伺服执行机构测试仪的设计与实现

第八届工业仪表与自动化学术会议1伺服执行机构测试仪的设计与实现廖俊峰潘菊初（上海新华控制技术（集团）有限公司研发中心，上海201108）摘要：本文设计的伺服执行机构测试仪，以嵌入式工控板为控制核心，采用自主研发的IO模块，配以触摸屏作为人机界面，在WinCE和EVC4.0、VC6.0下开发控制软件。该测试仪可以按照一定的实验方法和控制策略对伺服执行机构中的伺服阀、电磁阀进行控制，并对相应的被测量进行数据采集、记录和处理，从而完成伺服执行机构的主要特性参数、特性曲线的测试实验。该测试仪已经得到实际应用。关键词：液压执行机构测试仪嵌入式数据采集自动控制0引言液压系统以其独特的优点，已成为现代自动化大型设备的关键组成部分之一。为了提高液压系统的可靠性和易维护性，迫切需要一台能对液压系统的流量、压力、温度、位移等参数进行综合测试和数据处理的测试仪[1、2]。此外，针对具体被测系统的特点和测试要求，还需要对测试仪进行专门的定制。本文的伺服执行机构测试仪主要针对电液伺服执行机构的阀门特性测试而开发研制的。在测试实验中，测试仪要按照一定的实验方法和控制策略对伺服执行机构中的伺服阀、电磁阀进行控制，并对阀门的位移、油温、压力、行程开关状态等模拟量和开关量进行数据采集、记录与处理。测试系统由供油油站、测试仪、LVDT传感器和被测伺服执行机构组成，如图1所示。伺服执行机构测试仪控制响应油站供油传感器图1伺服执行机构测试系统原理框图测试实验完全在软件的控制下完成，具有很高的灵活性，可根据实际工程应用的情况和客户需求的变化而修改实验流程。在当前软件版本下，可完成的测试实验有：①阀门快关实验，可获得阀门快关特性曲线和快关时间；②伺服阀的手动控制和PID整定，可获得伺服阀的零点、死区范围、PID控制参数；③阀门的滞环实验，可获得阀门的滞环曲线和最大滞环误差。1硬件框架及其配置测试仪在硬件框架设计上采用主从结构，如图2所示。采用艾讯SBC84500嵌入式工控板作为控制核心，在其强大的运算能力和丰富的硬件资源的基础上进行编程，可以完成复杂而灵活的算法运算、程序控制、通信等功能。触摸屏提供良好的人机界面，可实时显示操作界面和测试结第八届工业仪表与自动化学术会议2果，并接受用户的触摸操作输入。此外，测试仪提供一个10M以太网接口，使得用户可以在上位PC机上（通常是笔记本电脑）更为方便地对测试仪操作和处理、存储实验数据。本测试仪采用完全自主研发的IO模块，按类型可分为模拟输出AO模块、模拟输入AI模块，数字输出DO模块和数字输入DI模块。该IO模块具有以下特点：嵌入式工控板触摸屏按键RS485，Modbus上位PC机以太网AO模块电流放大模块-500mA～500mA显示LVDT传感器输入模块AI模块DO模块DI模块图2硬件组成原理框图①由于系统采用主从结构，IO模块之间无直接联系，可方便地增减和更换，故测试仪可以根据用户实际需要而灵活配置IO模块的点数和类型，具有很好的灵活性、可扩展性和可维护性；②模块内部采用光耦隔离，达到2500V隔离强度。模块与嵌入式工控板之间采用RS485总线和Modbus协议通信。各模块之间相互独立，即使单独损坏和热插拔也不影响系统其他部分的运行；③模块均已通过50℃、24小时高温测试，已在我公司的TiSNet-XDC800分布式控制系统中实际应用，并在化工、造纸、污水处理、供热等行业的过程控制应用中证明了其稳定性和可靠性，能够满足工业现场的苛刻要求。在某典型应用中，测试仪提供了表1所示的IO配置。表1IO配置表通道点数电气参数模拟输出AO80～20mA或0～5V(跳线选择)，其中1路扩充为-500mA～+500mA输出模拟输入AI200～20mA或0～5V(跳线选择)，其中2路扩充为LVDT传感器输入数字输出DO20继电器常开触点，220V/3A数字输入DI20光耦输入，24V/5mA2软件设计软件分为上位机和下位机部分。下位机软件在嵌入式工控板上运行，完成测试仪的绝大部分工作，包括与IO模块的通信、与上位机的通信、数据采集、数据处理、PID控制算法的运算、界面显示和人机交互等。下位机软件在WindowsCE4.2下运行。软件设计中充分采用了面向对象的设计方法。由于面向对象方法采用“建模”和“封装”的观点，使用统一的概念和术语，使得分析、设计和实现一致，极大地提高了软件的可重用性、可维护性和可扩展性（3）。其软件结构第八届工业仪表与自动化学术会议3框架如图3所示。Modbus通讯以太网Socket通讯数据采集数据处理PID控制器人机界面RS485反馈设定图3下位机软件框图在下位机软件的控制下，测试仪可以独立完成所有测试工作。下位机软件也可通过以太网接口与上位机联机，由上位机来完成试验操作。上位机软件在PC机（一般是笔记本电脑）上运行，将人机界面转移到PC来，从而可实现远程操作，并提供更为美观方便的人机界面以及更为强大的数据处理和信息提取功能。上位机软件在在WindowsXP/2000下运行。3实验由于测试仪所能提供的功能较为丰富，限于篇幅，故本文在此仅给出两个测试实验实例。3.1阀门的快关实验快关是伺服执行机构的特殊短暂运行工况。快速关闭时间是阀门特性的一项重要参数，反应了在紧急情况下液压伺服机构快速关闭的能力。在快关实验中，测试仪首先发出控制信号使电磁阀动作，泄放油压。执行机构油缸的活塞在弹簧和重力的作用快速下降，完成快速关闭动作的同时，测试仪以200次/秒的速率对活塞的位移进行数据采集。快关曲线测试实验平台原理图如图4所示，测试结果如图5所示。软件对位移曲线进行数据处理后，获得快关时间Tc=0.355s，油缸的缓冲行程约为4mm。测试仪压力油安全油回油电磁阀卸荷阀图4主汽门快关实验平台原理图图5某主汽门的快关曲线3.2阀门的滞环曲线实验由于摩擦、内泄漏等因素影响，伺服执行机构中的伺服阀具有一定的非线性。伺服阀的非线性是影响阀门控制特性的关键性因素。当伺服阀控制特性较差时，轻则导致控制精度下降，重则引起系统剧烈振荡。阀门的滞环曲线和最大滞环误差能够直观地表现阀门回滞非线性，是阀门控制特性的重要指标。第八届工业仪表与自动化学术会议4在滞环曲线实验中，测试仪以1次/秒的速率采集活塞位移信号，同时给伺服阀一个激励信号，在闭环控制下匀速开启调门到最大，再匀速关闭到最小。该过程中记录的活塞位移曲线就是滞环曲线。滞环曲线测试平台如图6所示，测试结果如图7所示。图7中，舍弃初始5mm（缓冲区）以内的数据曲线后，该调门的上升曲线（红色）与下降曲线（蓝色）几乎重合。软件对位移曲线进行数据处理后，获得最大滞环误差为0.4mm。回油压力油伺服阀测试仪图6调门滞环曲线实验平台原理图图7某调门的滞环曲线4结束语测试仪已经在现场应用一年多，完成了数台伺服执行机构的测试实验。现场应用证明，该测试仪的功能完全符合设计要求，工作稳定可靠，操作简便，人机界面友好美观。该仪器已顺利通过项目验收，并在之后的长期使用中客户反应良好。该测试仪由于采用模块化设计，在硬件总体架构上具有良好的可重配置性和扩展性，并且通信协议完全开放，控制软件可根据用户实际需求进行修改或完全重设计，使得该测试仪成为一台具有高度通用性、灵活性、可扩展性的现场仪器。因此，该测试仪经过适当的修改和重配置（主要是修改软件），还可用于测量测试、数据采集、过程控制等现场应用或便携式仪器，如环保监测等。参考文献1陈新轩,梁伟朋.工程机械液压系统动态测试仪的研究.筑路机械与施工机械化,2004.7.2凌海风，高亚明，韩军，肖燕妮.工程车辆液压系统检测仪的关键技术及实现.液压与传动，2006.5.3崔俊芝,梁俊.现代有限元软件方法.国防工业出版社,北京:1995.