王偉吉 吳海鋒 趙進剛

1海軍裝備部艦船辦公室，北京100071 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

船用比例電磁鐵動態(tài)性能自動測試系統(tǒng)研究

王偉吉1吳海鋒2趙進剛1

1海軍裝備部艦船辦公室，北京100071 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

為了對船用比例電磁鐵的改進研究提供試驗數(shù)據(jù)支持，解決測試初始位置手動定位效率低且精度不高的問題，提高電磁鐵動態(tài)性能測試的精度和效率，研究了一套自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精度力傳感器及電流傳感器，通過可編程控制器（PLC）采集力傳感器信號數(shù)據(jù)，閉環(huán)反饋控制步進電機，實現(xiàn)比例電磁鐵的測試位置程控定位，消除手動初始定位不準(zhǔn)對測試精度造成的影響。自動數(shù)據(jù)采集和動態(tài)性能曲線自動生成、計算、分析功能的實現(xiàn)提高了測試的效率。

船用比例電磁鐵；階躍響應(yīng)；頻率響應(yīng)；PLC；PID

1 引言

比例電磁鐵是一種將比例放大器的輸出電流轉(zhuǎn)變成輸出力或位移的電氣—機械執(zhí)行器。船用比例電磁鐵就是其中的一種，被廣泛應(yīng)用于船舶電液控統(tǒng)制系中，其動態(tài)響應(yīng)性能和可靠性對船舶控制系統(tǒng)的安全性及生命力有著重大的影響［1］。因此，如何合理地設(shè)計其測試系統(tǒng)，解決以往測試初始位置手動定位效率低和精度不高的問題，提高測試的自動化程度及準(zhǔn)確度，具有較好的工程實踐意義。本文即依照相關(guān)的船用比例電磁鐵測試標(biāo)準(zhǔn)，探討其動態(tài)性能的有效測試方法［2］。

2 測試系統(tǒng)方案

根據(jù)“船用比例電磁鐵”（CB3403－91）國家標(biāo)準(zhǔn)，船用比例電磁鐵的動態(tài)性能測試項目有階躍響應(yīng)特性及頻率響應(yīng)特性，需要計算的性能參數(shù)有上升時間、幅頻寬及相頻寬等［3］。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案原理圖Fig.1 Diagram of system

被測船用比例電磁鐵放大板的輸入信號為0～7.5 V電壓信號，行程2.5 mm。測控系統(tǒng)由上位機 （工控機）數(shù)據(jù)采集處理模塊和下位機PLC自動控制模塊組成。上位機數(shù)據(jù)采集處理模塊通過數(shù)據(jù)采集卡高速采集高精度力傳感器及電流傳感器的測量值，并通過RS232串口與下位機PLC通信，向PLC發(fā)出控制指令及接受PLC的反饋指令信息［4－5］。然后由上位機測試軟件對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，繪制所需的相關(guān)性能曲線，計算出相應(yīng)的性能指標(biāo)［6］。下位機自動控制模塊主要由PLC主模塊、模擬量輸入輸出模塊、電機控制脈沖發(fā)生模塊、步進電機及其驅(qū)動器組成。PLC采集力傳感器信號數(shù)據(jù)，閉環(huán)反饋控制步進電機，推動比例電磁鐵在導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)上運動，并最終將其定位于測試初始位置處［7］。

3 測試方法及實現(xiàn)

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)，動態(tài)性能測試開始前，須對電磁鐵進行位置初始化，將其定位于電磁鐵行程中位，以便較準(zhǔn)確全面地反映其動態(tài)性能。

由于力型比例電磁鐵失電狀態(tài)下推桿處于最大伸出位移處，因此，調(diào)零只能在最大伸出位移處進行。為保證精確調(diào)零，采用加電調(diào)零方式。中位調(diào)零分為零位調(diào)零和中位行程行走兩步，即首先將電磁鐵推桿調(diào)整至零位 （推桿與力傳感器剛接觸的位置），步進電機再推動電磁鐵行走一半的行程，最終將推桿定位行程中位。零位調(diào)零流程如圖2所示。

圖2 比例電磁鐵零位調(diào)零流程圖Fig.2 Flow chart of zero position adjustment of proportional solenoid

調(diào)零開始時，上位機（工控機）通過RS232串口向下位機PLC發(fā)出測試調(diào)零命令，PLC調(diào)零定位程序開始運行。通信采用計算機鏈接專用協(xié)議，傳輸速率為9 600 b／s，半雙工傳輸［8］。研華PCI－1712高精度數(shù)據(jù)采集卡輸出比例電磁鐵的模擬控制信號，PLC的模擬量輸入模塊FX2N－4AD采集力傳感器的反饋數(shù)據(jù) （0～5 V），PLC主模塊中將反饋數(shù)據(jù)與給定目標(biāo)值的偏差送到PID環(huán)節(jié)中，計算出當(dāng)前控制步進電機所需的運行速度，最終將推桿定位于與力傳感器剛接觸的零位位置。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)達到所要求的控制精度，測試中發(fā)現(xiàn)，P＝2.5時定位效果較好。

零位調(diào)零時，由于被測船用比例電磁鐵推桿在常態(tài)（不通電）下是處于最大伸出位置，由于現(xiàn)場干擾的波動，空載時力傳感器的測量值經(jīng)常處于波動狀態(tài)。為保證調(diào)零精度不受干擾波動的影響，取調(diào)零目標(biāo)值為調(diào)零開始時的力傳感器數(shù)值加上一固定偏置值，此處取10 mV（即0.24 N）。由于比例電磁鐵中位附近各位置都能較好地反映其動態(tài)特性，因而此初始偏置力不會對系統(tǒng)測試精度造成誤差。

調(diào)零開始前，推桿與力傳感器應(yīng)脫離接觸。PLC首先使電機以恒定速度前進，然后待推桿與力傳感器接觸時，反饋調(diào)零控制開始起作用。在調(diào)零過程中也可以中斷調(diào)零，即令步進電機停止，上下位機的調(diào)零程序復(fù)位。

測試初始位置調(diào)整后，即可進行性能測試。為保證采集準(zhǔn)確而真實的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用研華PCI－1712高速模擬量輸入采集方式，12位A／D轉(zhuǎn)換器，總線主控DMA（master bus DMA）傳輸。采集時采樣數(shù)據(jù)以半緩存單位向工控機傳輸，即采樣緩存數(shù)據(jù)達到半滿后即被傳送至工控機［9］。

圖3 比例電磁鐵調(diào)零控制原理框圖Fig.3 Diagram of zero position adjustment of proportional solenoid

階躍響應(yīng)特性測試：比例放大板的輸入信號為0～7.5 V的階躍信號，測試結(jié)果如圖4所示。測得上升時間為0.025 6 s，瞬態(tài)響應(yīng)速度較快。

圖4 階躍響應(yīng)特性曲線Fig.4 Step response characteristic

頻率響應(yīng)特性測試：比例放大板的輸入為7.5V最大峰峰值，頻率范圍為1～21 Hz的正弦掃頻信號，掃頻頻率間隔為1 Hz。測試結(jié)果見圖5和圖6。圖5為放大板輸入信號、電磁鐵輸入信號及輸出力的時域圖，圖6為幅頻特性和相頻特性圖［10］。

圖5 頻率響應(yīng)特性曲線Fig.5 Frequency response characteristic

圖6 頻率響應(yīng)特性時域曲線Fig.6 Time domain characteristic of frequency response

測試完成后，將測試結(jié)果創(chuàng)建報表并打印，同時也可以將測試數(shù)據(jù)保存，以便日后調(diào)用分析。

4 結(jié)語

本文采用計算機輔助測試技術(shù)（CAT）對船用比例電磁鐵的動態(tài)特性進行測試，實現(xiàn)了比例電磁鐵的測試位置程控定位，自動化程度高，測試效率高。測控系統(tǒng)采用上下位機模式，使用高速高精度工控機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集分析，自動繪制性能曲線并計算性能參數(shù)。由于初始定位誤差不會對測試精度產(chǎn)生影響，因此，系統(tǒng)測試精度主要取決于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的精度。

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Computer Aided Test System for Dynamic Performance of Marine Proportional Solenoid

Wang Wei－ji1Wu Hai－feng2Zhao Jin－gang1
1 Ship Division，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to provide experimental data for improving the performance of marine proportional solenoid，and solve the problems of low efficiency and accuracy in locating initial test point by hand，then enhance the efficiency and accuracy of dynamic property test on solenoid，we designed a Computer Aided Test（CAT）system.The system consisted of high accurate force and current sensors，and used Programmable Logic Controller（PLC）to acquire data from force sensors，then controlled the step motor by the feedback signal.The system could automatically locate solenoid and test its dynamic performance，which eliminated the interferences by testers during locating the solenoid.And the functions of automate data acquisition，dynamic performance parameters calculation and plotting improve the test efficiency and precision.

marine proportional solenoid；step response；frequency response；PLC；PID

TP27，U665.1

：A

：1673－3185（2011）04－96－03

2010-10-13

王偉吉（1967－），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶動力裝置。

吳海鋒（1986－），男，碩士，助理工程師。研究方向：船舶動力系統(tǒng)。E-mail：wuhaif＠163.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.021