基于Labview平臺車載電磁閥自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了汽車變速箱用電磁閥自動測試系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成，分析流量電磁閥和壓力電磁閥的靜態(tài)、動態(tài)和閉環(huán)測試方法，引入模塊化設(shè)計細(xì)想，對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計，開發(fā)了集傳感器技術(shù)，計算機(jī)軟硬件技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)于一體的自動測試系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該測試平臺功能齊全、通用性好、測試精度高、擴(kuò)展和維護(hù)方便。

引言

　　汽車產(chǎn)業(yè)一直被列為國家的支柱產(chǎn)業(yè)。近年來，國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，至2009年已突破年產(chǎn)1000萬量的大關(guān)。汽車變速箱電磁閥為汽車自動變速箱或手自一體變速箱液壓執(zhí)行裝置中的關(guān)鍵部件，其作用是根據(jù)發(fā)動機(jī)和底盤傳動系統(tǒng)的負(fù)載狀況，對油泵輸出到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油壓加以控制，以控制各離合器和制動器的結(jié)合與分離實(shí)現(xiàn)自動換檔。

　　電磁閥綜合特性測試的測試項(xiàng)目多，測試系統(tǒng)復(fù)雜且要求高可靠性和柔性。國際上有較為先進(jìn)的電磁閥檢測設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對各種型號電磁閥的高精度和高效率自動測試。不足之處是這類檢測設(shè)備的價格昂貴且設(shè)備供應(yīng)周期和后期維護(hù)都較困難^[1]?；趯?shí)際汽車變速箱電磁閥測試需要，研制一種基于虛擬儀器技術(shù)的電磁閥自動測試系統(tǒng)，本系統(tǒng)以Labview平臺為測試核心，采用模塊化的軟硬件設(shè)計模式，提高測試系統(tǒng)的開發(fā)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，大大降低實(shí)驗(yàn)成本，從而加快電磁閥測試系統(tǒng)的研制開發(fā)速度，是未來電磁閥測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢^[2-3]。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

　　電磁閥自動測試系統(tǒng)可完成汽車變速箱流量電磁閥和壓力電磁閥兩種類型電磁閥多個試驗(yàn)項(xiàng)目的測試工作，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)，靜/動態(tài)特性測試模塊，閉環(huán)特性測試模塊，傳感器信號測試模塊組成，在軟硬件配合下完成電磁閥靜態(tài)，動態(tài)和閉環(huán)特性測試功能。

　　計算機(jī)測試系統(tǒng)利用Labview強(qiáng)大的信號分析處理功能，實(shí)現(xiàn)虛擬信號發(fā)生器、信號采集、數(shù)字濾波、曲線擬合、參數(shù)計算、在靜/動態(tài)特性測試模塊、閉環(huán)特性測試模塊、傳感器信號特性測試模塊等硬件的配合下，實(shí)現(xiàn)流量電磁閥、壓力電磁閥的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和閉環(huán)特性分析，分析結(jié)果以曲線形式顯示輸出，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存，打印及報表輸出。圖1是測試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。

2 靜/動態(tài)特性測試模塊設(shè)計

　　在靜態(tài)和動態(tài)測試中，液壓油經(jīng)過液壓泵加壓后，再經(jīng)流量傳感器或壓力傳感器流入到電磁閥，油液從電磁閥的出口經(jīng)過壓力傳感器最后回到油源。

　　靜態(tài)特性測試時，計算機(jī)系統(tǒng)虛擬信號發(fā)生器輸出三角波信號，經(jīng)恒流源模塊輸出給電磁閥線圈，驅(qū)動電磁閥工作。進(jìn)行動態(tài)特性測試時，計算機(jī)測試系統(tǒng)輸出方波信號，經(jīng)恒流源模塊輸出給電磁閥線圈。電流信號測試模塊將閥線圈電流信號調(diào)理成對應(yīng)比例的電壓信號后，輸出給計算機(jī)測試系統(tǒng)采集。流量信號測試模塊負(fù)責(zé)流量閥測試，在進(jìn)行流量電磁閥測試時，流量信號測試模塊將液壓系統(tǒng)中的流量傳感器輸出信號調(diào)理成等比例流量信號后，輸出給計算機(jī)測試系統(tǒng)采集。同樣地，壓差信號測試模塊負(fù)責(zé)壓力閥測試，測試時，壓差信號測試模塊將A、B腔壓力傳感器輸出信號調(diào)理成等比例壓力差信號后，輸出給計算機(jī)測試系統(tǒng)采集。圖2是靜/動態(tài)特性測試功能結(jié)構(gòu)圖。下面對各主要模塊做詳細(xì)介紹。

　　恒流源模塊是靜/動態(tài)測試的關(guān)鍵，本文選取了體積小、效率高，電流調(diào)節(jié)范圍寬的集成電路恒流源為電磁閥提供恒定電流^[4]，其主要元件是功率運(yùn)算放大器，功率運(yùn)算放大器是集成運(yùn)算放大器的一種，一般的集成運(yùn)放輸出電流較小，難以提供大功率驅(qū)動阻抗大于3Ω的負(fù)載。功率運(yùn)放特指能夠輸出大功率驅(qū)動負(fù)載的運(yùn)放。文中選用MSK公司的軍級MSK541B功率運(yùn)算放大器構(gòu)成懸浮負(fù)載恒流源，圖3是懸浮負(fù)載恒流源電路圖。其輸出電流最高可達(dá)10A，遠(yuǎn)超過系統(tǒng)測試的最高要求。

　　流量和壓力電磁閥靜態(tài)測試時，均需三角波信號，所以對恒流源模塊的線性度要求較高，圖4是恒流源模塊線性度測試曲線，由圖4可知，恒流源電流輸出能力在5A以上，電路能夠保持非常好的線性度，非線性誤差<1‰，遠(yuǎn)高于測試需求。

　　流量信號測試模塊由“F/V變換”+“比例調(diào)節(jié)”+“零位調(diào)節(jié)”+“顯示儀表”+“同相跟隨”組成，首先用F/V變換電路將流量計輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換成易于采集的電壓信號，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，那么電壓值就可以直接反應(yīng)對應(yīng)的流量值，本系統(tǒng)流量測量范圍可達(dá)0~100L/min。顯示儀表采用高精度數(shù)字顯示儀表，放置于整個系統(tǒng)的前面板，方便調(diào)試時數(shù)據(jù)觀察。

　　壓差信號測試模塊由 兩個“I/V變換” + “減法器”+ “比例調(diào)節(jié)”+“低通濾波”+“顯示儀表”+“同相跟隨”組成。壓力傳感器的輸出信號為(4-20)mA電流信號，首先用I/V變換模塊將A腔和B腔壓力傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，減法器電路將兩電壓值做差值后輸出，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，那么電壓值就可以直接反應(yīng)AB腔的壓力差值。因液壓系統(tǒng)中壓力傳感器的輸出電流回路與其供電回路共地，更易受到干擾，所以必須加入有源濾波環(huán)節(jié)，截止頻率設(shè)置為5Hz，這樣可有效濾除各種干擾，保證采集信號的精度。

3 閉環(huán)特性測試模塊設(shè)計

　　閉環(huán)測試時，計算機(jī)測試系統(tǒng)虛擬信號發(fā)生器輸出偏置的三角波信號Vrp，同時采集位移傳感器輸出信號Vsp，閉環(huán)信號調(diào)理模塊首先將兩信號接入減法器電路，對兩信號做差得 ，再對信號進(jìn)行K倍(K值可調(diào))放大，然后對放大后的電壓信號進(jìn)行反向，再疊加一個2V電壓，閉環(huán)信號調(diào)理模塊將兩電壓信號調(diào)理成 后輸出，但此時的信號是無功率的電壓信號，無法驅(qū)動電磁閥線圈工作，恒壓驅(qū)動電路將調(diào)理后的電壓信號進(jìn)行功率放大后，輸出給電磁閥線圈。圖5是閉環(huán)特性測試功能結(jié)構(gòu)圖。

　　傳統(tǒng)的電流測試電路采用在負(fù)載回路串接采樣電阻，測量采樣電阻兩端電壓換算成回路中的電流值，因閥線圈為感性元件，若在其回路中串入采樣電阻，將影響整個回路的時間響應(yīng)，霍爾傳感器模塊(LEM模塊)很好的解決了這個問題。

　　LEM模塊由原邊導(dǎo)體、集磁環(huán)、付邊線圈和放大電路等組成。它的原理是基于霍爾效應(yīng)，是模塊化的有源電流傳感器，它把普通互感器與霍爾元件、電子線路有機(jī)地結(jié)合起來，充分發(fā)揮了普通互感測量范圍寬的長處和電子線路反應(yīng)速度快的優(yōu)勢^[5]，同時傳感器電路由于與被測電路是隔離的，因此LEM模塊的接入對被測電路的影響可以忽略不計。