cè)試回路原理。在電液伺服閥的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該測(cè)量的參數(shù)有:輸入電流ｉ、輸出流量q、內(nèi)部泄漏量qr、供油壓力ｐS、負(fù)載腔壓力ｐA、ｐB(yǎng),求得負(fù)載壓差pl=pA-pB等。進(jìn)行靜態(tài)特性測(cè)試時(shí)，比例節(jié)流閥同計(jì)量馬達(dá)串聯(lián),通過D/A輸出控制節(jié)流閥節(jié)流口大小,得到不同的負(fù)載壓力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)加載，完成系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試。在測(cè)量各項(xiàng)特性之前，我們都需要先調(diào)節(jié)溢流閥使供油壓力達(dá)到電液伺服閥的額定壓力。為了保證信號(hào)處理的準(zhǔn)確性，控制伺服閥的電流信號(hào)經(jīng)過直流伺服放大器驅(qū)動(dòng)放大后,送入電液伺服閥,由與被試閥線圈串聯(lián)的1Ω精密電阻上取其電壓信號(hào)輸入經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)行Ａ/Ｄ采集,轉(zhuǎn)換,然后輸入計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)期間,信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)波形和現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào),均在顯示器上通過虛擬儀表的軟面板實(shí)時(shí)的顯示。

3．1靜態(tài)特性測(cè)試方法

1）測(cè)量空載流量特性時(shí), CAT系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)控制比例節(jié)流閥的開口最大,此時(shí)可以近似看作油液無損失通過流量傳感器。CAT系統(tǒng)通過虛擬信號(hào)源生成頻率為0.05Hz低頻三角波激勵(lì)信號(hào)掃描，采集被試閥的輸入電流及現(xiàn)場(chǎng)的壓力及流量信號(hào)，經(jīng)CAT系統(tǒng)信號(hào)分析處理輸出空載流量曲線并求得標(biāo)準(zhǔn)流量增益，滯環(huán)，對(duì)稱度，線性度等性能指標(biāo)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其函數(shù)表達(dá)式為：±q=f(±i)pl=0 i:三角波掃描。

2）測(cè)量壓力增益特性時(shí)，CAT系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)控制比例節(jié)流閥的開口關(guān)死, 實(shí)現(xiàn)負(fù)載的無窮大。CAT系統(tǒng)通過虛擬信號(hào)源生成頻率為0.05Hz三角波激勵(lì)信號(hào)掃描， CAT系統(tǒng)對(duì)采集到的壓力信號(hào)及被試閥輸入電流分析處理輸出壓力增益特性曲線同時(shí)求得壓力增益，零偏等指標(biāo)。其函數(shù)表達(dá)式為：±pl=f(±i)q=0 i:三角波掃描。

3）測(cè)量泄漏特性時(shí), CAT系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)控制比例節(jié)流閥的開口關(guān)死, 實(shí)現(xiàn)負(fù)載的無窮大。CAT系統(tǒng)通過虛擬信號(hào)源生成頻率為0.05Hz鋸齒波激勵(lì)信號(hào)掃描，采集通過回油路的流量傳感器檢測(cè)泄漏油液的流量和被試閥的輸入電流，經(jīng)CAT系統(tǒng)分析處理輸出內(nèi)部泄漏特性曲線并求得內(nèi)泄漏量等。其函數(shù)表達(dá)式為：q=f(±i)q=0 i:鋸齒波掃描。

3．2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

CAT系統(tǒng)中的靜態(tài)性能測(cè)試設(shè)計(jì)主要包括虛擬靜態(tài)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)設(shè)定，信號(hào)采集，信號(hào)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)信號(hào)虛擬儀表等程序設(shè)計(jì)。虛擬靜態(tài)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)所需的低頻周期信號(hào)，其提供了良好的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)類型、信號(hào)幅值、信號(hào)頻率、初始相位、偏移量等各項(xiàng)需要的選擇。如圖三所示為靜態(tài)特性測(cè)試程序功能圖。

4 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

如圖四為動(dòng)態(tài)特性測(cè)試回路原理圖，動(dòng)態(tài)特性測(cè)試主要完成電液伺服閥頻率響應(yīng)特性測(cè)試及譜分析測(cè)試并求得被試閥的幅頻寬，相頻寬等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)?？蓴U(kuò)展功能完成電液伺服閥的階躍響應(yīng)測(cè)試并求得相應(yīng)時(shí)域指標(biāo)。動(dòng)態(tài)特性測(cè)試時(shí),同樣我們也要采集被試閥輸入電流，其原理和靜態(tài)特性測(cè)試回路相同。由于伺服無載油缸的速度與閥輸出的流量成正比,通過檢測(cè)活塞桿一端帶動(dòng)的速度傳感器的輸出電壓，從而求得閥輸出流量。為防止被試閥具有原始零偏、油缸加工和裝配時(shí)的公差配合等原因造成油缸兩腔泄漏不一致,活塞與缸筒之間在左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力不對(duì)稱等因素造成的活塞漂移。在活塞桿另一端帶一只位移傳感器,其輸出信號(hào)反饋到伺服放大器的輸入端構(gòu)成位置對(duì)中反饋環(huán)。

4．1 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法

采用頻域掃頻法測(cè)試時(shí)，保持系統(tǒng)為無載測(cè)試狀態(tài)下，CAT系統(tǒng)通過虛擬信號(hào)源來產(chǎn)生線性、振幅保持常值的標(biāo)準(zhǔn)正弦掃頻信號(hào),此信號(hào)經(jīng)過伺服放大器轉(zhuǎn)換成被試閥線圈中正弦變化的電流信號(hào)。從電阻上取其電壓信號(hào)輸入給A/D進(jìn)行采集。同時(shí),伺服閥的輸出流量,通過安裝在伺服油缸上的速度傳感器獲得，系統(tǒng)對(duì)電液伺服閥的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換,求得輸出與輸入信號(hào)的振幅比隨頻率的變化得到系統(tǒng)的幅頻特性；輸出與輸入信號(hào)之間的相位差隨頻率的變化得到相頻特性,輸出波德圖(Bode)，求出被試閥的幅頻寬和相頻寬指標(biāo)。當(dāng)需要在線有載情況下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用譜分析測(cè)試，它是以偽隨機(jī)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，求其互功率譜和自功率譜的比后得到被測(cè)閥的頻率特性，輸出波德圖(Bode)，求得被試閥的幅頻寬及相頻寬指標(biāo)。

4．2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

與靜態(tài)特性測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)不同, 虛擬動(dòng)態(tài)信號(hào)發(fā)生器可輸出譜分析測(cè)試所需的寬帶偽隨機(jī)信號(hào)和頻率響應(yīng)測(cè)試所需的正弦掃頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)源,試驗(yàn)可任選其一。動(dòng)態(tài)特性測(cè)試是在虛擬動(dòng)態(tài)信號(hào)發(fā)生器向伺服閥發(fā)送頻率連續(xù)變化的正弦頻率信號(hào)或偽隨機(jī)白噪聲信號(hào),同時(shí)采集伺服閥的輸入電壓信號(hào)及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流量信號(hào),經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理繪制出波德圖(包括幅頻特性曲線、相頻特性曲線),求得動(dòng)態(tài)指標(biāo)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。動(dòng)態(tài)特性測(cè)試模塊功能框圖(略可向作者索取)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)高度集成，對(duì)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)測(cè)試、靜態(tài)測(cè)試，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理都是通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成的；系統(tǒng)加載采用比例節(jié)流閥,節(jié)省人力和實(shí)驗(yàn)時(shí)間；繪制測(cè)試曲線及測(cè)量計(jì)算線性度和滯環(huán)寬度等各項(xiàng)性能指標(biāo)非常方便，提高了精度；所有實(shí)驗(yàn)所需的輸入信號(hào),均由計(jì)算機(jī)的虛擬信號(hào)源產(chǎn)生,簡化實(shí)驗(yàn)設(shè)備(如超低頻信號(hào)發(fā)生器、頻響分析儀等)；實(shí)驗(yàn)過程中的壓力、流量、輸入電流等信號(hào),均通過虛擬儀器的軟面板顯示,簡化實(shí)驗(yàn)儀表(如壓力表、流量表、電流表等)，大大減少了成本。 另外，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上無須添加硬件，通過編程就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。