基于Labview平臺(tái)車載電磁閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了汽車變速箱用電磁閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成，分析流量電磁閥和壓力電磁閥的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和閉環(huán)測(cè)試方法，引入模塊化設(shè)計(jì)細(xì)想，對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)了集傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)于一體的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該測(cè)試平臺(tái)功能齊全、通用性好、測(cè)試精度高、擴(kuò)展和維護(hù)方便。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/283529.htm

關(guān)鍵詞：電磁閥；虛擬儀器；靜/動(dòng)態(tài)特性測(cè)試；閉環(huán)特性測(cè)試；霍爾傳感器

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.11.017

引言

汽車產(chǎn)業(yè)一直被列為國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。近年來，國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，至2009年已突破年產(chǎn)1000萬量的大關(guān)。汽車變速箱電磁閥為汽車自動(dòng)變速箱或手自一體變速箱液壓執(zhí)行裝置中的關(guān)鍵部件，其作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載狀況，對(duì)油泵輸出到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油壓加以控制，以控制各離合器和制動(dòng)器的結(jié)合與分離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。

電磁閥綜合特性測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)目多，測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜且要求高可靠性和柔性。國(guó)際上有較為先進(jìn)的電磁閥檢測(cè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種型號(hào)電磁閥的高精度和高效率自動(dòng)測(cè)試。不足之處是這類檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格昂貴且設(shè)備供應(yīng)周期和后期維護(hù)都較困難。基于實(shí)際汽車變速箱電磁閥測(cè)試需要，研制一種基于虛擬儀器技術(shù)的電磁閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，本系統(tǒng)以Labview平臺(tái)為測(cè)試核心，采用模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)模式，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，從而加快電磁閥測(cè)試系統(tǒng)的研制開發(fā)速度，是未來電磁閥測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1系統(tǒng)組成和工作原理

電磁閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可完成汽車變速箱流量電磁閥和壓力電磁閥兩種類型電磁閥多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試工作，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)，靜/動(dòng)態(tài)特性測(cè)試模塊，閉環(huán)特性測(cè)試模塊，傳感器信號(hào)測(cè)試模塊組成，在軟硬件配合下完成電磁閥靜態(tài)，動(dòng)態(tài)和閉環(huán)特性測(cè)試功能。

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，實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)采集、數(shù)字濾波、曲線擬合、參數(shù)計(jì)算、在靜/動(dòng)態(tài)特性測(cè)試模塊、閉環(huán)特性測(cè)試模塊、傳感器信號(hào)特性測(cè)試模塊等硬件的配合下，實(shí)現(xiàn)流量電磁閥、壓力電磁閥的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和閉環(huán)特性分析，分析結(jié)果以曲線形式顯示輸出，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存，打印及報(bào)表輸出。圖1是測(cè)試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。

2靜/動(dòng)態(tài)特性測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試中，液壓油經(jīng)過液壓泵加壓后，再經(jīng)流量傳感器或壓力傳感器流入到電磁閥，油液從電磁閥的出口經(jīng)過壓力傳感器最后回到油源。

靜態(tài)特性測(cè)試時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬信號(hào)發(fā)生器輸出三角波信號(hào)，經(jīng)恒流源模塊輸出給電磁閥線圈，驅(qū)動(dòng)電磁閥工作。進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試時(shí)，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)輸出方披信號(hào)，經(jīng)恒流源模塊輸出給電磁閥線圈。電流信號(hào)測(cè)試模塊將閥線圈電流信號(hào)調(diào)理成對(duì)應(yīng)比例的電壓信號(hào)后，輸出給計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采集。流量信號(hào)測(cè)試模塊負(fù)責(zé)流量閥測(cè)試，在進(jìn)行流量電磁閥測(cè)試時(shí)，流量信號(hào)測(cè)試模塊將液壓系統(tǒng)中的流量傳感器輸出信號(hào)調(diào)理成等比例流量信號(hào)后，輸出給計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采集。同樣地，壓差信號(hào)測(cè)試模塊負(fù)責(zé)壓力閥測(cè)試，測(cè)試時(shí)，壓差信號(hào)測(cè)試模塊將A、B腔壓力傳感器輸出信號(hào)調(diào)理成等比例壓力差信號(hào)后，輸出給計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采集。圖2是靜/動(dòng)態(tài)特性測(cè)試功能結(jié)構(gòu)圖。下面對(duì)各主要模塊做詳細(xì)介紹。

恒流源模塊是靜/動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵，本文選取了體積小、效率高，電流調(diào)節(jié)范圍寬的集成電路恒流源為電磁閥提供恒定電流，其主要元件是功率運(yùn)算放大器，功率運(yùn)算放大器是集成運(yùn)算放大器的一種，一般的集成運(yùn)放輸出電流較小，難以提供大功率驅(qū)動(dòng)阻抗大于3 Q的負(fù)載。功率運(yùn)放特指能夠輸出大功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載的運(yùn)放。文中選用MSK公司的軍級(jí)MSK541B功率運(yùn)算放大器構(gòu)成懸浮負(fù)載恒流源，圖3是懸浮負(fù)載恒流源電路圖。其輸出電流最高可達(dá)10A，遠(yuǎn)超過系統(tǒng)測(cè)試的最高要求。

流量和壓力電磁閥靜態(tài)測(cè)試時(shí)，均需三角波信號(hào)，所以對(duì)恒流源模塊圖8巴特沃斯低通濾波器程序框圖的線性度要求較高，圖4是恒流源模塊線性度測(cè)試曲線，由圖4可知，恒流源電流輸出能力在5A以上，電路能夠保持非常好的線性度，非線性誤差

流量信號(hào)測(cè)試模塊由“F/V變換”+“比例調(diào)節(jié)”+“零位調(diào)節(jié)”+“顯示儀表”+“同相跟隨”組成，首先用F/V變換電路將流量計(jì)輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于采集的電壓信號(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，那么電壓值就可以直接反應(yīng)對(duì)應(yīng)的流量值.本系統(tǒng)流量測(cè)量范圍可達(dá)0～100L/min。顯示儀表采用高精度數(shù)字顯示儀表，放置于整個(gè)系統(tǒng)的前面板，方便調(diào)試時(shí)數(shù)據(jù)觀察。

壓差信號(hào)測(cè)試模塊由兩個(gè)“I/V變換”+“減法器”+“比例調(diào)節(jié)”+“低通濾波”+“顯示儀表”+“同相跟隨”組成。壓力傳感器的輸出信號(hào)為（420）mA電流信號(hào)，首先用I/V變換模塊將A腔和B腔壓力傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，減法器電路將兩電壓值做差值后輸出，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，那么電壓值就可以直接反應(yīng)AB腔的壓力差值。因液壓系統(tǒng)中壓力傳感器的輸出電流回路與其供電回路共地，更易受到干擾.所以必須加入有源濾波環(huán)節(jié)，截止頻率設(shè)置為5Hz，這樣可有效濾除各種干擾，保證采集信號(hào)的精度。

3閉環(huán)特性測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

閉環(huán)測(cè)試時(shí)，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)虛擬信號(hào)發(fā)生器輸出偏置的三角波信號(hào)Vrp，同時(shí)采集位移傳感器輸出信號(hào)Vsp，閉環(huán)信號(hào)調(diào)理模塊首先將兩信號(hào)接入減法器電路，對(duì)兩信號(hào)做差得，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行K倍（K值可調(diào)）放大，然后對(duì)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行反向，再疊加一個(gè)2V電壓，閉環(huán)信號(hào)調(diào)理模塊將兩電壓信號(hào)調(diào)理成后輸出，但此時(shí)的信號(hào)是無功率的電壓信號(hào)，無法驅(qū)動(dòng)電磁閥線圈工作，恒壓驅(qū)動(dòng)電路將調(diào)理后的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大后，輸出給電磁閥線圈。圖5是閉環(huán)特性測(cè)試功能結(jié)構(gòu)圖。

傳統(tǒng)的電流測(cè)試電路采用在負(fù)載回路串接采樣電阻，測(cè)量采樣電阻兩端電壓換算成回路中的電流值，因閥線圈為感性元件，若在其回路中串入采樣電阻，將影響整個(gè)回路的時(shí)間響應(yīng)，霍爾傳感器模塊（LEM模塊）很好的解決了這個(gè)問題。

LEM模塊由原邊導(dǎo)體、集磁環(huán)、付邊線圈和放大電路等組成。它的原理是基于霍爾效應(yīng)，是模塊化的有源電流傳感器，它把普通互感器與霍爾元件、電子線路有機(jī)地結(jié)合起來，充分發(fā)揮了普通互感測(cè)量范圍寬的長(zhǎng)處和電子線路反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)傳感器電路由于與被測(cè)電路是隔離的，因此LEM模塊的接入對(duì)被測(cè)電路的影響可以忽略不計(jì)。

4軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件采用Labview8.6編寫，為提高測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和通用性，程序采用模塊化的設(shè)計(jì)模式，將測(cè)試系統(tǒng)按功能劃分為數(shù)個(gè)模塊：初始化模塊、測(cè)試選擇模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、后期處理模塊。其中初始化模塊主要完成系統(tǒng)測(cè)控板卡參數(shù)配置；測(cè)試選擇模塊主要完成流量閥和壓力閥靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試和閉環(huán)測(cè)試，為每一種測(cè)試設(shè)計(jì)一個(gè)子界面，方便用戶在前面板進(jìn)行選擇：數(shù)據(jù)處理模塊主要完成信號(hào)發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能：后期處理模塊主要完成測(cè)試數(shù)據(jù)的保存、打印和報(bào)表輸出功能。圖6是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。

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：通過測(cè)試板卡的A/D接口，采集電磁閥測(cè)試過程中的線圈電流、流量和壓力等特性信號(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)其特眭分析。

本測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試軟件編程主要包括激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析及處理、繪圖輸出、數(shù)字濾波、曲線擬合等幾部分功能組成。下面介紹系統(tǒng)中包含的幾種關(guān)鍵軟件的程序設(shè)計(jì)。

4.1信號(hào)的采集

在電液電磁閥靜態(tài)試驗(yàn)中.要對(duì)電磁閥的電流，壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行采集.因此數(shù)據(jù)采集是測(cè)試軟件編程的重要部分。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)模擬信號(hào)的采集，圖7是信號(hào)采集程序框圖。

4.2數(shù)字濾波

測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所工作的現(xiàn)場(chǎng)，有很多干擾信號(hào)，有時(shí)幅度很大，這些干擾信號(hào)影響到到測(cè)量精度和測(cè)量的可靠性，必須將它濾除。大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)不同程度受到電源線等50Hz的噪聲干擾，大多數(shù)信號(hào)調(diào)理設(shè)備都包含低通濾波器，能最大限度地消除50Hz或60Hz的噪聲。

設(shè)h（n），n=0，1，2，…是濾波器的沖擊響應(yīng)。一個(gè)線性時(shí)不變?yōu)V波器若對(duì)n≥N（N為正整數(shù)），有h（n）=0，則稱其為有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR），否則稱之為無限沖擊濾波器（ⅡR）。有限沖擊響應(yīng)濾波器總是穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)方法較多，但是效率不高，定義困難。ⅡR濾波器的設(shè)計(jì)源于傳統(tǒng)的模擬濾波器設(shè)計(jì)，可以通過對(duì)低通模擬濾波器進(jìn)行模擬頻率變換得到ⅡR濾波器。通常ⅡR濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓濾波器、貝塞爾濾波器等。

巴特沃斯濾波器的優(yōu)點(diǎn)是具有平滑的單調(diào)遞減的頻率響應(yīng)，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零，在截?cái)囝l率處有3 dB衰減，高階巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)近似于理想低通濾波器。本系統(tǒng)中采用的是巴特沃斯低通濾波器，圖8是巴特沃斯低通濾波器程序框圖。

4.3曲線擬合

電磁閥的很多測(cè)試項(xiàng)目需要計(jì)算特性參數(shù)，由于實(shí)際誤差的存在，計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)往往不是理論函數(shù)的表達(dá)，這就需要將測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理，使得繪制曲線以吻合平滑曲線，從而準(zhǔn)確求取特性參數(shù)。以電磁閥零偏參數(shù)的計(jì)算方法為例，首先介紹名義流量曲線的概念，名義流量曲線是流量回線的中點(diǎn)軌跡。零偏是名義流量曲線與零流量軸線交點(diǎn)的電流值。本系統(tǒng)中零偏的程序?qū)崿F(xiàn)是：首先對(duì)計(jì)算機(jī)采集的流量數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分段插值，利用插值函數(shù)求取名義流量曲線，但是此時(shí)得取的只是名義流量曲線上一些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并無法計(jì)算出此名義流量曲線與零流量軸線交點(diǎn)的電流值，利用Labview曲線擬合程序中的基于最小絕對(duì)殘差的直線擬合方法擬合出名義流量曲線，進(jìn)而求取此曲線與零流量軸線交點(diǎn)的電流值，即零偏值。圖9是曲線擬合程序框圖。

5測(cè)試結(jié)果分析

圖10是某一型號(hào)汽車變速箱流量閥靜態(tài)測(cè)試和閉環(huán)測(cè)試曲線圖，最后輸出的報(bào)表圖形將加入計(jì)算的參數(shù)值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的范圍給出合格與否的判定結(jié)果。圖10中流量一電流測(cè)試曲線中的虛線為預(yù)先設(shè)定的曲線界定范圍，可使用戶一目了然的對(duì)曲線做出整體判斷。從圖10中可以看到本文設(shè)計(jì)的電磁閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在測(cè)試精度，測(cè)量方式上都滿足實(shí)際要求，并得到了良好的應(yīng)用。

6 結(jié)論

本文所述的電磁閥自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)的方法對(duì)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)汽車變速箱用流量、壓力電磁閥的靜態(tài)特性測(cè)試，動(dòng)態(tài)特性測(cè)試和閉環(huán)特性測(cè)試。模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)方式，根據(jù)不同的測(cè)試需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件模塊和硬件模塊，方便日后系統(tǒng)的擴(kuò)展，縮短研發(fā)周期，對(duì)于同類型電磁閥測(cè)試系統(tǒng)的研制具有很好的借鑒價(jià)值。該系統(tǒng)至今投入使用一年多，參與多套電磁閥的測(cè)試任務(wù)，收到了良好的效果。