基于Labview平台车载电磁阀自动测试系统的设计与实现

摘要：介绍了汽车变速箱用电磁阀自动测试系统的工作原理和系统组成，分析流量电磁阀和压力电磁阀的静态、动态和闭环测试方法，引入模块化设计细想，对系统硬件和软件进行模块化设计，开发了集传感器技术，计算机软硬件技术和虚拟仪器技术于一体的自动测试系统。试验结果证明，该测试平台功能齐全、通用性好、测试精度高、扩展和维护方便。

引言

　　汽车产业一直被列为国家的支柱产业。近年来，国内汽车产业发展迅猛，至2009年已突破年产1000万量的大关。汽车变速箱电磁阀为汽车自动变速箱或手自一体变速箱液压执行装置中的关键部件，其作用是根据发动机和底盘传动系统的负载状况，对油泵输出到各执行机构的油压加以控制，以控制各离合器和制动器的结合与分离实现自动换档。

　　电磁阀综合特性测试的测试项目多，测试系统复杂且要求高可靠性和柔性。国际上有较为先进的电磁阀检测设备，可实现对各种型号电磁阀的高精度和高效率自动测试。不足之处是这类检测设备的价格昂贵且设备供应周期和后期维护都较困难^[1]。基于实际汽车变速箱电磁阀测试需要，研制一种基于虚拟仪器技术的电磁阀自动测试系统，本系统以Labview平台为测试核心，采用模块化的软硬件设计模式，提高测试系统的开发效率，增强系统的可扩展性，大大降低实验成本，从而加快电磁阀测试系统的研制开发速度，是未来电磁阀测试系统的发展趋势^[2-3]。

1 系统组成和工作原理

　　电磁阀自动测试系统可完成汽车变速箱流量电磁阀和压力电磁阀两种类型电磁阀多个试验项目的测试工作，测试系统以Labview平台为控制及测试核心，由计算机测试系统，静/动态特性测试模块，闭环特性测试模块，传感器信号测试模块组成，在软硬件配合下完成电磁阀静态，动态和闭环特性测试功能。

　　计算机测试系统利用Labview强大的信号分析处理功能，实现虚拟信号发生器、信号采集、数字滤波、曲线拟合、参数计算、在静/动态特性测试模块、闭环特性测试模块、传感器信号特性测试模块等硬件的配合下，实现流量电磁阀、压力电磁阀的静态特性、动态特性和闭环特性分析，分析结果以曲线形式显示输出，并根据需要实现试验数据的保存，打印及报表输出。图1是测试系统功能结构图。

2 静/动态特性测试模块设计

　　在静态和动态测试中，液压油经过液压泵加压后，再经流量传感器或压力传感器流入到电磁阀，油液从电磁阀的出口经过压力传感器最后回到油源。

　　静态特性测试时，计算机系统虚拟信号发生器输出三角波信号，经恒流源模块输出给电磁阀线圈，驱动电磁阀工作。进行动态特性测试时，计算机测试系统输出方波信号，经恒流源模块输出给电磁阀线圈。电流信号测试模块将阀线圈电流信号调理成对应比例的电压信号后，输出给计算机测试系统采集。流量信号测试模块负责流量阀测试，在进行流量电磁阀测试时，流量信号测试模块将液压系统中的流量传感器输出信号调理成等比例流量信号后，输出给计算机测试系统采集。同样地，压差信号测试模块负责压力阀测试，测试时，压差信号测试模块将A、B腔压力传感器输出信号调理成等比例压力差信号后，输出给计算机测试系统采集。图2是静/动态特性测试功能结构图。下面对各主要模块做详细介绍。

　　恒流源模块是静/动态测试的关键，本文选取了体积小、效率高，电流调节范围宽的集成电路恒流源为电磁阀提供恒定电流^[4]，其主要元件是功率运算放大器，功率运算放大器是集成运算放大器的一种，一般的集成运放输出电流较小，难以提供大功率驱动阻抗大于3Ω的负载。功率运放特指能够输出大功率驱动负载的运放。文中选用MSK公司的军级MSK541B功率运算放大器构成悬浮负载恒流源，图3是悬浮负载恒流源电路图。其输出电流最高可达10A，远超过系统测试的最高要求。

　　流量和压力电磁阀静态测试时，均需三角波信号，所以对恒流源模块的线性度要求较高，图4是恒流源模块线性度测试曲线，由图4可知，恒流源电流输出能力在5A以上，电路能够保持非常好的线性度，非线性误差<1‰，远高于测试需求。

　　流量信号测试模块由“F/V变换”+“比例调节”+“零位调节”+“显示仪表”+“同相跟随”组成，首先用F/V变换电路将流量计输出的频率信号转换成易于采集的电压信号，比例调节电路将电压信号与流量信号调节成1：1比例，那么电压值就可以直接反应对应的流量值，本系统流量测量范围可达0~100L/min。显示仪表采用高精度数字显示仪表，放置于整个系统的前面板，方便调试时数据观察。

　　压差信号测试模块由 两个“I/V变换” + “减法器”+ “比例调节”+“低通滤波”+“显示仪表”+“同相跟随”组成。压力传感器的输出信号为(4-20)mA电流信号，首先用I/V变换模块将A腔和B腔压力传感器的输出信号转换成电压信号，减法器电路将两电压值做差值后输出，比例调节模块将电压值与压力差信号调节成1：1比例，那么电压值就可以直接反应AB腔的压力差值。因液压系统中压力传感器的输出电流回路与其供电回路共地，更易受到干扰，所以必须加入有源滤波环节，截止频率设置为5Hz，这样可有效滤除各种干扰，保证采集信号的精度。

3 闭环特性测试模块设计

　　闭环测试时，计算机测试系统虚拟信号发生器输出偏置的三角波信号Vrp，同时采集位移传感器输出信号Vsp，闭环信号调理模块首先将两信号接入减法器电路，对两信号做差得 ，再对信号进行K倍(K值可调)放大，然后对放大后的电压信号进行反向，再叠加一个2V电压，闭环信号调理模块将两电压信号调理成 后输出，但此时的信号是无功率的电压信号，无法驱动电磁阀线圈工作，恒压驱动电路将调理后的电压信号进行功率放大后，输出给电磁阀线圈。图5是闭环特性测试功能结构图。

　　传统的电流测试电路采用在负载回路串接采样电阻，测量采样电阻两端电压换算成回路中的电流值，因阀线圈为感性元件，若在其回路中串入采样电阻，将影响整个回路的时间响应，霍尔传感器模块(LEM模块)很好的解决了这个问题。

　　LEM模块由原边导体、集磁环、付边线圈和放大电路等组成。它的原理是基于霍尔效应，是模块化的有源电流传感器，它把普通互感器与霍尔元件、电子线路有机地结合起来，充分发挥了普通互感测量范围宽的长处和电子线路反应速度快的优势^[5]，同时传感器电路由于与被测电路是隔离的，因此LEM模块的接入对被测电路的影响可以忽略不计。

4 软件设计

　　测试软件采用Labview8.6编写^[6]，为提高测试系统的灵活性和通用性，程序采用模块化的设计模式，将测试系统按功能划分为数个模块：初始化模块、测试选择模块、数据处理模块、后期处理模块。其中初始化模块主要完成系统测控板卡参数配置;测试选择模块主要完成流量阀和压力阀静态测试、动态测试和闭环测试，为每一种测试设计一个子界面，方便用户在前面板进行选择;数据处理模块主要完成信号发生器，数据采集和数据处理功能;后期处理模块主要完成测试数据的保存、打印和报表输出功能。图6是系统软件结构框图。

　　计算机测试系统利用Labview强大的信号分析处理功能^[2]，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，采集电磁阀测试过程中的线圈电流、流量和压力等特性信号，进行数字滤波、曲线拟合、特性曲线绘制、参数计算，实现其特性分析。

　　本测试系统中，测试软件编程主要包括激励信号的产生、实验数据的采集、数据的分析及处理、绘图输出、数字滤波、曲线拟合等几部分功能组成。下面介绍系统中包含的几种关键软件的程序设计。

4.1 信号的采集

　　在电液电磁阀静态试验中，要对电磁阀的电流，压力和流量等参数进行采集，因此数据采集是测试软件编程的重要部分。本系统的数据采集主要是对模拟信号的采集，图7是信号采集程序框图。

4.2 数字滤波

　　测试系统中数据采集系统所工作的现场，有很多干扰信号，有时幅度很大，这些干扰信号影响到到测量精度和测量的可靠性，必须将它滤除。大部分数据采集系统会不同程度受到电源线等50Hz的噪声干扰，大多数信号调理设备都包含低通滤波器，能最大限度地消除50Hz或60Hz的噪声。

　　设h(n)，n=0，1，2，…是滤波器的冲击响应。一个线性时不变滤波器若对n≥N(N为正整数)，有h(n)=0，则称其为有限冲击响应滤波器(FIR)，否则称之为无限冲击滤波器(ⅡR)。有限冲击响应滤波器总是稳定的，设计方法较多，但是效率不高，定义困难。ⅡR滤波器的设计源于传统的模拟滤波器设计，可以通过对低通模拟滤波器进行模拟频率变换得到ⅡR滤波器。通常ⅡR滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器、贝塞尔滤波器等。

　　巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应，在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零，在截断频率处有3 dB衰减，高阶巴特沃斯滤波器的频率响应近似于理想低通滤波器。本系统中采用的是巴特沃斯低通滤波器，图8是巴特沃斯低通滤波器程序框图。

4.3 曲线拟合

　　电磁阀的很多测试项目需要计算特性参数，由于实际误差的存在，计算机采集的数据往往不是理论函数的表达，这就需要将测试的数据进行数值处理，使得绘制曲线以吻合平滑曲线，从而准确求取特性参数。以电磁阀零偏参数的计算方法为例，首先介绍名义流量曲线的概念，名义流量曲线是流量回线的中点轨迹。零偏是名义流量曲线与零流量轴线交点的电流值。本系统中零偏的程序实现是：首先对计算机采集的流量数据和电流数据进行分段插值，利用插值函数求取名义流量曲线，但是此时得取的只是名义流量曲线上一些离散的数据点，并无法计算出此名义流量曲线与零流量轴线交点的电流值，利用Labview曲线拟合程序中的基于最小绝对残差的直线拟合方法拟合出名义流量曲线，进而求取此曲线与零流量轴线交点的电流值，即零偏值。图9是曲线拟合程序框图。

5 测试结果分析

　　图10是某一型号汽车变速箱流量阀静态测试和闭环测试曲线图，最后输出的报表图形将加入计算的参数值，并根据预先设定的范围给出合格与否的判定结果。图10中流量-电流测试曲线中的虚线为预先设定的曲线界定范围，可使用户一目了然的对曲线做出整体判断。从图10中可以看到本文设计的电磁阀自动测试系统，在测试精度，测量方式上都满足实际要求，并得到了良好的应用。

6 结论

　　本文所述的电磁阀自动测试平台，采用模块化设计的方法对硬件和软件进行设计，实现汽车变速箱用流量、压力电磁阀的静态特性测试，动态特性测试和闭环特性测试。模块化的软硬件设计方式，根据不同的测试需求设计相应的软件模块和硬件模块，方便日后系统的扩展，缩短研发周期，对于同类型电磁阀测试系统的研制具有很好的借鉴价值。该系统至今投入使用一年多，参与多套电磁阀的测试任务，收到了良好的效果。

参考文献：

　　[1]郭北涛,柳洪义,曹阳,罗忠,王菲.基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统[J].仪器仪表学报,2010,31(2):293-297

　　[2]王永华,刘霞丽,江豪.基于LabVIEW的电磁阀动态响应特性测试系统[J].仪器仪表装置,2011(3):16-19

　　[3]张冬明,陶国良.基于模块化气动元件性能测试平台开发[J].液压与气动,2010(10):78-80

　　[4]秦玲.基于功率运算放大器的恒流源技术研究[D].中国工程物理研究院硕士论文,2007

　　[5]谢珺耀,于海波.LEM电流传感器的应用探讨[J].电子工业专用设备,2010,(180):50-54

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