電液伺服閥放大器的機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)

袁劍平，孫寒冰

1 廣東海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524088

2 天津航海儀器研究所 九江分部，江西 九江 332007

0 引 言

電液伺服控制系統(tǒng)在船舶、航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、抗負(fù)載剛性大等優(yōu)點(diǎn)。電液伺服閥放大器是該系統(tǒng)內(nèi)連接機(jī)、電、液環(huán)節(jié)的重要紐帶，可以將指令轉(zhuǎn)換為精確的電輸出信號(hào)，其中驅(qū)動(dòng)電液伺服閥可以實(shí)現(xiàn)閥芯的閉環(huán)控制功能，是電液伺服閥控制系統(tǒng)的重要組成部分。由于檢測(cè)環(huán)境惡劣，且內(nèi)部測(cè)試環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)欠缺，如果電液伺服閥放大器出現(xiàn)故障，就需要較高技術(shù)水平的維修人員采用專(zhuān)業(yè)工具進(jìn)行檢測(cè)，這導(dǎo)致該系統(tǒng)全生命周期的維護(hù)成本較高。因此，為了提升系統(tǒng)的使用便利性并降低維修成本，有必要開(kāi)展電液伺服閥放大器的機(jī)內(nèi)測(cè)試（built-in test，BIT）技術(shù)研究。

目前，國(guó)內(nèi)在電液伺服閥放大器技術(shù)和通用機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)等研究領(lǐng)域取得了大量的研究成果。李其朋[1]提出了一種新型直動(dòng)式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)方案。李言軍[2]對(duì)伺服比例放大器進(jìn)行了分類(lèi)和性能對(duì)比，針對(duì)模擬伺服比例放大器的功耗高、效率低等問(wèn)題，提出了一種兼顧單電源供電、PWM工作、H橋雙向驅(qū)動(dòng)等功能的開(kāi)關(guān)式電液伺服比例放大器。宋文杰等[3]以某型電液伺服控制系統(tǒng)為對(duì)象，提出了以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）為核心的控制器方案。王利寧等[4]介紹了某型飛機(jī)電子防滑剎車(chē)系統(tǒng)的電液壓力伺服閥，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了故障分析，提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。姚坤杉[5]設(shè)計(jì)了基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)（advanced RISC machine，ARM）的電液伺服控制器，采用經(jīng)典PID控制與模糊控制相結(jié)合的模糊自整定PID控制算法，從而實(shí)現(xiàn)了電液伺服閥控制。田靈飛等[6]針對(duì)車(chē)載炮電液位置伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在的大慣量、負(fù)載非線(xiàn)性、參數(shù)不確定性和抗干擾性差等缺點(diǎn)，提出了一種基于非線(xiàn)性未知輸入觀測(cè)器的故障檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)了基于統(tǒng)計(jì)的動(dòng)態(tài)閾值故障決策機(jī)制，消除了固定閾值在系統(tǒng)過(guò)渡階段的誤報(bào)警現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了電液位置伺服系統(tǒng)的在線(xiàn)故障檢測(cè)。曾聰[7]以某型飛機(jī)為研究對(duì)象，分析了飛控系統(tǒng)故障的表征與原因，研究了采用K均值聚類(lèi)法的優(yōu)化思路與基于數(shù)據(jù)密度方向上優(yōu)化選擇相結(jié)合的徑向基函數(shù)（radical basis function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以有效提高飛控系統(tǒng)故障的診斷分類(lèi)能力。

綜上所述，現(xiàn)有的研究成果或針對(duì)電液伺服系統(tǒng)的伺服閥元件進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，或優(yōu)化控制器并采用新型控制算法來(lái)提升電液伺服放大器的控制性能，或提出基于模型的通用故障檢測(cè)與診斷方法，或分析基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷算法，但均未深入結(jié)合機(jī)、電、液系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)開(kāi)展一體化機(jī)內(nèi)測(cè)試（built-in test，BIT）技術(shù)的研究工作。

因此，本文擬結(jié)合電液伺服閥放大器機(jī)、電、液系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一體化機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)的硬件電路及軟件算法，通過(guò)分析其故障模式及影響，重點(diǎn)針對(duì)通道級(jí)故障檢測(cè)與隔離問(wèn)題，開(kāi)展余度BIT和智能BIT機(jī)內(nèi)測(cè)試方法研究。

1 電液伺服閥放大器設(shè)計(jì)

1.1 概 述

隨著微處理器處理速度與能力的提升，電液伺服閥放大器由單一的模擬電路結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展為模擬電路與數(shù)字電路并存的架構(gòu)形式，這2種電路架構(gòu)的區(qū)別在于控制器是否采用微處理器。在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用數(shù)字架構(gòu)的電液伺服閥控制放大器具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可以靈活地配置控制參數(shù)，并選擇驅(qū)動(dòng)輸出方式，這將有利于提升放大器的能量轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化、一體化控制。

電液伺服閥放大器的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)由微處理器、模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換芯片、晶體管等器件組成。放大器是一種具有閉環(huán)控制功能的功率放大器，圖1所示為電液伺服閥放大器的基本電路模型，不論是數(shù)字架構(gòu)還是模擬架構(gòu)，其功率放大電路是相同的。圖1中虛線(xiàn)框內(nèi)求和運(yùn)算與校正電路的實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q定了其電路結(jié)構(gòu)是數(shù)字結(jié)構(gòu)還是模擬結(jié)構(gòu)，本文將針對(duì)數(shù)字電液伺服閥放大器開(kāi)展研究工作。

圖 1 電液伺服閥放大器的系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram of electro-hydraulic servo-valve amplifier

考慮到散熱因素[8]，本文選用了導(dǎo)通電阻較小的P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)（positive channel metal oxide semiconductor，PMOS）晶體管作為功率放大電路的開(kāi)關(guān)管，且PMOS管的器件表面不必采取散熱措施。

1.2 放大器功能

以某型伺服閥為控制對(duì)象，則放大器應(yīng)具有如下5項(xiàng)功能：

1） 伺服閥開(kāi)環(huán)具有良好的線(xiàn)性控制特性，且閉環(huán)增益應(yīng)便于調(diào)節(jié)。

2） 具有較強(qiáng)的功率驅(qū)動(dòng)能力。

3） 具有輸入電壓在線(xiàn)調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)功能。

4） 具備功率輸出的保護(hù)關(guān)閉功能，以便故障時(shí)能及時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)輸出電流，從而保護(hù)伺服系統(tǒng)[9]。

5） 具有BIT功能。

1.3 放大器電路設(shè)計(jì)

1.3.1 電路工作原理

圖2所示為電液伺服閥放大器的電路框圖，采用了ARM微處理器作為伺服控制器，其從結(jié)構(gòu)上可以分為模擬信號(hào)輸入電路與功率驅(qū)動(dòng)輸出電路。模擬信號(hào)輸入電路的功能為：通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，將指令電壓信號(hào)、閥芯位移電壓信號(hào)（速度反饋）、反饋電壓信號(hào)（位置反饋）進(jìn)行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，從而將3組輸入信號(hào)經(jīng)由ARM微處理器完成控制運(yùn)算。功率驅(qū)動(dòng)輸出電路的功能為：ARM微處理器輸出的PWM控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離、功率放大以及輸出保護(hù)，通過(guò)控制PMOS功率管的輸出電流以驅(qū)動(dòng)伺服閥電磁鐵，由此控制伺服閥先導(dǎo)閥的閥芯運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制主閥的閥芯開(kāi)角，最終實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

圖 2 電液伺服閥放大器的電路框圖Fig.2 Schematic diagram of electro-hydraulic servo-valve amplifier

由于采用ARM微處理器作為放大器電路的控制器，因此，伺服控制系統(tǒng)的上位機(jī)可以通過(guò)通信總線(xiàn)與放大器之間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)在線(xiàn)校正、輸入電壓信號(hào)在線(xiàn)顯示、放大器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。

1.3.2 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)

伺服閥放大器的輸入電路如圖3所示，其中端口INSTR是指令電壓信號(hào)的輸入口，端口ANGLFB是反饋電壓信號(hào)的輸入口，端口ValPos是閥芯位移電壓信號(hào)的輸入口。由運(yùn)算放大器N1A，N1B，N1C組成的電壓跟隨器將分別對(duì)這3組信號(hào)進(jìn)行輸入調(diào)節(jié)，以此弱化信號(hào)衰減。指令電壓信號(hào)、反饋電壓信號(hào)、閥芯位移電壓信號(hào)將分別接入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道1，2，3；而模擬輸入通道4，5，6將接入電源VCC（5.0 V），該固定電壓信號(hào)可用于A/D轉(zhuǎn)換電路測(cè)試。

A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字接口與微處理器的輸入/輸出（I/O）口相連，其中微處理器將通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）讀取A/D芯片寄存器內(nèi)每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。對(duì)于輸入模擬信號(hào)線(xiàn)性校正、環(huán)路增益、控制參數(shù)調(diào)整等功能，經(jīng)微處理器在線(xiàn)配置之后，上位機(jī)軟件即可獲取下位機(jī)通道的數(shù)據(jù)；通過(guò)在線(xiàn)計(jì)算，即可將線(xiàn)性參數(shù)通過(guò)總線(xiàn)寫(xiě)入微處理器的內(nèi)存中進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤，才能存儲(chǔ)在微處理器的flash中。同時(shí)，微處理器將采集的模擬電壓信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)，并由上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示模擬電壓信號(hào)。

圖 3 放大器的信號(hào)輸入電路圖Fig.3 Schematic diagram of the signal input circuit of the amplifier

1.3.3 驅(qū)動(dòng)輸出電路設(shè)計(jì)

由于某型伺服閥采用了先導(dǎo)閥與主閥分級(jí)、雙電磁鐵控制的結(jié)構(gòu)，因此放大器輸出電路將采用雙路脈寬調(diào)制輸出驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而控制伺服閥先導(dǎo)級(jí)，然后控制主閥推動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)。根據(jù)伺服閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文的放大器控制輸出信號(hào)為雙路互補(bǔ)PWM信號(hào)，如圖4所示，其中放大器的微處理器及附屬電路供電電壓為5 V，伺服閥的驅(qū)動(dòng)電壓為24 V。為減少相互之間強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的干擾，內(nèi)部電路與外部驅(qū)動(dòng)電路之間將采用光電隔離。

根據(jù)伺服閥的機(jī)械特性，驅(qū)動(dòng)峰值電流可以滿(mǎn)足伺服閥的階躍響應(yīng)速度，為了增加功率管的開(kāi)關(guān)速度，可以在PMOS管的柵極放置加速電容，從而提高功率PMOS管的開(kāi)關(guān)速度。由于電磁鐵屬于感性負(fù)載，為了簡(jiǎn)化接線(xiàn)關(guān)系，可以在放大器的電路輸出端配置2個(gè)續(xù)流二極管，從而保護(hù)電路板上的MOS管元器件。

圖 4 放大器的輸出驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.4 Schematic diagram of the driving circuit of the amplifier

2 放大器BIT設(shè)計(jì)

2.1 BIT設(shè)計(jì)思路

如果在電液伺服閥放大器的電路中采用BIT技術(shù)，即可檢測(cè)和隔離電液伺服系統(tǒng)的主要故障，從而有效縮短系統(tǒng)設(shè)備的維修時(shí)間，這對(duì)電液伺服閥系統(tǒng)的維護(hù)而言具有重要意義[10]。

電液伺服閥放大器的BIT設(shè)計(jì)流程主要包括：BIT對(duì)象分析（故障模式分析），BIT功能，BIT流程，BIT軟件/硬件，BIT防虛警等，最后將通過(guò)BIT功能試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)效果。

2.1.1 BIT對(duì)象分析

BIT對(duì)象是電液伺服閥放大器，其故障模式的分析層級(jí)為通道級(jí)，而放大器的通道級(jí)故障模式包括控制信號(hào)輸入/輸出通道、狀態(tài)監(jiān)控通道、關(guān)鍵模塊運(yùn)行狀態(tài)等。為了統(tǒng)籌考慮放大器的故障模式分析與BIT功能的復(fù)雜度，既要確保放大器的主要故障模式可以被測(cè)試到位，又需控制BIT的規(guī)模不能過(guò)于龐大，以免影響測(cè)試的可靠性。

每個(gè)BIT都需要明確測(cè)試對(duì)象的類(lèi)別，針對(duì)與電液伺服閥放大器關(guān)聯(lián)的電信號(hào)，可以直接根據(jù)故障模式分析結(jié)果來(lái)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，而非電類(lèi)信號(hào)則需通過(guò)相關(guān)傳感器信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)電液伺服閥放大器故障模式的分析結(jié)果，影響系統(tǒng)工作的主要故障模式包括4種（表1），其中伺服閥先導(dǎo)閥的閥芯卡滯故障屬于機(jī)械故障，故需通過(guò)測(cè)試閥芯電位器來(lái)進(jìn)行間接測(cè)試。

表 1 伺服閥放大器的故障模式影響分析表Table 1 Analysis table of failure mode effect of the servo-valve amplifier

表1中伺服閥放大器的故障模式將導(dǎo)致電液伺服閥的控制系統(tǒng)失控，因此，在設(shè)計(jì)安全保護(hù)機(jī)制的基礎(chǔ)上，應(yīng)開(kāi)展電液伺服閥放大器電路的BIT設(shè)計(jì)，以確保能迅速檢測(cè)和隔離故障。

2.1.2 BIT功能

電液伺服閥放大器的BIT功能設(shè)計(jì)包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、故障隔離、故障診斷等功能，可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的硬件/軟件結(jié)合測(cè)試電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體定義如下：

1） 狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能：通過(guò)對(duì)電液伺服閥放大器的控制微處理器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保電液伺服閥放大器的正常運(yùn)行。

2） 故障檢測(cè)功能：通過(guò)故障檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電液伺服閥放大器的故障，從而確保電液伺服閥放大器及電液伺服閥控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3） 故障隔離功能：通過(guò)故障隔離可以快速地將故障定位于電液伺服閥放大器通道以及與其相關(guān)聯(lián)的電液伺服閥控制系統(tǒng)通道上，從而有效提高電液伺服閥放大器及電液伺服閥控制系統(tǒng)的維修效率并縮短維修時(shí)間。

4） 故障診斷功能：通過(guò)對(duì)電液伺服閥放大器所采集的通道級(jí)故障信息進(jìn)行診斷，即可確定功能通道執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的過(guò)程，從而提高產(chǎn)品的故障檢測(cè)和隔離能力并降低虛警率。

BIT電路具有專(zhuān)門(mén)的測(cè)試信息微處理器，可以對(duì)電液伺服閥放大器的所有測(cè)試信息進(jìn)行綜合處理，具體實(shí)現(xiàn)方法為：

1） 電液伺服閥放大器雙相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的輸出斷相故障的BIT。首先，采用環(huán)繞BIT技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)PWM輸出電流的信號(hào)狀態(tài)，從而間接判斷是否發(fā)生了斷相故障；然后，經(jīng)故障診斷算法與防虛警濾波算法處理之后，輸出雙相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出完好性的診斷結(jié)果。該診斷結(jié)果作為電液伺服閥控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全而言具有重要意義。

2） 微處理器程序“跑飛”或死機(jī)故障的BIT。采用智能BIT方法，將BIT硬件電路與軟件相結(jié)合，實(shí)時(shí)檢測(cè)與微處理器相連接的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電平信號(hào)。根據(jù)輸出電平即可判斷微處理器是否發(fā)生了“跑飛”或死機(jī)故障，由此完成對(duì)該故障模式的BIT，并輸出功能微處理器的運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果。作為電液伺服閥控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，該診斷結(jié)果對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全而言也具有非常重要的意義。

3） A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)錯(cuò)誤故障的BIT。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器電路的特點(diǎn)，可以采用余度BIT方法，在A/D轉(zhuǎn)換器空余的3個(gè)模擬信號(hào)輸入端施加固定的模擬電壓信號(hào)，并通過(guò)間接測(cè)試方式來(lái)判斷A/D轉(zhuǎn)換電路是否出現(xiàn)了故障。

4） 伺服閥先導(dǎo)閥閥芯卡滯故障的BIT。伺服閥先導(dǎo)閥的閥芯位移模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)所采集的閥芯位移信號(hào)，微處理器通過(guò)診斷算法即可判斷伺服閥閥芯是否出現(xiàn)了卡滯故障。作為電液伺服閥控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，該診斷結(jié)果可以間接反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)測(cè)試性設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則，測(cè)試電路應(yīng)盡量與功能電路隔離[11]，則電液伺服閥放大器電路中的BIT電路可以不依賴(lài)基本功能電路而獨(dú)立工作。同時(shí)，電液伺服閥放大器的基本功能微處理器可以與測(cè)試微處理器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此，BIT電路的測(cè)試信號(hào)采集與測(cè)試信息處理功能都可以集中在測(cè)試微處理器上得以實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 BIT流程

電液伺服閥放大器BIT屬于周期性BIT，由于放大器從電源上電到電源關(guān)閉的整個(gè)過(guò)程中都在不間斷工作，所以BIT微處理器可以周期性獲取每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試信息，經(jīng)診斷算法處理之后，即可獲得故障信息。電液伺服閥放大器的故障檢測(cè)和故障隔離流程分別如圖5和圖6所示。

圖 5 電液伺服閥放大器的故障檢測(cè)流程Fig.5 Flow chart of the fault detect of the electro-hydraulic servo-valve amplifier

圖 6 電液伺服閥放大器的故障隔離流程Fig.6 Flow chart of the fault isolation of the electro-hydraulic servo-valve amplifier

圖5中，出于安全因素考慮，對(duì)于電液伺服閥放大器在運(yùn)行過(guò)程中的周期性故障檢測(cè)，可以采用被動(dòng)檢測(cè)方式。BIT電路不額外向功能電路施加激勵(lì)信號(hào)，而是直接根據(jù)放大器工作產(chǎn)生的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否發(fā)生了故障，同時(shí)進(jìn)行延時(shí)濾波處理以避免虛警。

圖6中，當(dāng)BIT檢測(cè)到通道故障之后，才啟動(dòng)故障隔離程序。電液伺服閥放大器的故障隔離可以分為2種情況：第1種情況是故障檢測(cè)結(jié)果即為隔離，且需隔離到放大器的功能通道級(jí)，例如，A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)錯(cuò)誤故障檢測(cè)與故障隔離，微處理器程序“跑飛”或死機(jī)故障檢測(cè)與隔離；第2種情況是待故障檢測(cè)完成之后才啟動(dòng)故障隔離程序，即故障檢測(cè)和故障隔離屬于2個(gè)過(guò)程，例如，電液伺服閥放大器雙相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的輸出斷相故障檢測(cè)和故障隔離，伺服閥先導(dǎo)閥的閥芯卡滯故障檢測(cè)與故障隔離。

2.2 BIT設(shè)計(jì)方法

2.2.1 BIT軟硬件

電液伺服閥放大器BIT包括專(zhuān)用的BIT硬件電路和軟件程序，其中放大器BIT電路與功能電路之間相互獨(dú)立，所以BIT電路故障不會(huì)影響功能電路的正常運(yùn)行。綜合圖3和圖4即可得到伺服閥放大器的功能電路，該功能電路與BIT電路的綜合電路原理圖如圖7所示。

圖 7 電液伺服閥放大器的BIT電路圖Fig.7 Schematic diagram of BIT of the electro-hydraulic servo-valve amplifier

圖7中，如果PWM功率輸出信號(hào)出現(xiàn)了斷相故障，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D5或D6的Q端輸出電平將立即跳轉(zhuǎn)，由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑⑶袛囹?qū)動(dòng)輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)試微處理器檢測(cè)到Q端電平的轉(zhuǎn)換之后，即可判斷出現(xiàn)了斷相故障，從而啟動(dòng)故障隔離程序，并獲取其他測(cè)點(diǎn)的信息；經(jīng)綜合診斷算法處理之后，即可實(shí)現(xiàn)故障定位，完成故障檢測(cè)與隔離過(guò)程，并發(fā)送故障碼至上位機(jī)。

當(dāng)功能微處理器出現(xiàn)死機(jī)故障時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D7將檢測(cè)到無(wú)“喂狗”脈沖，則其Q端便由高電平翻轉(zhuǎn)至低電平，且微處理器P08出現(xiàn)低電平，然后測(cè)試微處理器即可檢測(cè)到功能微處理器的運(yùn)行故障，并將故障碼發(fā)送至上位機(jī)，隨后硬件邏輯輸出低電平，從而切斷PWM輸出信號(hào)。

A/D芯片第4，5，6通道輸入的固定電壓信號(hào)VCC經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后，經(jīng)由功能微處理器通過(guò)通信總線(xiàn)發(fā)送至測(cè)試微處理器，根據(jù)測(cè)試判據(jù)，測(cè)試微處理器即可判斷通道的完好性，并將故障碼發(fā)送至上位機(jī)。

綜上所述，電液伺服閥放大器BIT通過(guò)硬件電路獲取測(cè)點(diǎn)信息，同時(shí)測(cè)試微處理器程序則采用故障檢測(cè)、防虛警和故障隔離算法，通過(guò)軟硬件即可實(shí)現(xiàn)電液伺服閥放大器的故障檢測(cè)與故障隔離功能。

2.2.2 BIT防虛警

隨著B(niǎo)IT技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，其虛警問(wèn)題也隨之而來(lái)，BIT設(shè)計(jì)的覆蓋率越高，其虛警率也越高。根據(jù)不同功能BIT，電液伺服閥放大器將在BIT軟件中采用不同的防虛警措施，即需要結(jié)合電路功能有針對(duì)性地區(qū)別對(duì)待。對(duì)于電液伺服閥放大器雙相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的輸出斷相故障BIT，可以采用延時(shí)方法和過(guò)濾方法進(jìn)行防虛警處理。對(duì)于微處理器程序“跑飛”或死機(jī)故障BIT，可以采用延時(shí)方法進(jìn)行防虛警處理。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)錯(cuò)誤故障BIT，可以采用確定合理測(cè)試容差和表決相結(jié)合的方法進(jìn)行防虛警處理。對(duì)于伺服閥先導(dǎo)閥的閥芯卡滯故障BIT，則可以采用聯(lián)鎖條件與重疊BIT相結(jié)合的方法。

3 BIT驗(yàn)證試驗(yàn)

圖8所示為電液伺服閥放大器與電液伺服閥試驗(yàn)環(huán)境的互聯(lián)示意圖。為了檢驗(yàn)放大器BIT設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足了BIT功能需求，該電液伺服閥放大器BIT驗(yàn)證的形式為故障注入試驗(yàn)。通過(guò)人工注入故障模式分析的結(jié)果（表1），以檢驗(yàn)放大器BIT設(shè)計(jì)準(zhǔn)確檢測(cè)、隔離故障并向上位機(jī)申報(bào)故障的能力。

圖 8 電液伺服閥放大器BIT的試驗(yàn)環(huán)境示意圖Fig.8 The schematic diagram of test environment for the electrohydraulic servo-valve amplifier

在圖8所示的試驗(yàn)平臺(tái)中，按照表1所列的故障模式，通過(guò)人工注入方式分別對(duì)放大器雙相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的輸出斷相故障、微處理器程序“跑飛”或死機(jī)故障、A/D轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)錯(cuò)誤故障、伺服閥先導(dǎo)閥的閥芯卡滯故障進(jìn)行單故障注入驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)表明，單個(gè)故障注入的故障影響與表1一致，放大器輸出的故障碼與注入的故障模式相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了電液伺服閥控制系統(tǒng)BIT軟件/硬件設(shè)計(jì)的有效性。

表 2 電液伺服閥放大器BIT驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果Table 2 Result of BIT verification test of the electro-hydraulic servo-valve amplifier

4 結(jié) 語(yǔ)

為了研究電液伺服閥放大器的機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)，首先，根據(jù)電液伺服閥放大器的運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)行了BIT對(duì)象分析，確定了4種主要的通道級(jí)故障模式；然后，開(kāi)展電液伺服閥放大器BIT功能分析、故障檢測(cè)流程和故障隔離流程分析，并重點(diǎn)研究了電液伺服閥放大器的BIT設(shè)計(jì)方法（包括BIT軟/硬件實(shí)現(xiàn)方式和BIT防虛警措施）；最后，在電液伺服閥試驗(yàn)平臺(tái)下開(kāi)展了人工注入故障試驗(yàn)，驗(yàn)證了電液伺服閥放大器機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)具備快速準(zhǔn)確地檢測(cè)和隔離故障的能力。本文所提出的電液伺服閥放大器機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法對(duì)于電液伺服閥控制系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。