三余度电液伺服阀静态特性测试系统研制

刘 雪，陈宇峰

（上海航天控制技术研究所，上海 200233）

0 引言

随着航天技术的高速发展，对火箭的可靠性要求越来越高。为获得满意的可靠性，对余度伺服系统进行了大量研究，研发了多种形式的余度伺服机构，其中三余度伺服控制技术因其卓越性能受到了认可［1］。电液伺服阀是伺服控制系统中将电流控制信号转换成液压功率信号的关键元件，其性能直接影响伺服控制系统的控制精度、稳定性和可靠性，对电液伺服阀特性测试显得至关重要。

电液伺服阀是一种自动控制阀，它既是电液转换元件，又是功率放大元件，其功用是将小功率的模拟电流信号转换为随电流信号大小极性变化且速度响应的大功率液压能（流量或压力）输出，从而实现对液压执行器位移、速度或加速度的控制。不同于单余度电液伺服阀，三余度电液伺服阀是三组力矩马达并联结构，内部有三组控制线圈。在三余度电液伺服阀测试时，三余度模式下，3个线圈同时输入控制电流，3路控制电流需同步独立，同步时差不大于3μs，幅值相同，波形为正弦波、三角波、方波可选，频率在0.05～20Hz范围内可调；双余度模式下，每两个线圈同时输入控制电流；单余度模式下，3个线圈分别输入控制电流，性能测试共有模式7种。在这7种控制状态下，测试系统需同步实时将液压系统输出的流量、压力、泄漏等传感器信号转换为可供计算机采集的电压信号，绘制流量、压力、泄漏特性曲线，根据不同的特性曲线，计算相应试验参数，分析静态特性，最终对阀的性能进行有效判定。

国内现有的伺服阀测试系统只适于测试单线圈伺服阀（即单余度伺服阀），并不满足三余度电液伺服阀的测试需求，因此需研制一套三余度电液伺服阀自动测试系，用于测试三余度电液伺服阀在三余度、双余度和单余度状态下的性能特性，同时还可测试普通单余度或双余度伺服阀，是一种伺服阀通用型的测试系统。为此，本文研制了一种三余度电液伺服阀静态特性测试系统。

1 系统组成与工作流程

1.1 系统组成

系统采用PCI总线工控机＋多功能测试板卡＋虚拟仪器的测试模式，具有测试精度高，功能扩展灵活，结构简单，成本低等优点，是近年研制伺服阀测试系统的首选方案。本测试系统严格遵循QJ 504A—96，QJ 2078A—98标准，可实现电液伺服阀的静态特性测试、磨合试验和寿命试验。静态特性测试主要完成空载流量特性测试、小信号特性测试、分辨率特性测试、压力特性测试，以及内漏特性测试。磨合试验和寿命试验主要考核电液伺服阀的稳定性和可靠性。

测试系统以Labview平台为控制及测试核心，由计算机测试系统、三余度主信号输出模块、信号测量模块和数字功率放大器等组成硬件测试环境，软硬件配合完成电液伺服阀的调试及测试功能。测试系统组成如图1所示。

测试系统各模块主要功能：信号发生器为电液伺服阀测试提供励振信号；数字功率放大器为液压系统提供升压的电流控制信号；三余度主信号输出模块为电液伺服阀测试提供三路同步电流信号；计算机测试系统实现信号发生器，采集数据，控制测试状态；信号测量模块调理液压系统输出流量、压力、泄漏信号后输出给计算机采集，由此形成测试闭环；外接的X－Y记录仪可在计算机测试的同时进行各种特性测试，供数据比对。

1.1.1 计算机测试系统

计算机测试系统是控制及测试核心，主要由PCI总线工控机、多功能测试板卡、显示器、键盘鼠标和打印机等组成［2］。其中：PCI总线工控机采用IPC－610H型工控机，显示器键盘鼠标和打印机为标准配置；多功能测试板卡是计算机测试的核心硬件，采用PCI－6232高精度16位多功能板卡，1块板卡可实现16个通道的数据采集、4个通道的信号输出和4个通道的I／O控制，节省成本，提高编程实现效率。

计算机测试系统的硬件组成如图2所示。计算机测试系统利用Labview强大的信号分析处理功能，通过测试板卡的D／A接口，编程实现虚拟信号发生器，输出波形可选，频率、相位、幅值可调的连续波形；通过测试板卡的A／D接口，采集伺服阀测试过程中的电流、流量、泄漏流量和压力差等特性信号，进行数字滤波、曲线拟合、特性曲线绘制、参数计算，实现其静态特性分析，分析结果以曲线形式显示输出，并形成实验报告。通过测试板卡的I／O接口实现测试状态控制，对测试系统内部的继电器控制，可实现伺服阀的不同余度测试。

图1 测试系统组成Fig.1 Components of testing system

图2 计算机测试系统硬件组成Fig.2 Hardware components of computer testing system

1.1.2 三余度主信号输出模块

三余度主信号输出模块是系统的关键。三余度信号输出模块由双极性稳压源、状态通断模块、状态选择模块、励振幅值调节、峰值幅值调节、加法器、校正回路及和三路压控悬浮负载恒流源模块等组成，如图3所示。与传统单余度伺服阀不同，三余度电液伺服阀共有独立线圈3组，测试时需提供3组同步电流信号，同步信号要求时差不大于3μs，非线性度不大于0.1%。三余度主信号输出模块，不仅要满足时差及非线性度要求，同时需兼顾手动调试和自动测试电液伺服阀的需求。

三余度主信号输出模块的主要功能有：为手动测试伺服阀提供所需的固定值电流信号；为自动测试伺服阀提供连续波形的电流信号；在上述连续波形上叠加正弦波励振电流信号；伺服阀不同余度下测试的状态切换。其工作原理为：通过前面板上的状态选择模块选择测试模式，若选择手动调试，双极性稳压源提供正负对称的电压信号，经恒流源模块转换为电流信号，观察前面板的显示仪表，通过峰值调节模块可调节所需的固定值电流信号；若选择自动测试，计算机测试系统的虚拟信号发生器发出连续的三角波电压信号，经恒流源模块转换为连续的三角波电流信号输出至伺服阀。信号发生器、励振幅值调节和加法器、校正回路在上述三角波信号上叠加正弦波励振信号。

恒流源模块选取体积小、效率高、电流调节范围宽的运算放大器构成的悬浮负载压控恒流源［3］。在恒流源前端，电压信号一分三输出至3个恒流源模块，保证输入恒流源的电压信号完全物理同步，同时恒流源模块中的功率运放选用高精度功率运放OPA544T，其电压转换速率8V／s，电液伺服阀测试使用的最高电流20mA，恒流源的输入电压与输出电流关系为1V输入电压对应10mA输出电流，故恒流源的输入电压最高仅2V，8V／s的电压转换速率保证了输出给三余度电液伺服阀的电流同步。

恒流源模块后端的状态通断模块由内部的继电器和前面板的手动开关并联组成，根据不同的余度测试需求，开启不同开关：测试三余度特性时，开启3个开关，测试双余度特性时，开启2个开关，以此类推。幅值调节，加法器，计算机测试系统等模块的叠加，使恒流源模块产生累积误差，影响输出至电液伺服阀的电流信号的线性度及对称性，为此加入校正回路，消除由众多前置环节对恒流源模块电流线性度及对称性的影响。

1.1.3 信号测量模块

信号测量模块包括主流量测量模块、泄漏流量测量模块和压力差测量模块。因液压系统中的各种传感器输出信号一般较微弱，需经放大、整形及滤波等处理后才能进行数据采集，即测试系统实现传感器二次仪表的功能。

图3 三余度主信号输出模块组成Fig.3 Components of three redundant main signal output module

主流量测量模块由F／V变换、比例调节、零位调节、显示仪表和同相跟随等电路组成，如图4所示。其中：F／V变换电路将流量计输出的频率信号转换为易采集的电压信号，比例调节电路将电压信号与流量信号调节成1∶1比例，电压值可直接反映对应的流量值，本文系统流量测量范围可达0～100L／min。因F／V变换电路、比例调节等电路中使用的电子芯片及放大器芯片均具有毫伏级的零位输出，对后续计算机采集数据对称性的影响较大，因此必须加入零位调节电路以消除影响。比例调节后的电压信号分别接入计算机测试系统、显示仪表和同相跟随电路。接入计算机测试系统的电压信号用于自动测试；显示仪表置于整个测试系统的前面板上，使用高精度的数字显示仪表，方便调试时观察数据；同相跟随电路将流量信号接至X－Y记录仪采集，可在自动测试的同时用X－Y记录仪进行特性测试，供数据比对。泄漏流量测量模块与主流量测量模块功能电路实现形式类似。

图4 主流量测量模块组成Fig.4 Components of main flux testing module

压力差测量模块由I／V变换、减法器、比例调节、有源低通滤波、显示仪表和同相跟随等电路组成，如图5所示。压力传感器的输出信号为4～20mA电流信号，用I／V变换模块将A、B腔压力传感器的输出电流信号转换为电压信号，减法器电路将两电压值作差值后输出，比例调节模块将电压值与压力差信号调节成1∶1比例，电压值可直接反映A、B腔的压力差。因液压系统所用压力传感器的输出电流回路与其供电回路共地，实验过程中较易受干扰，故测量电路中须加入有源滤波环节，截止频率设置为5Hz，这样可有效滤除干扰，保证采集信号的精度。有源低通滤波电路输出的电压信号分别接至计算机测试系统、显示仪表和X－Y记录仪，使自动测试和X－Y记录仪测试可同时进行，方便数据比对。

1.2 系统工作流程

图5 压力差测量模块组成Fig.5 Components of pressure difference testing module

测试系统兼具手动调试和自动测试两种功能，还可满足不同余度电液伺服阀的测试需求，根据测试的不同阶段选择不同的测试方法，其工作流程如图6所示。

图6 测试系统工作流程Fig.6 Working procedure of testing system

2 系统软件设计

本文系统测试软件用Labview8.6语言编写［4］。程序为模块化多循环结构，主要包括用户管理、初始化、测试选择、数据采集、数据处理、错误处理和数据库管理等模块。

系统测试软件界面包括测试软件和用户管理软件两个子界面。测试软件子界面由曲线显示图、操作命令按钮和参数显示表组成。测试开始时，用户根据需要的测试项目（空载流量，小信号，内漏，压力，分辨率，磨合，寿命实验），选择左侧的操作命令按钮，软件会自动进入用户管理软件子界面，操作者填写电液伺服阀型号、编号，并设置测试波形、频率和幅值，根据波形幅值调整X／Y坐标幅值，最后选择电液伺服阀进行何种余度测试，同时需检查右侧列表内电液伺服阀参数是否配置正确。点击确定按钮后，软件会自动返回测试软件界面，软件将实时显示测试的特性曲线，曲线绘制完毕后，相应参数计算结果在下方的表格中显示。若有超差的参数，则用红色突显相应的值。项目测试完成后，用户可打印曲线图和测试结果，也可将测试结果和曲线图保存到用户指定的文件内。

3 关键技术

3.1 三余度测试技术

三余度信号输出模块是三余度伺服阀测试实现的关键。在三路恒流源前端，将电压信号一分三输出至3个恒流源模块，保证输入恒流源的电压信号在物理上完全同步，同时恒流源模块中的功率运放选用转换速率达8V／s的高速模块，保证了输出至三余度电液伺服阀的电流同步性。恒流源模块后端的状态通断模块由内部的继电器和前面板的手动开关并联组成，根据不同的余度测试需求，开启不同开关，测试三余度特性时，开启三3个开关，测试双余度特性时，开启2个开关，以此类推。由此该测试系统可满足三余度、双余度和单余度伺服阀的测试需求。

3.2 模块化的软硬件设计

系统的软件和硬件采用模块化设计，为不同功能需求设计单独的模块，如三余度主信号输出模块、流量测量模块、泄漏流量测量模块、压力差测量模块，系统用供电模块等均单独设计成不同的电路板卡，若试验中出现异常，可及时更换备份硬件。若系统需求改变，只需对涉及的模块进行适应性更改而不影响其他板卡，整个系统的架构不会改变，便于系统升级。

测试软件采用Labview特有的模块化多循环编程架构，多循环的模式分3个线程。线程1中，程序首先执行用户管理模块，管理用户的权限，管理员为最高权限，可删除和添加用户，可改程序运行参数，然后程序依次往下执行，直至退出程序。线程2中，程序运行数据库模块，管理各操作的数据记录，读取数据库。线程3中，程序运行错误管理，模块管理线程1中各模块的错误，如发生错误，程序就退出，并记录错误。多循环应用程序框架将多个单循环设计模式、消息机制、工具和控制集成到一个应用程序框架中，按测试需求设计不同的软件模块，具有较强的可维护性、可移植性、可扩展性，利于系统日后的升级。

3.3 手动和自动结合测试技术

因调试伺服阀的特殊性，测试人员不方便在调试的同时操作计算机键盘和点击鼠标。为提高伺服阀测试人员的调试效率，本系统在计算机自动测试的基础上，加入了多个手动调试模块，测量模块和部分高精度数字显示仪表置于系统的前面板，供调试时信号输出和数据观察，便于调试人员使用，系统的可操作性强。

4 结束语

本文介绍了研制的一种三余度电液伺服阀静态特性测试系统。该测试系统在基于Labview平台的计算机测试系统上，外围配合高精度的恒流输出模块，信号测量模块等，实现三余度电液伺服阀在三余度状态，双余度状态和单余度状态下的性能测试，同时可单独测试双余度伺服阀和单余度伺服阀。与传统伺服阀测试系统相比，该系统具有通用性。采用了模块化的软硬件设计，使系统扩展灵活，手动和自动结合的测试模式便于测试人员使用。实际试验结果表明：本文设计的三余度电液伺服阀静态测试系统满足三余度电液伺服阀的静态特性测试需求，电流输入精度可达±0.01mA，非线性度＜1%。流量测量相对误差＜1%。压力测量范围可达约21MPa，压力差测量相对误差＜1%。

［1］ 曾广商，沈卫国，石 立，等.高可靠三冗余伺服机构系统［J］.航天控制，2005，23（1）：35－40.

［2］ 张坤发.电液伺服阀动静态性能计算机辅助测试系统的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

［3］ 秦 玲.基于功率运算放大器的恒流源技术研究［D］.北京：中国工程物理研究院，2007.

［4］ 杨乐平，李海涛.LabVIEW高级程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2003.