数字滤波技术在伺服阀测试信号采集中的应用

孙 诚金善益王 伟/

1. 上海交通大学，2. 上海市计量测试技术研究院，3. 沃尔沃汽车技术（上海）有限公司

数字滤波技术在伺服阀测试信号采集中的应用

孙 诚1金善益2王 伟3/

1. 上海交通大学，2. 上海市计量测试技术研究院，3. 沃尔沃汽车技术（上海）有限公司

通过对伺服阀及其测试的简单介绍，引出了实际应用中所遇到的一些问题。然后通过对数字滤波技术的几种常用方法分析，了解各自的优缺点及应用场合。最后再通过实例来展示数字滤波技术在解决实际问题中所达到的高精度，高可靠性以及低成本的效果。

数字滤波；液压伺服阀；测试台；虚拟仪器

0 引言

近年来，随着液压伺服以及运动控制领域相关技术的飞速发展，工业应用中对于高精度、高可靠性、高响应特性的液压伺服阀的需求也变得越来越迫切。

由于液压伺服阀具有小尺寸、高集成度的结构，以及其成品极高的装配精度要求，故对它零部件的加工工艺提出了近乎苛刻的要求。即使是现行的加工工艺，仍然无法保证所加工出来的零部件装配的伺服阀性能能够一次性达到设计的要求。因此伺服阀质量保障的最后一道关卡，检测与调试则成了整个生产过程中最重要的一个环节。

随着计算机技术的不断发展，传统的模拟控制器为核心的液压测试台也逐渐向着更先进、集成度更高的计算机辅助测试平台进行升级。在这个过程中，也遇到了一系列的困难和挑战，特别是在测试信号的采集与分析方面。本文研究在伺服阀测试过程中，如何利用数字滤波技术对测量所采集到的压力或流量等模拟电信号进行处理，并比较了几种不同处理方式所得到的结果差异性。

1 伺服阀的测试方法

为了确认最终装配完成的伺服阀能满足最初设计的要求，需要使用伺服阀测试台来完成一系列的测试项目并绘制出相应的曲线。测试台本身是一个主要用于检验与测试伺服阀的零部件及装配是否达到最终的性能设计指标的一个工作台，主要工作原理就是通过给定伺服阀一个信号，然后观察输出的液压流量、压力或者是动态曲线是否满足预期要求。

1.1 测试原理

传统的测试台主要是由四大部分所构成，分别是液压回路及各式控制阀来控制液压回路；电气控制器来控制伺服阀的输入信号及整个回路比例阀的供给压力；各式温度、压力、流量传感器来记录伺服阀动作后的输出情况；通过X-Y记录仪绘制最终曲线图。

随着计算机技术的不断发展，测试台本身在软硬件方面也有了长足的进步，而且新型测试台都在向着数字化、多功能集中控制发展。图1是目前常见的新型伺服阀测试台的测试原理图。

在图1中，左边框图中的液压测试台模块、传感器模块以及控制执行器都和传统的液压测试台保持完全一致。

右边框图中工控机及其右侧的输入输出设备就相当于传统的模拟信号控制器及X-Y绘图仪，这些传统元器件已被工控机、高度集中化的数字控制器、电脑显示屏及打印机输出等替代了。

剩下中间的那一部分正是新型液压测试台对比传统系统最大的不同之处，对于全数字化控制与记录的新型液压测试台来说，所有的测试及控制信号都需要进行数字量与模拟量之间的转换（模-数或者数-模转换）这一个步骤才能最终输入到工控机或是输出到液压测试台上去，而传统的测试台则不需要这一步。

图1 新型伺服阀测试台测试原理图

1.2 主要的测试要求

对于一般的液压伺服阀来说，主要的测试内容为它的静态特性（包括压力、流量、内泄漏等常规指标）以及动态性能（包括幅频及相位特性）两方面。

1.2.1 静态特性的测量

1）由于伺服阀的控制电流非常小，因此其测量准确度要求会达到毫安级甚至更小才能在绘制出的曲线上进行读数分析。此时的干扰或噪声信号往往对结果的影响十分明显，甚至会严重影响到读数的准确性。

2）不同的伺服阀，由于最终应用的领域不同，因此流量的测量区间会在升到上百升的大跨度之间进行变动。这时，对于传统的测试台来说需要准备两套（或以上）回路甚至测试台分别进行测试。

3）由于需要同时处理兆帕级压力及温度等数据，势必造成每个测试台都需要多套模拟滤波回路来处理这些信号，成本较高。

1.2.2 动态性能的测量

1）测试台或额外的硬件本身的频率响应特性是否会影响到最终测试曲线的幅频和相位测试。

2）滤波回路可处理的频率范围是否够大，或者在不同频率的伺服阀测试时，这个频率范围是否可调显得尤为重要。

2 数字滤波技术

2.1 技术分类

目前主要被应用在信号滤波上有以下两类不同的技术。

第一类，主要还是以模拟信号滤波技术为基础，新旧测试台都有应用。对于传统测试台，信号主要是通过传统的模拟量放大器及滤波器回路进行处理，整个回路都以模拟量进行信号的传递与处理。而对于新型的数字化测试台，如果使用这种方案，则仅仅是在中央控制计算机的输入和输出两侧增加了模拟量-数字量和数字量-模拟量的转换，其他的硬件回路仍可以沿用传统测试台的方案。此方案的好处是可以最大限度地利用现有的测试台硬件设施，实质仍以模拟信号滤波技术为基础，没有任何改变。

另一种数字化测试台的方案，则是一种区别于以上两种应用的全新手段。先通过模拟量-数字量的转换，将得到的原始数字信号输入到控制计算机，然后再通过软件的编程运算对信号进一步处理，最后再进行计算与系统控制。

此方案最大的好处在于：测量的准确度较高，应用的灵活性极强，成本较低，可处理的频率范围大，可靠性高。

由此可见，数字滤波技术基本上可以解决上面涉及的大部分问题。目的是为了通过对采集的数据进行一定的运算来滤除其中的噪声或者说某一频段的信号，其计算方程式可以表达为

式中：an、bn— 常数，是用来确定滤波器特性的；

N— 数字滤波器在任意一个时刻的采样点个数

式（1）经过Z变换，可得到数字滤波器的传递函数为

2.2 几种常用的数字滤波技术

2.2.1 对信号死区的处理

在一些实际的工况中，由于信号并不如理想状态那么稳定，会在某一个较小的区间内不断来回波动，这就导致所采集到的数字信号的最后一位尾数不停地跳动，从而难以进行稳定的读数。此时，可以采取比较简单的方法来稳定，如将采集到的数据在程序中经过除以10，然后取整除去波动项。或根据实际测量准确度的需要，进行一定倍数的取整。

2.2.2 幅值滤波法

在某些情况下，由于开关的瞬间吸合，或者是附近大型设备的启停等，很容易在检测到的相对平滑的信号中引入一个突变的毛刺噪声。针对这种毛刺信号最简单的处理就是利用斜率的比较，筛选出此信号，并去除。整个运算法则为

去除此数据点xn，令xn=xn-1。

否则，将xn取做一个数据点，然后再进行下一个数据点的判断。

此法的优点是很容易筛选去除突变信号。但它对于所取数据窗口（第m到n个数据）的选择要求较高，缺点是假设了所有的突变信号均为干扰，同时也很难筛选出周期性噪声信号。所以选用的时候也要根据具体场合来确定。

2.2.3 取中值法

这个方法是将连续采集到的一串数字信号值（一般为奇数n个数据），然后按照从小到大的顺序排列，取其中的中位数为这一小段数据的值。

这种算法的优点是可以有效地防止突发性的脉冲干扰数据点混入系统，但n的取值十分关键，如果取值太小，可能起不到作用；而取值过大的话有可能导致数据量过小，采集到的曲线不够平滑以及可能数据处理时间较长等问题。因此还是需要根据经验和实际情况不断调整，并且这种滤波方法不适用于变化较快的参数。

2.2.4 算术平均法

这种方法的优点在于可以有效地去除周期性的干扰信号，并且对于一般的随机噪声的作用也较显著。同时运算量也较小，运算也较简单，因此算术平均值法可以算是最简单高效的数字滤波手段之一。2.2.5 LabVIEW自带滤波器

除了以上介绍的这些数字滤波方法以外，现在一些计算机软件中往往也自带了一些常用的成熟滤波算法。

如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等；也可以分为FIR数字滤波器、IIR数字滤波器等。

这些滤波器在实际的使用中，只需要简单设定一些滤波的实际参数，便能够很方便地应用这些成熟的滤波技术来处理信号了。

3 测试中的实际应用与对比

举一个实例来说明数字滤波技术在实际数据采集及处理中所达到的效果。

选用基于LabVIEW软硬件平台所搭建的伺服阀测试系统进行测试，先不做任何处理，直接将采样到的数字信号绘制成曲线，如图2所示。

此曲线为液压伺服阀的输入控制电流与输出流量的曲线图，它的数据采样周期设定为50 Hz。在这个例子中选用了从-4～4 mA的电流信号来控制伺服阀的线圈，进行一个循环的电流变化的同时去检测每一时刻的流量值得到了这一条曲线。但是和图3的理论曲线对比后，可以很明显地发现，此曲线上的干扰较为严重，同时由于信号曲线相互重合导致已经无法区分出实际曲线的滞环大小，将给最终读数带来了巨大的困难。

进一步分析图2，由于流量曲线理论上不存在突变信号，因此不需要使用幅值滤波法去毛刺，而将滤波的重点放在去除随机干扰。同时由于整个流量曲线的变化速度较快，因此不适用于取中值法去干扰，可首选算术平均法。

图2 伺服阀流量曲线

图3 伺服阀流量理论曲线

接着，使用算术平均法进行再次测试。并且在软件中经过几次不同的尝试，最终获得当连续取值点的个数m取值为12时，可以得到一条较为理想的曲线，如图4所示，同时工控机的计算负荷也在合理的范围内。

此曲线已经与理想曲线较为接近了，只是整体上还是带有些微小的干扰。这时候如果进一步增大平均法m的取值的话，虽然能够使曲线更平滑，但将大大增加工控机的计算负荷，同时优化的效果也不会特别明显了。

为了得到更平滑的曲线，选用了均值滤波法的同时还叠加了LabVIEW中自带的低通滤波器模块进行进一步的滤波处理。由于系统的采样频率设定在50 Hz，根据经验，将截止频率设置在100 Hz。并且经过多次尝试，发现选择有限长冲激响应（FIR）滤波器并设定抽头数为35头时能得到较好的波形曲线。

由此，最终绘制得到经过数字滤波处理的曲线如图5所示。

可以看到，整个曲线已经相当平滑，相关的零位及滞环已经可以很方便地从曲线图上进行直接读数以及后期的数据处理与分析。并且和最初采集到的数据曲线图2相比，已经达到了很好的滤波效果。

图4 伺服阀流量曲线

图5 伺服阀流量曲线

4 结语

数字滤波技术可以说是未来在信号处理上的一个发展方向，并且随着越来越多测量检测仪器仪表的数字化，数字滤波技术的优势将会越来越明显，应用的领域也将越来越广泛。

[1] Gabriela Peretti，Eduardo Romero，Carlos Marques. Testing digital low-pass filters using oscillation-based test[J]. Microprocessors and Microsystems. 2008, 32(1)：1-9.

[2] Peretti G，Romero E，Marques C. Oscillation-based test in digital shapers[J]. International Journal of Electronics，2007，94(6/8)：771-791.

[3] Alain Sapin，Peter K. Steimer, Jean-Jacques Simond. Modeling, Simulation, and Test of a Three-Level Voltage-Source Inverter With Output[J]. IEEE Transactions on Industry Applications. 2007, 43(2)：469-475.

[4] Sekiya A，Tanaka M，Akahori A，Fujimaki A，Hayakawa H. Demonstration of decimation filter and high-speed testing of a component of the filter[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2003，13(2)： 579-582.

[5] 何岭松，杨叔子. 包络检波的数字滤波算法[J]. 振动工程学报，1997，10(03)：362-367.

Application of digital fi lter technology in servo valve test signal acquisition

Sun Cheng1，Jin Shanyi2， Wang Wei3
（1.Shanghai Jiao Tong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology；3.VOLVO CAR CHINA）

With the development of testing technology of servo valve, we have seen higher demands for the accuracy of testing signal. First, by doing a simple introduction to the servo valve and its test this thesis raises some problems encountered in the practical application. And then through the analysis of several common methods of digital filtering technology, we have a good understanding of the respective advantages and disadvantages and where the applications should be properly used. Finally, to display the digital filtering technology achieved in solving practical problems in high precision, high reliability and low cost after having series of testing of applications.

digital filter；hydraulic servo valve；test stand；visual instrument