基于VXI總線技術的飛機伺服閥測試數采系統設計

魏珊珊

(徐州生物工程職業技術學院機電工程系，江蘇徐州 221006)

民用飛機在著陸接地時具有較大的水平分速度，同時由于飛機質量較大，所以在降落滑跑過程中，很難依靠氣動阻力與機輪滾動阻力對飛機迅速減速。因此，現代飛機都有著陸減速裝置。

而現代飛機的著陸減速裝置需要剎車伺服閥來控制剎車力的大小以避免出現著陸時對輪胎的損壞。針對飛機剎車伺服閥測試系統的研究比較多，但基于VXI總線技術的剎車伺服閥測試系統的研究并不多。

VXI總線儀器同時具有消息基和寄存器基的特點，可以實現VXI儀器之間的高速通信，此外VXI總線儀器與計算機也有著很高的通信速度，具有較高的系統模塊化能力，為虛擬儀器的進一步擴展提供了一個較好的平臺。

1 飛機剎車伺服閥測試

飛機剎車伺服閥測試需要對伺服閥進行靜態和動態的測試試驗，如果試驗結果能夠滿足相關標準則認為該剎車伺服閥液壓特性是滿足要求的。

飛機剎車伺服閥需要進行:保壓試驗測試、內泄漏試驗測試、壓力增益試驗測試、滯環試驗測試、壓降試驗測試、瞬態響應測試、頻率響應測試。

要實現以上試驗就需要操作相應數據采集儀器進行數據采集。根據實際需要，確定了該測試系統需要VXI儀器設備實現的功能有:高速數據采集、驅動伺服閥放大器。

2 測控系統的組成與軟件實現

該測控系統由3個部分構成:工控機、VXI總線機箱、液壓系統、測控系統軟件，如圖1所示。其中數據采集任務主要由包含在VXI總線機箱內部的數據采集卡VT1413C、VT1435完成，伺服閥放大器輸入電壓由VM3608A信號輸出模塊提供，數采系統采用LabVIEW2010的編程環境。

圖1 測控模塊原理簡圖

2.1 數據采集卡簡介

VT1413C模塊具有64通道多路轉換器、高速16bi分辨率AD轉換器、多路切換器控制器、采集精度高 (讀數的0.01%)、4 mV～16 V的滿量程輸入范圍 (60 V滿量程可選需配置VT1513A衰減器SCP模塊)、內置64 kSa雙口FIFO緩存滿足高速的數據傳輸率、板載DSP、當前值表、自校準等功能。

VT1435模塊是C尺寸、單槽、基于寄存器的VXI模塊，24位，102.4 kSa/s數字化儀，集成了DSP、傳感器信號調理、抗混疊、數字化和高速測量計算功能，采樣速率高、數據精度高。

2.2 數據采集底層軟件實現

兩款數據采集卡自帶針對C編程環境的驅動程序，由于系統采用的是LabVIEW的編程環境，因此，在編程過程中需要先應用C語言調用相關驅動函數，生成動態數據庫文件，然后在LabVIEW的編程環境下封裝這些動態數據庫文件，從而實現在LabVIEW的編程環境下調用儀器的C語言驅動函數。數采系統構架見圖2，底層程序構架見圖3。

圖2 數采系統構架

圖3 底層程序構架

然而由于所需要完成的試驗不同，需要調用的函數也不一樣，因此，在對數采卡進行操作的時候需要根據實際需求確定C程序的編寫方式，需要靈活運用DLL動態庫封裝來使得程序功能模塊化。針對該數據采集系統實際情況，分析出需要VXI儀器設備實現的功能有:高速數據采集、驅動伺服閥放大器。

2.2.1 數據采集

需要進行數據采集的數據采集卡有VT1413C、VT1435兩種，由于兩種數據采集卡的編程方式不同，因此需要單獨對這兩種數據采集卡進行編程。

VT1435數據采集卡要進行數據采集需要首先進行數據采集卡初始化，初始化使得數據采集卡從Booted狀態進行到Idle狀態 (見圖4)。

圖4 VT1435初始化

在初始化完成以后，要完成數據采集還需要軟件完成圖5所示步驟。

圖5 VT1435數據采集狀態流程

需要調用到的函數有:vt1432_armMeasure、vt1432_triggerMeasure，根據實際情況不同調用的采集函數也有所不同。在這里由于采用的是FIFO模式進行數據采集，因此采用vt1432_readfifodata64函數進行數據采集。

VT1413C有著近似的編程方式，不再贅述。

2.2.2 驅動伺服閥放大器

采用VM 3608信號輸出卡進行伺服閥放大器驅動，3616A提供16個獨立的并行DAC通道、16位分辨率。每個通道具有獨立的DAC模塊以及獨立的輸出放大器。除了靜態輸出之外，還提供FIFO模式，用于連續數據的輸出。VM3616A還可工作為任意波形發生器 (AWG)模式，可輸出各種復雜的信號波形。

根據不同的試驗要求，VM3608需要輸出不同類型的連續波形:三角波、鋸齒波、直流、階躍、正弦信號。

因此，軟件采用FIFO模式工作，在波形輸出開始前先判斷需要輸出哪種波形信號再進行對應的波形輸出，輸出波形以后根據上層軟件時間需要及時停止波形輸出。

2.3 測控軟件上層軟件實現

在做好了底層的數據采集動態數據庫文件以后，上層LabVIEW軟件需要對這些庫進行封裝以使得在LabVIEW軟件中對這些動態數據庫進行實時調用。

另外，按照相關標準，需要完成的試驗有:內泄漏試驗、壓力增益試驗、滯環曲線試驗、耐壓試驗、壓降試驗、階躍響應試驗、頻率響應試驗。還需要實時對系統各個傳感器進行數據采集并顯示，在進行試驗之前還需要引導用戶輸入產品型號、產品編號、試驗人員、試驗日期等信息，用戶選擇是否進行傳感器系數標定、是否進行傳感器自檢，在完成了相關操作以后，打開試驗操作界面，信息提示欄提示用戶進行進一步操作。還需要實時監控系統各處壓力流量數據，一旦壓力流量過大就控制PLC進行報警提示，根據實際情況，上位機采用OPC通信協議與PLC進行通信。軟件大致組成情況如圖6所示。

圖6 軟件組成及其與下位機通信

為了方便用戶進行試驗、簡化用戶操作，軟件結構安排較為緊湊，軟件試驗操作界面如圖7所示。

圖7 軟件操作界面

3 試驗結果

以試驗中較為具有代表性的滯環試驗、瞬態響應試驗、頻率響應試驗為例列舉了相關試驗的試驗結果以驗證該系統的構建可以滿足試驗的各種需求。

3.1 滯環試驗

配置該組伺服閥進油口壓力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa的背壓，控制伺服閥驅動電流從0到30 mA再到0，以小于0.1 Hz速率變化，波形為三角波，測量得到的滯環試驗結果見圖8。

圖8 滯環特性曲線

3.2 瞬態響應試驗

設置供油壓力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa背壓，封閉壓力輸出口，控制伺服閥驅動電流為0到30 mA再到0的方波，記錄輸出壓力和輸入電流。兩個閥的上升、下降瞬態響應曲線分別為圖9、10。

圖9 打開瞬態響應曲線

圖10 關閉瞬態響應曲線

處理該伺服閥開啟瞬態響應數據:最大相對瞬時超調量為18.33%;最大相對瞬時超調量為18.33%;延滯時間為0.006 7 s;上升時間為0.015 6 s;峰值之間時間為0.098 3 s。

3.3 頻率響應試驗

設置供油口壓力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa的背壓，控制伺服閥驅動電流幅值，在2 Hz信號下使輸出口壓力均值為10.34 MPa，交流分量為±1.03 MPa，并在1～100 Hz范圍內掃頻，得到頻率響應特性曲線。頻率響應試驗結果采用互相關的相關理論獲得。

一維互相關:

序列x(t)和y(t)的互相關Rxy(t)由以下等式定義:

互相關的離散實現如下:h代表序列，其索引可以為負，N是輸入序列X的元素個數，M是序列Y中元素的個數，并假設超出序列X和Y的索引元素等于0，如下列等式所示:

其中:j=－ (N－1)，－ (N－2)，…， －1，0，1，…，(M－2)，(M－1)。

輸出序列Rxy的元素與序列h中的元素

其中:i=0，1，2，…，(N+M－2)。

由于LabVIEW數組不能使用負索引，t=0位置對應的互相關值是輸出序列Rxy的第N個元素。因此，Rxy代表該VI移位N次索引后的相關值。

輸入信號序列和輸出壓力數據序列進行互相關后，獲得這兩個序列的相位差，對相位差作圖得到該閥的相位－頻率曲線，見圖11。

圖11 相位θ－頻率f曲線

4 結論

綜上所述，調用DLL(動態數據庫)來構建底層采集程序的方式能夠滿足該伺服閥測試系統的硬件指標，能夠完成包括伺服閥頻率響應試驗在內的動態性能測試試驗，能夠完成包括伺服閥壓力增益、內泄漏等在內的伺服閥靜態試驗;該系統采用了VXI協議總線的數據采集系統，數據采集安全可靠，數據采集系統最大采樣頻率完全覆蓋伺服閥測試標準所要求的性能指標，在采樣速率上保證了系統數據采集的可靠性;系統采用了通用的OPC通信協議，保證了上位機與下位機的通信安全和通信時間，系統構建合理穩固。

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