船用比例電磁鐵動態性能自動測試系統研究

王偉吉 吳海鋒 趙進剛

1海軍裝備部艦船辦公室，北京100071 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

船用比例電磁鐵動態性能自動測試系統研究

王偉吉1吳海鋒2趙進剛1

1海軍裝備部艦船辦公室，北京100071 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

為了對船用比例電磁鐵的改進研究提供試驗數據支持，解決測試初始位置手動定位效率低且精度不高的問題，提高電磁鐵動態性能測試的精度和效率，研究了一套自動測試系統。該系統采用高精度力傳感器及電流傳感器，通過可編程控制器（PLC）采集力傳感器信號數據，閉環反饋控制步進電機，實現比例電磁鐵的測試位置程控定位，消除手動初始定位不準對測試精度造成的影響。自動數據采集和動態性能曲線自動生成、計算、分析功能的實現提高了測試的效率。

船用比例電磁鐵；階躍響應；頻率響應；PLC；PID

1 引言

比例電磁鐵是一種將比例放大器的輸出電流轉變成輸出力或位移的電氣—機械執行器。船用比例電磁鐵就是其中的一種，被廣泛應用于船舶電液控統制系中，其動態響應性能和可靠性對船舶控制系統的安全性及生命力有著重大的影響［1］。因此，如何合理地設計其測試系統，解決以往測試初始位置手動定位效率低和精度不高的問題，提高測試的自動化程度及準確度，具有較好的工程實踐意義。本文即依照相關的船用比例電磁鐵測試標準，探討其動態性能的有效測試方法［2］。

2 測試系統方案

根據“船用比例電磁鐵”（CB3403－91）國家標準，船用比例電磁鐵的動態性能測試項目有階躍響應特性及頻率響應特性，需要計算的性能參數有上升時間、幅頻寬及相頻寬等［3］。系統組成原理框圖如圖1所示。

圖1 系統方案原理圖Fig.1 Diagram of system

被測船用比例電磁鐵放大板的輸入信號為0～7.5 V電壓信號，行程2.5 mm。測控系統由上位機 （工控機）數據采集處理模塊和下位機PLC自動控制模塊組成。上位機數據采集處理模塊通過數據采集卡高速采集高精度力傳感器及電流傳感器的測量值，并通過RS232串口與下位機PLC通信，向PLC發出控制指令及接受PLC的反饋指令信息［4－5］。然后由上位機測試軟件對采集數據進行分析處理，繪制所需的相關性能曲線，計算出相應的性能指標［6］。下位機自動控制模塊主要由PLC主模塊、模擬量輸入輸出模塊、電機控制脈沖發生模塊、步進電機及其驅動器組成。PLC采集力傳感器信號數據，閉環反饋控制步進電機，推動比例電磁鐵在導軌滑塊機構上運動，并最終將其定位于測試初始位置處［7］。

3 測試方法及實現

根據測試標準，動態性能測試開始前，須對電磁鐵進行位置初始化，將其定位于電磁鐵行程中位，以便較準確全面地反映其動態性能。

由于力型比例電磁鐵失電狀態下推桿處于最大伸出位移處，因此，調零只能在最大伸出位移處進行。為保證精確調零，采用加電調零方式。中位調零分為零位調零和中位行程行走兩步，即首先將電磁鐵推桿調整至零位 （推桿與力傳感器剛接觸的位置），步進電機再推動電磁鐵行走一半的行程，最終將推桿定位行程中位。零位調零流程如圖2所示。

圖2 比例電磁鐵零位調零流程圖Fig.2 Flow chart of zero position adjustment of proportional solenoid

調零開始時，上位機（工控機）通過RS232串口向下位機PLC發出測試調零命令，PLC調零定位程序開始運行。通信采用計算機鏈接專用協議，傳輸速率為9 600 b／s，半雙工傳輸［8］。研華PCI－1712高精度數據采集卡輸出比例電磁鐵的模擬控制信號，PLC的模擬量輸入模塊FX2N－4AD采集力傳感器的反饋數據 （0～5 V），PLC主模塊中將反饋數據與給定目標值的偏差送到PID環節中，計算出當前控制步進電機所需的運行速度，最終將推桿定位于與力傳感器剛接觸的零位位置。通過設置適當的PID參數達到所要求的控制精度，測試中發現，P＝2.5時定位效果較好。

零位調零時，由于被測船用比例電磁鐵推桿在常態（不通電）下是處于最大伸出位置，由于現場干擾的波動，空載時力傳感器的測量值經常處于波動狀態。為保證調零精度不受干擾波動的影響，取調零目標值為調零開始時的力傳感器數值加上一固定偏置值，此處取10 mV（即0.24 N）。由于比例電磁鐵中位附近各位置都能較好地反映其動態特性，因而此初始偏置力不會對系統測試精度造成誤差。

調零開始前，推桿與力傳感器應脫離接觸。PLC首先使電機以恒定速度前進，然后待推桿與力傳感器接觸時，反饋調零控制開始起作用。在調零過程中也可以中斷調零，即令步進電機停止，上下位機的調零程序復位。

測試初始位置調整后，即可進行性能測試。為保證采集準確而真實的動態響應數據，采用研華PCI－1712高速模擬量輸入采集方式，12位A／D轉換器，總線主控DMA（master bus DMA）傳輸。采集時采樣數據以半緩存單位向工控機傳輸，即采樣緩存數據達到半滿后即被傳送至工控機［9］。

圖3 比例電磁鐵調零控制原理框圖Fig.3 Diagram of zero position adjustment of proportional solenoid

階躍響應特性測試：比例放大板的輸入信號為0～7.5 V的階躍信號，測試結果如圖4所示。測得上升時間為0.025 6 s，瞬態響應速度較快。

圖4 階躍響應特性曲線Fig.4 Step response characteristic

頻率響應特性測試：比例放大板的輸入為7.5V最大峰峰值，頻率范圍為1～21 Hz的正弦掃頻信號，掃頻頻率間隔為1 Hz。測試結果見圖5和圖6。圖5為放大板輸入信號、電磁鐵輸入信號及輸出力的時域圖，圖6為幅頻特性和相頻特性圖［10］。

圖5 頻率響應特性曲線Fig.5 Frequency response characteristic

圖6 頻率響應特性時域曲線Fig.6 Time domain characteristic of frequency response

測試完成后，將測試結果創建報表并打印，同時也可以將測試數據保存，以便日后調用分析。

4 結語

本文采用計算機輔助測試技術（CAT）對船用比例電磁鐵的動態特性進行測試，實現了比例電磁鐵的測試位置程控定位，自動化程度高，測試效率高。測控系統采用上下位機模式，使用高速高精度工控機數據采集系統進行數據采集分析，自動繪制性能曲線并計算性能參數。由于初始定位誤差不會對測試精度產生影響，因此，系統測試精度主要取決于數據采集分析系統的精度。

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Computer Aided Test System for Dynamic Performance of Marine Proportional Solenoid

Wang Wei－ji1Wu Hai－feng2Zhao Jin－gang1
1 Ship Division，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to provide experimental data for improving the performance of marine proportional solenoid，and solve the problems of low efficiency and accuracy in locating initial test point by hand，then enhance the efficiency and accuracy of dynamic property test on solenoid，we designed a Computer Aided Test（CAT）system.The system consisted of high accurate force and current sensors，and used Programmable Logic Controller（PLC）to acquire data from force sensors，then controlled the step motor by the feedback signal.The system could automatically locate solenoid and test its dynamic performance，which eliminated the interferences by testers during locating the solenoid.And the functions of automate data acquisition，dynamic performance parameters calculation and plotting improve the test efficiency and precision.

marine proportional solenoid；step response；frequency response；PLC；PID

TP27，U665.1

：A

：1673－3185（2011）04－96－03

2010-10-13

王偉吉（1967－），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶動力裝置。

吳海鋒（1986－），男，碩士，助理工程師。研究方向：船舶動力系統。E-mail：wuhaif＠163.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.021