劉 雪，陳宇峰

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

0 引言

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，對火箭的可靠性要求越來越高。為獲得滿意的可靠性，對余度伺服系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，研發(fā)了多種形式的余度伺服機(jī)構(gòu)，其中三余度伺服控制技術(shù)因其卓越性能受到了認(rèn)可［1］。電液伺服閥是伺服控制系統(tǒng)中將電流控制信號轉(zhuǎn)換成液壓功率信號的關(guān)鍵元件，其性能直接影響伺服控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性，對電液伺服閥特性測試顯得至關(guān)重要。

電液伺服閥是一種自動控制閥，它既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件，其功用是將小功率的模擬電流信號轉(zhuǎn)換為隨電流信號大小極性變化且速度響應(yīng)的大功率液壓能（流量或壓力）輸出，從而實(shí)現(xiàn)對液壓執(zhí)行器位移、速度或加速度的控制。不同于單余度電液伺服閥，三余度電液伺服閥是三組力矩馬達(dá)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有三組控制線圈。在三余度電液伺服閥測試時，三余度模式下，3個線圈同時輸入控制電流，3路控制電流需同步獨(dú)立，同步時差不大于3μs，幅值相同，波形為正弦波、三角波、方波可選，頻率在0.05～20Hz范圍內(nèi)可調(diào)；雙余度模式下，每兩個線圈同時輸入控制電流；單余度模式下，3個線圈分別輸入控制電流，性能測試共有模式7種。在這7種控制狀態(tài)下，測試系統(tǒng)需同步實(shí)時將液壓系統(tǒng)輸出的流量、壓力、泄漏等傳感器信號轉(zhuǎn)換為可供計算機(jī)采集的電壓信號，繪制流量、壓力、泄漏特性曲線，根據(jù)不同的特性曲線，計算相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)，分析靜態(tài)特性，最終對閥的性能進(jìn)行有效判定。

國內(nèi)現(xiàn)有的伺服閥測試系統(tǒng)只適于測試單線圈伺服閥（即單余度伺服閥），并不滿足三余度電液伺服閥的測試需求，因此需研制一套三余度電液伺服閥自動測試系，用于測試三余度電液伺服閥在三余度、雙余度和單余度狀態(tài)下的性能特性，同時還可測試普通單余度或雙余度伺服閥，是一種伺服閥通用型的測試系統(tǒng)。為此，本文研制了一種三余度電液伺服閥靜態(tài)特性測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與工作流程

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用PCI總線工控機(jī)＋多功能測試板卡＋虛擬儀器的測試模式，具有測試精度高，功能擴(kuò)展靈活，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是近年研制伺服閥測試系統(tǒng)的首選方案。本測試系統(tǒng)嚴(yán)格遵循QJ 504A—96，QJ 2078A—98標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)電液伺服閥的靜態(tài)特性測試、磨合試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。靜態(tài)特性測試主要完成空載流量特性測試、小信號特性測試、分辨率特性測試、壓力特性測試，以及內(nèi)漏特性測試。磨合試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)主要考核電液伺服閥的穩(wěn)定性和可靠性。

測試系統(tǒng)以Labview平臺為控制及測試核心，由計算機(jī)測試系統(tǒng)、三余度主信號輸出模塊、信號測量模塊和數(shù)字功率放大器等組成硬件測試環(huán)境，軟硬件配合完成電液伺服閥的調(diào)試及測試功能。測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

測試系統(tǒng)各模塊主要功能：信號發(fā)生器為電液伺服閥測試提供勵振信號；數(shù)字功率放大器為液壓系統(tǒng)提供升壓的電流控制信號；三余度主信號輸出模塊為電液伺服閥測試提供三路同步電流信號；計算機(jī)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器，采集數(shù)據(jù)，控制測試狀態(tài)；信號測量模塊調(diào)理液壓系統(tǒng)輸出流量、壓力、泄漏信號后輸出給計算機(jī)采集，由此形成測試閉環(huán)；外接的X－Y記錄儀可在計算機(jī)測試的同時進(jìn)行各種特性測試，供數(shù)據(jù)比對。

1.1.1 計算機(jī)測試系統(tǒng)

計算機(jī)測試系統(tǒng)是控制及測試核心，主要由PCI總線工控機(jī)、多功能測試板卡、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)和打印機(jī)等組成［2］。其中：PCI總線工控機(jī)采用IPC－610H型工控機(jī)，顯示器鍵盤鼠標(biāo)和打印機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)配置；多功能測試板卡是計算機(jī)測試的核心硬件，采用PCI－6232高精度16位多功能板卡，1塊板卡可實(shí)現(xiàn)16個通道的數(shù)據(jù)采集、4個通道的信號輸出和4個通道的I／O控制，節(jié)省成本，提高編程實(shí)現(xiàn)效率。

計算機(jī)測試系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。計算機(jī)測試系統(tǒng)利用Labview強(qiáng)大的信號分析處理功能，通過測試板卡的D／A接口，編程實(shí)現(xiàn)虛擬信號發(fā)生器，輸出波形可選，頻率、相位、幅值可調(diào)的連續(xù)波形；通過測試板卡的A／D接口，采集伺服閥測試過程中的電流、流量、泄漏流量和壓力差等特性信號，進(jìn)行數(shù)字濾波、曲線擬合、特性曲線繪制、參數(shù)計算，實(shí)現(xiàn)其靜態(tài)特性分析，分析結(jié)果以曲線形式顯示輸出，并形成實(shí)驗(yàn)報告。通過測試板卡的I／O接口實(shí)現(xiàn)測試狀態(tài)控制，對測試系統(tǒng)內(nèi)部的繼電器控制，可實(shí)現(xiàn)伺服閥的不同余度測試。

圖1 測試系統(tǒng)組成Fig.1 Components of testing system

圖2 計算機(jī)測試系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware components of computer testing system

1.1.2 三余度主信號輸出模塊

三余度主信號輸出模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵。三余度信號輸出模塊由雙極性穩(wěn)壓源、狀態(tài)通斷模塊、狀態(tài)選擇模塊、勵振幅值調(diào)節(jié)、峰值幅值調(diào)節(jié)、加法器、校正回路及和三路壓控懸浮負(fù)載恒流源模塊等組成，如圖3所示。與傳統(tǒng)單余度伺服閥不同，三余度電液伺服閥共有獨(dú)立線圈3組，測試時需提供3組同步電流信號，同步信號要求時差不大于3μs，非線性度不大于0.1%。三余度主信號輸出模塊，不僅要滿足時差及非線性度要求，同時需兼顧手動調(diào)試和自動測試電液伺服閥的需求。

三余度主信號輸出模塊的主要功能有：為手動測試伺服閥提供所需的固定值電流信號；為自動測試伺服閥提供連續(xù)波形的電流信號；在上述連續(xù)波形上疊加正弦波勵振電流信號；伺服閥不同余度下測試的狀態(tài)切換。其工作原理為：通過前面板上的狀態(tài)選擇模塊選擇測試模式，若選擇手動調(diào)試，雙極性穩(wěn)壓源提供正負(fù)對稱的電壓信號，經(jīng)恒流源模塊轉(zhuǎn)換為電流信號，觀察前面板的顯示儀表，通過峰值調(diào)節(jié)模塊可調(diào)節(jié)所需的固定值電流信號；若選擇自動測試，計算機(jī)測試系統(tǒng)的虛擬信號發(fā)生器發(fā)出連續(xù)的三角波電壓信號，經(jīng)恒流源模塊轉(zhuǎn)換為連續(xù)的三角波電流信號輸出至伺服閥。信號發(fā)生器、勵振幅值調(diào)節(jié)和加法器、校正回路在上述三角波信號上疊加正弦波勵振信號。

恒流源模塊選取體積小、效率高、電流調(diào)節(jié)范圍寬的運(yùn)算放大器構(gòu)成的懸浮負(fù)載壓控恒流源［3］。在恒流源前端，電壓信號一分三輸出至3個恒流源模塊，保證輸入恒流源的電壓信號完全物理同步，同時恒流源模塊中的功率運(yùn)放選用高精度功率運(yùn)放OPA544T，其電壓轉(zhuǎn)換速率8V／s，電液伺服閥測試使用的最高電流20mA，恒流源的輸入電壓與輸出電流關(guān)系為1V輸入電壓對應(yīng)10mA輸出電流，故恒流源的輸入電壓最高僅2V，8V／s的電壓轉(zhuǎn)換速率保證了輸出給三余度電液伺服閥的電流同步。

恒流源模塊后端的狀態(tài)通斷模塊由內(nèi)部的繼電器和前面板的手動開關(guān)并聯(lián)組成，根據(jù)不同的余度測試需求，開啟不同開關(guān)：測試三余度特性時，開啟3個開關(guān)，測試雙余度特性時，開啟2個開關(guān)，以此類推。幅值調(diào)節(jié)，加法器，計算機(jī)測試系統(tǒng)等模塊的疊加，使恒流源模塊產(chǎn)生累積誤差，影響輸出至電液伺服閥的電流信號的線性度及對稱性，為此加入校正回路，消除由眾多前置環(huán)節(jié)對恒流源模塊電流線性度及對稱性的影響。

1.1.3 信號測量模塊

信號測量模塊包括主流量測量模塊、泄漏流量測量模塊和壓力差測量模塊。因液壓系統(tǒng)中的各種傳感器輸出信號一般較微弱，需經(jīng)放大、整形及濾波等處理后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感器二次儀表的功能。

圖3 三余度主信號輸出模塊組成Fig.3 Components of three redundant main signal output module

主流量測量模塊由F／V變換、比例調(diào)節(jié)、零位調(diào)節(jié)、顯示儀表和同相跟隨等電路組成，如圖4所示。其中：F／V變換電路將流量計輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換為易采集的電壓信號，比例調(diào)節(jié)電路將電壓信號與流量信號調(diào)節(jié)成1∶1比例，電壓值可直接反映對應(yīng)的流量值，本文系統(tǒng)流量測量范圍可達(dá)0～100L／min。因F／V變換電路、比例調(diào)節(jié)等電路中使用的電子芯片及放大器芯片均具有毫伏級的零位輸出，對后續(xù)計算機(jī)采集數(shù)據(jù)對稱性的影響較大，因此必須加入零位調(diào)節(jié)電路以消除影響。比例調(diào)節(jié)后的電壓信號分別接入計算機(jī)測試系統(tǒng)、顯示儀表和同相跟隨電路。接入計算機(jī)測試系統(tǒng)的電壓信號用于自動測試；顯示儀表置于整個測試系統(tǒng)的前面板上，使用高精度的數(shù)字顯示儀表，方便調(diào)試時觀察數(shù)據(jù)；同相跟隨電路將流量信號接至X－Y記錄儀采集，可在自動測試的同時用X－Y記錄儀進(jìn)行特性測試，供數(shù)據(jù)比對。泄漏流量測量模塊與主流量測量模塊功能電路實(shí)現(xiàn)形式類似。

圖4 主流量測量模塊組成Fig.4 Components of main flux testing module

壓力差測量模塊由I／V變換、減法器、比例調(diào)節(jié)、有源低通濾波、顯示儀表和同相跟隨等電路組成，如圖5所示。壓力傳感器的輸出信號為4～20mA電流信號，用I／V變換模塊將A、B腔壓力傳感器的輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，減法器電路將兩電壓值作差值后輸出，比例調(diào)節(jié)模塊將電壓值與壓力差信號調(diào)節(jié)成1∶1比例，電壓值可直接反映A、B腔的壓力差。因液壓系統(tǒng)所用壓力傳感器的輸出電流回路與其供電回路共地，實(shí)驗(yàn)過程中較易受干擾，故測量電路中須加入有源濾波環(huán)節(jié)，截止頻率設(shè)置為5Hz，這樣可有效濾除干擾，保證采集信號的精度。有源低通濾波電路輸出的電壓信號分別接至計算機(jī)測試系統(tǒng)、顯示儀表和X－Y記錄儀，使自動測試和X－Y記錄儀測試可同時進(jìn)行，方便數(shù)據(jù)比對。

1.2 系統(tǒng)工作流程

圖5 壓力差測量模塊組成Fig.5 Components of pressure difference testing module

測試系統(tǒng)兼具手動調(diào)試和自動測試兩種功能，還可滿足不同余度電液伺服閥的測試需求，根據(jù)測試的不同階段選擇不同的測試方法，其工作流程如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)工作流程Fig.6 Working procedure of testing system

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)測試軟件用Labview8.6語言編寫［4］。程序?yàn)槟K化多循環(huán)結(jié)構(gòu)，主要包括用戶管理、初始化、測試選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、錯誤處理和數(shù)據(jù)庫管理等模塊。

系統(tǒng)測試軟件界面包括測試軟件和用戶管理軟件兩個子界面。測試軟件子界面由曲線顯示圖、操作命令按鈕和參數(shù)顯示表組成。測試開始時，用戶根據(jù)需要的測試項(xiàng)目（空載流量，小信號，內(nèi)漏，壓力，分辨率，磨合，壽命實(shí)驗(yàn)），選擇左側(cè)的操作命令按鈕，軟件會自動進(jìn)入用戶管理軟件子界面，操作者填寫電液伺服閥型號、編號，并設(shè)置測試波形、頻率和幅值，根據(jù)波形幅值調(diào)整X／Y坐標(biāo)幅值，最后選擇電液伺服閥進(jìn)行何種余度測試，同時需檢查右側(cè)列表內(nèi)電液伺服閥參數(shù)是否配置正確。點(diǎn)擊確定按鈕后，軟件會自動返回測試軟件界面，軟件將實(shí)時顯示測試的特性曲線，曲線繪制完畢后，相應(yīng)參數(shù)計算結(jié)果在下方的表格中顯示。若有超差的參數(shù)，則用紅色突顯相應(yīng)的值。項(xiàng)目測試完成后，用戶可打印曲線圖和測試結(jié)果，也可將測試結(jié)果和曲線圖保存到用戶指定的文件內(nèi)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三余度測試技術(shù)

三余度信號輸出模塊是三余度伺服閥測試實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在三路恒流源前端，將電壓信號一分三輸出至3個恒流源模塊，保證輸入恒流源的電壓信號在物理上完全同步，同時恒流源模塊中的功率運(yùn)放選用轉(zhuǎn)換速率達(dá)8V／s的高速模塊，保證了輸出至三余度電液伺服閥的電流同步性。恒流源模塊后端的狀態(tài)通斷模塊由內(nèi)部的繼電器和前面板的手動開關(guān)并聯(lián)組成，根據(jù)不同的余度測試需求，開啟不同開關(guān)，測試三余度特性時，開啟三3個開關(guān)，測試雙余度特性時，開啟2個開關(guān)，以此類推。由此該測試系統(tǒng)可滿足三余度、雙余度和單余度伺服閥的測試需求。

3.2 模塊化的軟硬件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件和硬件采用模塊化設(shè)計，為不同功能需求設(shè)計單獨(dú)的模塊，如三余度主信號輸出模塊、流量測量模塊、泄漏流量測量模塊、壓力差測量模塊，系統(tǒng)用供電模塊等均單獨(dú)設(shè)計成不同的電路板卡，若試驗(yàn)中出現(xiàn)異常，可及時更換備份硬件。若系統(tǒng)需求改變，只需對涉及的模塊進(jìn)行適應(yīng)性更改而不影響其他板卡，整個系統(tǒng)的架構(gòu)不會改變，便于系統(tǒng)升級。

測試軟件采用Labview特有的模塊化多循環(huán)編程架構(gòu)，多循環(huán)的模式分3個線程。線程1中，程序首先執(zhí)行用戶管理模塊，管理用戶的權(quán)限，管理員為最高權(quán)限，可刪除和添加用戶，可改程序運(yùn)行參數(shù)，然后程序依次往下執(zhí)行，直至退出程序。線程2中，程序運(yùn)行數(shù)據(jù)庫模塊，管理各操作的數(shù)據(jù)記錄，讀取數(shù)據(jù)庫。線程3中，程序運(yùn)行錯誤管理，模塊管理線程1中各模塊的錯誤，如發(fā)生錯誤，程序就退出，并記錄錯誤。多循環(huán)應(yīng)用程序框架將多個單循環(huán)設(shè)計模式、消息機(jī)制、工具和控制集成到一個應(yīng)用程序框架中，按測試需求設(shè)計不同的軟件模塊，具有較強(qiáng)的可維護(hù)性、可移植性、可擴(kuò)展性，利于系統(tǒng)日后的升級。

3.3 手動和自動結(jié)合測試技術(shù)

因調(diào)試伺服閥的特殊性，測試人員不方便在調(diào)試的同時操作計算機(jī)鍵盤和點(diǎn)擊鼠標(biāo)。為提高伺服閥測試人員的調(diào)試效率，本系統(tǒng)在計算機(jī)自動測試的基礎(chǔ)上，加入了多個手動調(diào)試模塊，測量模塊和部分高精度數(shù)字顯示儀表置于系統(tǒng)的前面板，供調(diào)試時信號輸出和數(shù)據(jù)觀察，便于調(diào)試人員使用，系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文介紹了研制的一種三余度電液伺服閥靜態(tài)特性測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)在基于Labview平臺的計算機(jī)測試系統(tǒng)上，外圍配合高精度的恒流輸出模塊，信號測量模塊等，實(shí)現(xiàn)三余度電液伺服閥在三余度狀態(tài)，雙余度狀態(tài)和單余度狀態(tài)下的性能測試，同時可單獨(dú)測試雙余度伺服閥和單余度伺服閥。與傳統(tǒng)伺服閥測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有通用性。采用了模塊化的軟硬件設(shè)計，使系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，手動和自動結(jié)合的測試模式便于測試人員使用。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計的三余度電液伺服閥靜態(tài)測試系統(tǒng)滿足三余度電液伺服閥的靜態(tài)特性測試需求，電流輸入精度可達(dá)±0.01mA，非線性度＜1%。流量測量相對誤差＜1%。壓力測量范圍可達(dá)約21MPa，壓力差測量相對誤差＜1%。

［1］ 曾廣商，沈衛(wèi)國，石 立，等.高可靠三冗余伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)［J］.航天控制，2005，23（1）：35－40.

［2］ 張坤發(fā).電液伺服閥動靜態(tài)性能計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］ 秦 玲.基于功率運(yùn)算放大器的恒流源技術(shù)研究［D］.北京：中國工程物理研究院，2007.

［4］ 楊樂平，李海濤.LabVIEW高級程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.