基于Labview平臺車載電磁閥自動測試系統的設計與實現

摘要：介紹了汽車變速箱用電磁閥自動測試系統的工作原理和系統組成，分析流量電磁閥和壓力電磁閥的靜態、動態和閉環測試方法，引入模塊化設計細想，對系統硬件和軟件進行模塊化設計，開發了集傳感器技術，計算機軟硬件技術和虛擬儀器技術于一體的自動測試系統。試驗結果證明，該測試平臺功能齊全、通用性好、測試精度高、擴展和維護方便。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/283529.htm

關鍵詞：電磁閥；虛擬儀器；靜/動態特性測試；閉環特性測試；霍爾傳感器

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.11.017

引言

汽車產業一直被列為國家的支柱產業。近年來，國內汽車產業發展迅猛，至2009年已突破年產1000萬量的大關。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行裝置中的關鍵部件，其作用是根據發動機和底盤傳動系統的負載狀況，對油泵輸出到各執行機構的油壓加以控制，以控制各離合器和制動器的結合與分離實現自動換檔。

電磁閥綜合特性測試的測試項目多，測試系統復雜且要求高可靠性和柔性。國際上有較為先進的電磁閥檢測設備，可實現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備的價格昂貴且設備供應周期和后期維護都較困難。基于實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的電磁閥自動測試系統，本系統以Labview平臺為測試核心，采用模塊化的軟硬件設計模式，提高測試系統的開發效率，增強系統的可擴展性，大大降低實驗成本，從而加快電磁閥測試系統的研制開發速度，是未來電磁閥測試系統的發展趨勢。

1系統組成和工作原理

電磁閥自動測試系統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項目的測試工作，測試系統以Labview平臺為控制及測試核心，由計算機測試系統，靜/動態特性測試模塊，閉環特性測試模塊，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，動態和閉環特性測試功能。

計算機測試系統利用Labview強大的信號分析處理功能，實現虛擬信號發生器、信號采集、數字濾波、曲線擬合、參數計算、在靜/動態特性測試模塊、閉環特性測試模塊、傳感器信號特性測試模塊等硬件的配合下，實現流量電磁閥、壓力電磁閥的靜態特性、動態特性和閉環特性分析，分析結果以曲線形式顯示輸出，并根據需要實現試驗數據的保存，打印及報表輸出。圖1是測試系統功能結構圖。

2靜/動態特性測試模塊設計

在靜態和動態測試中，液壓油經過液壓泵加壓后，再經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過壓力傳感器最后回到油源。

靜態特性測試時，計算機系統虛擬信號發生器輸出三角波信號，經恒流源模塊輸出給電磁閥線圈，驅動電磁閥工作。進行動態特性測試時，計算機測試系統輸出方披信號，經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理成對應比例的電壓信號后，輸出給計算機測試系統采集。流量信號測試模塊負責流量閥測試，在進行流量電磁閥測試時，流量信號測試模塊將液壓系統中的流量傳感器輸出信號調理成等比例流量信號后，輸出給計算機測試系統采集。同樣地，壓差信號測試模塊負責壓力閥測試，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理成等比例壓力差信號后，輸出給計算機測試系統采集。圖2是靜/動態特性測試功能結構圖。下面對各主要模塊做詳細介紹。

恒流源模塊是靜/動態測試的關鍵，本文選取了體積小、效率高，電流調節范圍寬的集成電路恒流源為電磁閥提供恒定電流，其主要元件是功率運算放大器，功率運算放大器是集成運算放大器的一種，一般的集成運放輸出電流較小，難以提供大功率驅動阻抗大于3 Q的負載。功率運放特指能夠輸出大功率驅動負載的運放。文中選用MSK公司的軍級MSK541B功率運算放大器構成懸浮負載恒流源，圖3是懸浮負載恒流源電路圖。其輸出電流最高可達10A，遠超過系統測試的最高要求。

流量和壓力電磁閥靜態測試時，均需三角波信號，所以對恒流源模塊圖8巴特沃斯低通濾波器程序框圖的線性度要求較高，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

流量信號測試模塊由“F/V變換”+“比例調節”+“零位調節”+“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換成易于采集的電壓信號，比例調節電路將電壓信號與流量信號調節成1：1比例，那么電壓值就可以直接反應對應的流量值.本系統流量測量范圍可達0～100L/min。顯示儀表采用高精度數字顯示儀表，放置于整個系統的前面板，方便調試時數據觀察。

壓差信號測試模塊由兩個“I/V變換”+“減法器”+“比例調節”+“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（420）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，比例調節模塊將電壓值與壓力差信號調節成1：1比例，那么電壓值就可以直接反應AB腔的壓力差值。因液壓系統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節，截止頻率設置為5Hz，這樣可有效濾除各種干擾，保證采集信號的精度。

3閉環特性測試模塊設計

閉環測試時，計算機測試系統虛擬信號發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，閉環信號調理模塊首先將兩信號接入減法器電路，對兩信號做差得，再對信號進行K倍（K值可調）放大，然后對放大后的電壓信號進行反向，再疊加一個2V電壓，閉環信號調理模塊將兩電壓信號調理成后輸出，但此時的信號是無功率的電壓信號，無法驅動電磁閥線圈工作，恒壓驅動電路將調理后的電壓信號進行功率放大后，輸出給電磁閥線圈。圖5是閉環特性測試功能結構圖。

傳統的電流測試電路采用在負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，霍爾傳感器模塊（LEM模塊）很好的解決了這個問題。

LEM模塊由原邊導體、集磁環、付邊線圈和放大電路等組成。它的原理是基于霍爾效應，是模塊化的有源電流傳感器，它把普通互感器與霍爾元件、電子線路有機地結合起來，充分發揮了普通互感測量范圍寬的長處和電子線路反應速度快的優勢，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。

4軟件設計

測試軟件采用Labview8.6編寫，為提高測試系統的靈活性和通用性，程序采用模塊化的設計模式，將測試系統按功能劃分為數個模塊：初始化模塊、測試選擇模塊、數據處理模塊、后期處理模塊。其中初始化模塊主要完成系統測控板卡參數配置；測試選擇模塊主要完成流量閥和壓力閥靜態測試、動態測試和閉環測試，為每一種測試設計一個子界面，方便用戶在前面板進行選擇：數據處理模塊主要完成信號發生器，數據采集和數據處理功能：后期處理模塊主要完成測試數據的保存、打印和報表輸出功能。圖6是系統軟件結構框圖。

計算機測試系統利用Labview強大的信號分析處理功能，通過測試板卡的D/A接口，編程實現虛擬信號發生器，輸出波形可選、頻率、相位、幅值可調的連續波形：通過測試板卡的A/D接口，采集電磁閥測試過程中的線圈電流、流量和壓力等特性信號，進行數字濾波、曲線擬合、特性曲線繪制、參數計算，實現其特眭分析。

本測試系統中，測試軟件編程主要包括激勵信號的產生、實驗數據的采集、數據的分析及處理、繪圖輸出、數字濾波、曲線擬合等幾部分功能組成。下面介紹系統中包含的幾種關鍵軟件的程序設計。

4.1信號的采集

在電液電磁閥靜態試驗中.要對電磁閥的電流，壓力和流量等參數進行采集.因此數據采集是測試軟件編程的重要部分。本系統的數據采集主要是對模擬信號的采集，圖7是信號采集程序框圖。

4.2數字濾波

測試系統中數據采集系統所工作的現場，有很多干擾信號，有時幅度很大，這些干擾信號影響到到測量精度和測量的可靠性，必須將它濾除。大部分數據采集系統會不同程度受到電源線等50Hz的噪聲干擾，大多數信號調理設備都包含低通濾波器，能最大限度地消除50Hz或60Hz的噪聲。

設h（n），n=0，1，2，…是濾波器的沖擊響應。一個線性時不變濾波器若對n≥N（N為正整數），有h（n）=0，則稱其為有限沖擊響應濾波器（FIR），否則稱之為無限沖擊濾波器（ⅡR）。有限沖擊響應濾波器總是穩定的，設計方法較多，但是效率不高，定義困難。ⅡR濾波器的設計源于傳統的模擬濾波器設計，可以通過對低通模擬濾波器進行模擬頻率變換得到ⅡR濾波器。通常ⅡR濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器、貝塞爾濾波器等。

巴特沃斯濾波器的優點是具有平滑的單調遞減的頻率響應，在通帶中是理想的單位響應，在阻帶中響應為零，在截斷頻率處有3 dB衰減，高階巴特沃斯濾波器的頻率響應近似于理想低通濾波器。本系統中采用的是巴特沃斯低通濾波器，圖8是巴特沃斯低通濾波器程序框圖。

4.3曲線擬合

電磁閥的很多測試項目需要計算特性參數，由于實際誤差的存在，計算機采集的數據往往不是理論函數的表達，這就需要將測試的數據進行數值處理，使得繪制曲線以吻合平滑曲線，從而準確求取特性參數。以電磁閥零偏參數的計算方法為例，首先介紹名義流量曲線的概念，名義流量曲線是流量回線的中點軌跡。零偏是名義流量曲線與零流量軸線交點的電流值。本系統中零偏的程序實現是：首先對計算機采集的流量數據和電流數據進行分段插值，利用插值函數求取名義流量曲線，但是此時得取的只是名義流量曲線上一些離散的數據點，并無法計算出此名義流量曲線與零流量軸線交點的電流值，利用Labview曲線擬合程序中的基于最小絕對殘差的直線擬合方法擬合出名義流量曲線，進而求取此曲線與零流量軸線交點的電流值，即零偏值。圖9是曲線擬合程序框圖。

5測試結果分析

圖10是某一型號汽車變速箱流量閥靜態測試和閉環測試曲線圖，最后輸出的報表圖形將加入計算的參數值，并根據預先設定的范圍給出合格與否的判定結果。圖10中流量一電流測試曲線中的虛線為預先設定的曲線界定范圍，可使用戶一目了然的對曲線做出整體判斷。從圖10中可以看到本文設計的電磁閥自動測試系統，在測試精度，測量方式上都滿足實際要求，并得到了良好的應用。

6 結論

本文所述的電磁閥自動測試平臺，采用模塊化設計的方法對硬件和軟件進行設計，實現汽車變速箱用流量、壓力電磁閥的靜態特性測試，動態特性測試和閉環特性測試。模塊化的軟硬件設計方式，根據不同的測試需求設計相應的軟件模塊和硬件模塊，方便日后系統的擴展，縮短研發周期，對于同類型電磁閥測試系統的研制具有很好的借鑒價值。該系統至今投入使用一年多，參與多套電磁閥的測試任務，收到了良好的效果。