电液伺服阀自动测试方法的研究

摘要：研究了电液伺服阀自动测试的方法。给出了液压系统的工作原理，介绍了自动测控单元的硬件构成，详细论述了软件设计的核心算法和自动功能的实现。

1 前言

　　电液伺服控制系统在控制领域中占有重要的地位，特别是在大功率、快速、精确的控制系统中起到重要作用。电液伺服阀是其中的主要执行机构。在阀出厂前和维修后进行性能测试是必不可少的环节。传统的测试系统大都由分立的模拟仪表组成，在测试过程中，一般由模拟仪器在纸上记录模拟试验曲线或由试验人员记录试验数据，然后把数据进行手工处理得到性能指标。显然，该方法工作量大、速度慢、效率低、精度差。

　　随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，计算机辅助测试（CAT）技术在液压系统测试中得到了广泛的应用。它具有测试精度高、速度快、性价比高、测试的重复性和可靠性高等优点，有着很好的应用前景。

　　因此，本文基于CAT技术，研究了实现电液伺服阀自动测试的方法。

2 自动测试系统工作原理

　　根据GB/T15623—1995B标准，电液伺服阀的自动测试需要完成静态性能测试（空载特性、压力增益特性、负载特性）和动态性能测试（幅频特性、相频特性），在性能曲线上直接读出性能指标，并可以把曲线保存成可以随时调用的数据文件。液压测试原理和国标相同。

　　自动测试就是利用现代的传感器技术、电子技术和计算机技术，原来由试验人员手工单点测试、读取模拟仪表、记录数据、描绘曲线的过程用自动测试系统迅速地自动连续地对各点进行测试、保存数据文件并自动生成性能曲线，从而得出电液伺服阀的各个性能指标。其中，空载特性、负载特性、动态特性的测试最具代表性。为实现自动测试功能，测试系统在结构上分为测试台液压系统和自动测控单元。
图1 测试台液压系统原理图
　　测试台液压系统结构原理如图1所示。在对电液伺服阀进行不同的特性测试时闸阀的开关状态如表1所示。闸阀采用手动开关阀可以很好地密封液压回路，避免电磁开关阀有时出现行程不到位的缺点，减少测试误差。

　　电液伺服阀8的各个测试点的自动变换由自动测控单元控制，完成空载特性测试和负载特性测试时被测阀开口度变换的自动化过程。

　　为实现系统的自动加载，采用比例溢流阀5做背压阀，自动调节系统负载压力，完成压力增益特性和负载特性测试的自动化过程，克服了手动加载的随机干扰和量化不准确、耗时长等缺点。

表1 闸阀开关状态
　　本系统采用液压缸和位移传感器的方式计算电液伺服阀的工作流量，计算的流量不仅精确，而且克服了大流量流量计误差偏大、有最小流量限制的缺点。静态缸23在限位开关22、24和电磁换向阀21的控制下，在静态性能测试时相当于缸有无限长的行程。对位移传感器25的位移信号进行微分与静态缸23的有效面积的积即得电液伺服阀的工作流量，流量的正负由控制被测阀的电信号的正负决定。

　　动态性能的自动测试采用频域扫频法。动态缸12的工作频率为400Hz，满足被测电液伺服阀的动态性能测试要求。自动测控单元给电液伺服阀0～200Hz的正弦激励信号，根据位移传感器20记录的动态缸的位移规律，从而得出电液伺服阀的动态特性。

2 基于CAT技术的自动测控单元

　　采用“工控机+DA/AD采集卡”及相应的传感、变换电路组成信号发生和采集的典型硬件系统，结合编制的专用软件组成电液伺服阀的自动测控单元。

　　自动测控单元可以自动控制被测阀8和背压阀5的开口度按测试要求减小或增大，并记录保存每个测试点的压力、流量、电流等数据，自动生成性能曲线。

2.1 硬件构成

　　电液伺服阀自动测控单元的硬件采用“传感器+数据采集卡+工控机+电控器”的结构，如图2所示。其中的压力传感器采用压阻式传感器，位移传感器采用差动变压器式传感器。A/D数据采集卡采用研华的PCL-818L，其采样速度每通道可达40kHz，采用差分输入接线法，有8个输入通道，D/A数据采集卡采用研华的PCL-726，可以输出DC±10V，有6个输出通道，输入输出通道的盈余可以用来检测其它液压系统时扩展之用。该测试结构的优点是方便灵活，通用性强。
图3 自动测控程序流程式图
　　图3是实现产生自动控制信号和自动准确采集稳定数据并保存的程序设计流程。U1、U2设定控制液压阀电压信号上、下限，n设定曲线的测试点数。ΔU是自动产生控制电压信号的变化步长，大小由（U1-U2）/n决定。U是控制液压阀的电压信号，按U=U2+iΔU的递增规律自动输出以控制液压阀的测试点变化。q是根据静态缸和位移传感器计算所得的被测阀工作流量。在控制信号U输出后，程序内设定了延时环节，其大小可根据正常液压阀测试点变换时稳定时间来经验设定，一般为2～5s。当系统稳定时，系图3 自动测控程序流程图统能从数据采集卡读取相应的传感器的稳定数据，并自动保存成数据表文件，同时自动生成相应的性能曲线。

　　图4是根据传感器数据自动判断液压系统是否稳定的程序设计流程。判断的依据是流量的变化和程序的运行时间，算法上通过实现。a、b是程序运行的中间变量，t是计时器，n设定判断稳定时对数据进行比较的点数，τ设定判断稳定时程序的最大运行时间，δ设定稳定信号允许的误差，q是静态缸的流量。程序中的延时环节决定了所要判断的n个点的时差性，进一步保证了流量q的稳定性判断。从自动测试系统的实际工作情况来看，若n取10，延时40～60ms效果较好。取值太小，不能准确判断稳定，取值太大，则浪费系统的运行时间。

　　从以上的程序设计核心算法可以看出，该算法通用性强，适用面广，可以用不同的计算机语言来开发电液伺服阀自动测试的软件系统。

3 实验
图4 判断液压系统稳定的程序流程图
　　LabVIEW作为一种比较规范、成熟的图形化编程语言，可以方便地开发出虚拟面板、自动控制信号的产生和实现数据的采集、分析、处理和存储等功能。

　　为了对所作的研究做进一步的验证，作者基于LabVIEW软件平台，按照以上的测试方法，对电液伺服阀自动测试系统做了部分开发。在搭建的简易试验台上用型号为34B-H10/25B电液比例换向阀代替电液伺服阀做了部分性能测试，所测的性能曲线如图5和图6所示。 图5 空载流量曲线 图6 压力流量曲线
4 结论

　　通过实验研究表明，本文所述的电液伺服阀自动测试的方法是完全可行的，开发的系统是稳定的，大大提高了测试精度和测试速度。另外，该方法还可以灵活地应用于其它一些液压元件及系统的自动测试。