三余度電液伺服閥靜態特性測試系統研制

劉 雪，陳宇峰

（上海航天控制技術研究所，上海 200233）

0 引言

隨著航天技術的高速發展，對火箭的可靠性要求越來越高。為獲得滿意的可靠性，對余度伺服系統進行了大量研究，研發了多種形式的余度伺服機構，其中三余度伺服控制技術因其卓越性能受到了認可［1］。電液伺服閥是伺服控制系統中將電流控制信號轉換成液壓功率信號的關鍵元件，其性能直接影響伺服控制系統的控制精度、穩定性和可靠性，對電液伺服閥特性測試顯得至關重要。

電液伺服閥是一種自動控制閥，它既是電液轉換元件，又是功率放大元件，其功用是將小功率的模擬電流信號轉換為隨電流信號大小極性變化且速度響應的大功率液壓能（流量或壓力）輸出，從而實現對液壓執行器位移、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并聯結構，內部有三組控制線圈。在三余度電液伺服閥測試時，三余度模式下，3個線圈同時輸入控制電流，3路控制電流需同步獨立，同步時差不大于3μs，幅值相同，波形為正弦波、三角波、方波可選，頻率在0.05～20Hz范圍內可調；雙余度模式下，每兩個線圈同時輸入控制電流；單余度模式下，3個線圈分別輸入控制電流，性能測試共有模式7種。在這7種控制狀態下，測試系統需同步實時將液壓系統輸出的流量、壓力、泄漏等傳感器信號轉換為可供計算機采集的電壓信號，繪制流量、壓力、泄漏特性曲線，根據不同的特性曲線，計算相應試驗參數，分析靜態特性，最終對閥的性能進行有效判定。

國內現有的伺服閥測試系統只適于測試單線圈伺服閥（即單余度伺服閥），并不滿足三余度電液伺服閥的測試需求，因此需研制一套三余度電液伺服閥自動測試系，用于測試三余度電液伺服閥在三余度、雙余度和單余度狀態下的性能特性，同時還可測試普通單余度或雙余度伺服閥，是一種伺服閥通用型的測試系統。為此，本文研制了一種三余度電液伺服閥靜態特性測試系統。

1 系統組成與工作流程

1.1 系統組成

系統采用PCI總線工控機＋多功能測試板卡＋虛擬儀器的測試模式，具有測試精度高，功能擴展靈活，結構簡單，成本低等優點，是近年研制伺服閥測試系統的首選方案。本測試系統嚴格遵循QJ 504A—96，QJ 2078A—98標準，可實現電液伺服閥的靜態特性測試、磨合試驗和壽命試驗。靜態特性測試主要完成空載流量特性測試、小信號特性測試、分辨率特性測試、壓力特性測試，以及內漏特性測試。磨合試驗和壽命試驗主要考核電液伺服閥的穩定性和可靠性。

測試系統以Labview平臺為控制及測試核心，由計算機測試系統、三余度主信號輸出模塊、信號測量模塊和數字功率放大器等組成硬件測試環境，軟硬件配合完成電液伺服閥的調試及測試功能。測試系統組成如圖1所示。

測試系統各模塊主要功能：信號發生器為電液伺服閥測試提供勵振信號；數字功率放大器為液壓系統提供升壓的電流控制信號；三余度主信號輸出模塊為電液伺服閥測試提供三路同步電流信號；計算機測試系統實現信號發生器，采集數據，控制測試狀態；信號測量模塊調理液壓系統輸出流量、壓力、泄漏信號后輸出給計算機采集，由此形成測試閉環；外接的X－Y記錄儀可在計算機測試的同時進行各種特性測試，供數據比對。

1.1.1 計算機測試系統

計算機測試系統是控制及測試核心，主要由PCI總線工控機、多功能測試板卡、顯示器、鍵盤鼠標和打印機等組成［2］。其中：PCI總線工控機采用IPC－610H型工控機，顯示器鍵盤鼠標和打印機為標準配置；多功能測試板卡是計算機測試的核心硬件，采用PCI－6232高精度16位多功能板卡，1塊板卡可實現16個通道的數據采集、4個通道的信號輸出和4個通道的I／O控制，節省成本，提高編程實現效率。

計算機測試系統的硬件組成如圖2所示。計算機測試系統利用Labview強大的信號分析處理功能，通過測試板卡的D／A接口，編程實現虛擬信號發生器，輸出波形可選，頻率、相位、幅值可調的連續波形；通過測試板卡的A／D接口，采集伺服閥測試過程中的電流、流量、泄漏流量和壓力差等特性信號，進行數字濾波、曲線擬合、特性曲線繪制、參數計算，實現其靜態特性分析，分析結果以曲線形式顯示輸出，并形成實驗報告。通過測試板卡的I／O接口實現測試狀態控制，對測試系統內部的繼電器控制，可實現伺服閥的不同余度測試。

圖1 測試系統組成Fig.1 Components of testing system

圖2 計算機測試系統硬件組成Fig.2 Hardware components of computer testing system

1.1.2 三余度主信號輸出模塊

三余度主信號輸出模塊是系統的關鍵。三余度信號輸出模塊由雙極性穩壓源、狀態通斷模塊、狀態選擇模塊、勵振幅值調節、峰值幅值調節、加法器、校正回路及和三路壓控懸浮負載恒流源模塊等組成，如圖3所示。與傳統單余度伺服閥不同，三余度電液伺服閥共有獨立線圈3組，測試時需提供3組同步電流信號，同步信號要求時差不大于3μs，非線性度不大于0.1%。三余度主信號輸出模塊，不僅要滿足時差及非線性度要求，同時需兼顧手動調試和自動測試電液伺服閥的需求。

三余度主信號輸出模塊的主要功能有：為手動測試伺服閥提供所需的固定值電流信號；為自動測試伺服閥提供連續波形的電流信號；在上述連續波形上疊加正弦波勵振電流信號；伺服閥不同余度下測試的狀態切換。其工作原理為：通過前面板上的狀態選擇模塊選擇測試模式，若選擇手動調試，雙極性穩壓源提供正負對稱的電壓信號，經恒流源模塊轉換為電流信號，觀察前面板的顯示儀表，通過峰值調節模塊可調節所需的固定值電流信號；若選擇自動測試，計算機測試系統的虛擬信號發生器發出連續的三角波電壓信號，經恒流源模塊轉換為連續的三角波電流信號輸出至伺服閥。信號發生器、勵振幅值調節和加法器、校正回路在上述三角波信號上疊加正弦波勵振信號。

恒流源模塊選取體積小、效率高、電流調節范圍寬的運算放大器構成的懸浮負載壓控恒流源［3］。在恒流源前端，電壓信號一分三輸出至3個恒流源模塊，保證輸入恒流源的電壓信號完全物理同步，同時恒流源模塊中的功率運放選用高精度功率運放OPA544T，其電壓轉換速率8V／s，電液伺服閥測試使用的最高電流20mA，恒流源的輸入電壓與輸出電流關系為1V輸入電壓對應10mA輸出電流，故恒流源的輸入電壓最高僅2V，8V／s的電壓轉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通斷模塊由內部的繼電器和前面板的手動開關并聯組成，根據不同的余度測試需求，開啟不同開關：測試三余度特性時，開啟3個開關，測試雙余度特性時，開啟2個開關，以此類推。幅值調節，加法器，計算機測試系統等模塊的疊加，使恒流源模塊產生累積誤差，影響輸出至電液伺服閥的電流信號的線性度及對稱性，為此加入校正回路，消除由眾多前置環節對恒流源模塊電流線性度及對稱性的影響。

1.1.3 信號測量模塊

信號測量模塊包括主流量測量模塊、泄漏流量測量模塊和壓力差測量模塊。因液壓系統中的各種傳感器輸出信號一般較微弱，需經放大、整形及濾波等處理后才能進行數據采集，即測試系統實現傳感器二次儀表的功能。

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

主流量測量模塊由F／V變換、比例調節、零位調節、顯示儀表和同相跟隨等電路組成，如圖4所示。其中：F／V變換電路將流量計輸出的頻率信號轉換為易采集的電壓信號，比例調節電路將電壓信號與流量信號調節成1∶1比例，電壓值可直接反映對應的流量值，本文系統流量測量范圍可達0～100L／min。因F／V變換電路、比例調節等電路中使用的電子芯片及放大器芯片均具有毫伏級的零位輸出，對后續計算機采集數據對稱性的影響較大，因此必須加入零位調節電路以消除影響。比例調節后的電壓信號分別接入計算機測試系統、顯示儀表和同相跟隨電路。接入計算機測試系統的電壓信號用于自動測試；顯示儀表置于整個測試系統的前面板上，使用高精度的數字顯示儀表，方便調試時觀察數據；同相跟隨電路將流量信號接至X－Y記錄儀采集，可在自動測試的同時用X－Y記錄儀進行特性測試，供數據比對。泄漏流量測量模塊與主流量測量模塊功能電路實現形式類似。

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

壓力差測量模塊由I／V變換、減法器、比例調節、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為4～20mA電流信號，用I／V變換模塊將A、B腔壓力傳感器的輸出電流信號轉換為電壓信號，減法器電路將兩電壓值作差值后輸出，比例調節模塊將電壓值與壓力差信號調節成1∶1比例，電壓值可直接反映A、B腔的壓力差。因液壓系統所用壓力傳感器的輸出電流回路與其供電回路共地，實驗過程中較易受干擾，故測量電路中須加入有源濾波環節，截止頻率設置為5Hz，這樣可有效濾除干擾，保證采集信號的精度。有源低通濾波電路輸出的電壓信號分別接至計算機測試系統、顯示儀表和X－Y記錄儀，使自動測試和X－Y記錄儀測試可同時進行，方便數據比對。

1.2 系統工作流程

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

測試系統兼具手動調試和自動測試兩種功能，還可滿足不同余度電液伺服閥的測試需求，根據測試的不同階段選擇不同的測試方法，其工作流程如圖6所示。

圖6 測試系統工作流程Fig.6 Working procedure of testing system

2 系統軟件設計

本文系統測試軟件用Labview8.6語言編寫［4］。程序為模塊化多循環結構，主要包括用戶管理、初始化、測試選擇、數據采集、數據處理、錯誤處理和數據庫管理等模塊。

系統測試軟件界面包括測試軟件和用戶管理軟件兩個子界面。測試軟件子界面由曲線顯示圖、操作命令按鈕和參數顯示表組成。測試開始時，用戶根據需要的測試項目（空載流量，小信號，內漏，壓力，分辨率，磨合，壽命實驗），選擇左側的操作命令按鈕，軟件會自動進入用戶管理軟件子界面，操作者填寫電液伺服閥型號、編號，并設置測試波形、頻率和幅值，根據波形幅值調整X／Y坐標幅值，最后選擇電液伺服閥進行何種余度測試，同時需檢查右側列表內電液伺服閥參數是否配置正確。點擊確定按鈕后，軟件會自動返回測試軟件界面，軟件將實時顯示測試的特性曲線，曲線繪制完畢后，相應參數計算結果在下方的表格中顯示。若有超差的參數，則用紅色突顯相應的值。項目測試完成后，用戶可打印曲線圖和測試結果，也可將測試結果和曲線圖保存到用戶指定的文件內。

3 關鍵技術

3.1 三余度測試技術

三余度信號輸出模塊是三余度伺服閥測試實現的關鍵。在三路恒流源前端，將電壓信號一分三輸出至3個恒流源模塊，保證輸入恒流源的電壓信號在物理上完全同步，同時恒流源模塊中的功率運放選用轉換速率達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通斷模塊由內部的繼電器和前面板的手動開關并聯組成，根據不同的余度測試需求，開啟不同開關，測試三余度特性時，開啟三3個開關，測試雙余度特性時，開啟2個開關，以此類推。由此該測試系統可滿足三余度、雙余度和單余度伺服閥的測試需求。

3.2 模塊化的軟硬件設計

系統的軟件和硬件采用模塊化設計，為不同功能需求設計單獨的模塊，如三余度主信號輸出模塊、流量測量模塊、泄漏流量測量模塊、壓力差測量模塊，系統用供電模塊等均單獨設計成不同的電路板卡，若試驗中出現異常，可及時更換備份硬件。若系統需求改變，只需對涉及的模塊進行適應性更改而不影響其他板卡，整個系統的架構不會改變，便于系統升級。

測試軟件采用Labview特有的模塊化多循環編程架構，多循環的模式分3個線程。線程1中，程序首先執行用戶管理模塊，管理用戶的權限，管理員為最高權限，可刪除和添加用戶，可改程序運行參數，然后程序依次往下執行，直至退出程序。線程2中，程序運行數據庫模塊，管理各操作的數據記錄，讀取數據庫。線程3中，程序運行錯誤管理，模塊管理線程1中各模塊的錯誤，如發生錯誤，程序就退出，并記錄錯誤。多循環應用程序框架將多個單循環設計模式、消息機制、工具和控制集成到一個應用程序框架中，按測試需求設計不同的軟件模塊，具有較強的可維護性、可移植性、可擴展性，利于系統日后的升級。

3.3 手動和自動結合測試技術

因調試伺服閥的特殊性，測試人員不方便在調試的同時操作計算機鍵盤和點擊鼠標。為提高伺服閥測試人員的調試效率，本系統在計算機自動測試的基礎上，加入了多個手動調試模塊，測量模塊和部分高精度數字顯示儀表置于系統的前面板，供調試時信號輸出和數據觀察，便于調試人員使用，系統的可操作性強。

4 結束語

本文介紹了研制的一種三余度電液伺服閥靜態特性測試系統。該測試系統在基于Labview平臺的計算機測試系統上，外圍配合高精度的恒流輸出模塊，信號測量模塊等，實現三余度電液伺服閥在三余度狀態，雙余度狀態和單余度狀態下的性能測試，同時可單獨測試雙余度伺服閥和單余度伺服閥。與傳統伺服閥測試系統相比，該系統具有通用性。采用了模塊化的軟硬件設計，使系統擴展靈活，手動和自動結合的測試模式便于測試人員使用。實際試驗結果表明：本文設計的三余度電液伺服閥靜態測試系統滿足三余度電液伺服閥的靜態特性測試需求，電流輸入精度可達±0.01mA，非線性度＜1%。流量測量相對誤差＜1%。壓力測量范圍可達約21MPa，壓力差測量相對誤差＜1%。

［1］ 曾廣商，沈衛國，石 立，等.高可靠三冗余伺服機構系統［J］.航天控制，2005，23（1）：35－40.

［2］ 張坤發.電液伺服閥動靜態性能計算機輔助測試系統的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

［3］ 秦 玲.基于功率運算放大器的恒流源技術研究［D］.北京：中國工程物理研究院，2007.

［4］ 楊樂平，李海濤.LabVIEW高級程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2003.