專利名稱：一種位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能高精度測試 方法，屬于電液伺服閥的測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電液伺服閥能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)化為液壓信號，是電液伺服系統(tǒng)的核 心關(guān)鍵元件，廣泛應(yīng)用在航空、航天、冶金、車輛、電力和武器裝備 等領(lǐng)域。電液伺服閥的動態(tài)性能直接影響著伺服系統(tǒng)的品質(zhì)，而電液 伺服閥的動態(tài)性能測試一直是測試領(lǐng)域的難點。
電液伺服閥輸入信號是電流信號，輸出信號是流量信號，其動態(tài) 特性測試是指輸出的流量信號隨輸入的電流信號頻率變化的動態(tài)響 應(yīng)關(guān)系。 一般認為電液伺服閥是一個線性定常系統(tǒng)，若輸入電流信號 為正弦信號，其輸出流量信號也為同頻率正弦信號，其幅值和相位隨 著信號頻率的增大而發(fā)生衰減和滯后。
由于一直缺乏高靈敏度和高精度的動態(tài)流量傳感器，因此，電液 伺服閥輸出流量一般通過無載油缸來進行間接測量。經(jīng)過特殊設(shè)計和 精密加工的無載油缸固有頻率很高，高壓下幾乎無泄漏，運動摩擦力 很小，因此，可以將無載油缸的運動速度等效于電液伺服閥的動態(tài)輸 出流量。
傳統(tǒng)的電液伺服閥動態(tài)性能測試采用速度傳感器測量無載油缸 的動態(tài)信號，受到速度傳感器固有特性的影響，傳統(tǒng)測量方法存在著 測試范圍狹窄、信號質(zhì)量受安裝精度影響大等問題。同時，由于信號 發(fā)生器中晶體振蕩器和分頻器的固有特性，難以精確產(chǎn)生許多特殊的 測試頻率點，造成了給定信號的頻率誤差，影響了幅頻特性和相頻特 性的測試精度，特別是高頻測試時更加嚴重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能高精 度測試方法，有效地解決了傳統(tǒng)測試方法存在的問題(需要高精度快 響應(yīng)的速度傳感器、測量范圍狹窄、某些頻率點誤差大使得動態(tài)性能 測試精度低等)，大大簡化了測試過程，顯著提高了電液伺服閥動態(tài) 特性測試精度。
本發(fā)明采用位移傳感器測量無載油缸動態(tài)位移，通過對位移信號 進行一系列分析處理獲得速度信號，計算電液伺服閥的頻率特性。位 移信號和電流信號首先經(jīng)過硬件濾波放大，轉(zhuǎn)變成標準電壓信號，高
速采集卡(板載FIFO)對這兩路信號進行高速同步A/D轉(zhuǎn)換，然后對 數(shù)字信號進行軟件數(shù)字濾波，并對位移信號進行微分變換和移相處理 后得到無載油缸速度信號和對應(yīng)時刻的電流信號，最后通過相關(guān)分析 精確計算得到電液伺服閥伺服閥的動態(tài)特性。
為了消除信號源產(chǎn)生的正弦信號頻率誤差，本發(fā)明提出了精確頻 率測試與插值計算相結(jié)合的測試方法。首先對測試頻率進行誤差分 析，若頻率誤差較大，則分別進行精確低頻值(小于且距離最近的精 確頻率點)測試和精確高頻值(大于且距離最近的精確頻率點)測試， 最后對測試結(jié)果進行線性插值，計算結(jié)果作為特殊頻率點的測試結(jié) 果。本發(fā)明有效的消除了信號頻率誤差，顯著提高了電液伺服閥的動 態(tài)特性特別是相頻特性的測試精度。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的
采用位移傳感器作為無載油缸運動檢測元件，位移信號和電流信
號經(jīng)過硬件濾波放大后，由板載FIFO的高速采集卡對這兩路信號進 行同步A/D轉(zhuǎn)換，由計算機軟件對兩路信號進行相同的數(shù)字濾波，對 位移信號進行微分變換、移相處理后得到無載油缸速度信號，再通過 兩路信號的相關(guān)分析精確計算得到伺服閥的動態(tài)特性；
采用自適應(yīng)均值濾波法，去除噪聲信號；在A/D采樣速率不變的 情況下，不同激勵頻率下的周期數(shù)據(jù)量是不一樣的，若采樣速率為乂， 一個波形周期內(nèi)最小采樣點數(shù)為50，則濾波點數(shù)《與測試頻率,存
在如下關(guān)系
尺S-A, ^21 50/c
微分處理的作用是根據(jù)數(shù)字濾波后的位移計算出速度值，其基本 原理是根據(jù)相鄰兩點間位移變化量和時間間隔，計算出兩點的速度 值；若采樣速率為,，位移數(shù)據(jù)為S,，則速度K可通過如下公式計算 得到
相關(guān)分析的作用是將伺服閥的輸入電信號和輸出速度信號進行
相關(guān)變換，計算兩者間的幅值比和相位差；相關(guān)分析是一種基于相關(guān) 濾波的處理算法，它對干擾噪聲有很好的抑制作用；
根據(jù)微分處理算法可知，微分過程計算的是兩點間的平均速度， 而不是瞬時速度，這就對最后結(jié)果造成了相位誤差；移相變換的作用 是進一步提高處理精度，減少微分過程的相位誤差，特別是高頻段更 加重要；若一個周期的波形點數(shù)為N，則移相變換后的相位差《與原 始相位差《之間存在如下關(guān)系
根據(jù)以上關(guān)系式可以對因微分變換造成的相位誤差進行修正，從 而保證了測試精度；
測試信號的頻率主要是由信號發(fā)生器卡中晶體振蕩器、分頻計數(shù) 器和波形點數(shù)決定的；晶體振蕩器頻率一般是固定不變的，測試頻率 是通過設(shè)置分頻計數(shù)器和波形點數(shù)來進行改變，若晶振頻率為/。，分 頻計數(shù)器值為^，波形點數(shù)為iV，則信號頻率/￡可用下式計算
由于分頻計數(shù)器值和波形點數(shù)只能設(shè)置為整數(shù)，因此在一些特殊 的頻率測試點，信號發(fā)生器卡產(chǎn)生的信號具有較大的頻率誤差；經(jīng)過 分析可知，頻率誤差將隨著測試點頻率的增加迅速加大。采用精確頻率測試與插值計算相結(jié)合的方式，首先對測試點頻率 進行誤差分析，判斷頻率誤差是否大于設(shè)定閾值；對于頻率誤差較大 的測試點，首先選取-一個小于且距離測試頻率最近的精確頻率點，進 行精確低頻但測試，其次選取 個大于且距離測試頻率最近的精確頻 率點，進行精確高頻值測試；最后對精確低頻測試和精確高頻測試結(jié) 果進行插值，將計算結(jié)果作為特殊頻率點的測試結(jié)果。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明對比已有技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)測試 方法存在的問題(需要高精度快響應(yīng)的速度傳感器、測量范圍狹窄、 某些頻率點誤差大使得動態(tài)性能測試精度低等)，大大簡化了測試過 程，顯著提高了電液伺服閥動態(tài)特性測試精度。


圖1為基于位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能測試原理框圖。
具體實施方法
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如附圖1所示，位移傳感器輸出的位移信號和電液伺服閥的輸入 電流信號首先經(jīng)過硬件調(diào)理電路，轉(zhuǎn)變成標準的計算機信號。硬件調(diào) 理電路具有電流轉(zhuǎn)換、硬件濾波和信號放大等作用電流信號不能直 接被計算機采集，它通過調(diào)理電路的高精度取樣電阻，轉(zhuǎn)變?yōu)?10 10V的電壓信號；硬件濾波的作用是消除原始信號中所包含的高頻噪 聲信號，濾波截止頻率一般大于2KHz，防止在高頻測試時造成信號 幅值衰減和相位滯后；信號放大共有三級放大(放大2倍、5倍和10 倍)，對中高頻測試時的小位移信號進行波形放大，提高信號質(zhì)量。
位移模擬信號和電流信號經(jīng)過A/D采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由軟
件對兩路信號進行相同的數(shù)字濾波，另外對位移信號進行微分變換、 移相處理，得到速度信號后，通過相關(guān)分析計算動態(tài)指標。信號數(shù)字 處理包括濾波、微分、移相和相關(guān)分析等幾個步驟。
數(shù)字濾波的作用是進一步去除噪聲信號，本發(fā)明采用自適應(yīng)均值
濾波法。在A/D采樣速率不變的情況下，不同激勵頻率下的周期數(shù)據(jù)
量是不一樣的，例如單通道A/D采樣速率為200K/s，測試頻率為 10Hz時的周期數(shù)據(jù)為2000，測試頻率為100Hz時的周期數(shù)據(jù)為200。 若采樣速率為/,， 一個波形周期內(nèi)最小采樣點數(shù)為50，則濾波點數(shù)J 與測試頻率乂存在如下關(guān)系
50/c
微分處理的作用是根據(jù)數(shù)字濾波后的位移計算出速度值，其基本 原理是根據(jù)相鄰兩點間位移變化量和時間間隔，計算出兩點的速度 值。若采樣速率為義，位移數(shù)據(jù)為S,，則速度^可通過如下公式計算
得到
相關(guān)分析的作用是將伺服閥的輸入電信號和輸出速度信號進行 相關(guān)變換，計算兩者間的幅值比和相位差。相關(guān)分析是一種基于相關(guān) 濾波的處理算法，它對干擾噪聲有很好的抑制作用。
根據(jù)微分處理算法可知，微分過程計算的是兩點間的平均速度， 而不是瞬時速度，這就對最后結(jié)果造成了相位誤差。移相變換的作用 是進一歩提高處理精度，減少微分過程的相位誤差，特別是高頻段更
加重要。若一個周期的波形點數(shù)為N，則移相變換后的相位差《與原
始相位差《之間存在如下關(guān)系
《-H
根據(jù)以上關(guān)系式可以對因微分變換造成的相位誤差進行修正，從 而保證了測試精度。
測試信號的頻率主要是由信號發(fā)生器卡中晶體振蕩器、分頻計數(shù) 器和波形點數(shù)決定的。晶體振蕩器頻率一般是固定不變的，測試頻率 是通過設(shè)置分頻計數(shù)器和波形點數(shù)來進行改變，若晶振頻率為/。，分 頻計數(shù)器值為《，波形點數(shù)為iV，則信號頻率,可用下式計算<formula>formula see original document page 9</formula>由于分頻計數(shù)器值和波形點數(shù)只能設(shè)置為整數(shù)，因此在一些特殊 的頻率測試點，信號發(fā)生器卡產(chǎn)生的信號具有較大的頻率誤差。例如，
若頻率測試點為101Hz，波形點數(shù)設(shè)為500，根據(jù)公式可計算出分頻 計數(shù)器值為40，則實際信號頻率為100Hz，頻率誤差為lHz。經(jīng)過分 析可知，頻率誤差將隨著測試點頻率的增加迅速加大。
為了消除信號頻率誤差所產(chǎn)生的幅頻和相頻特性誤差，本發(fā)明設(shè) 計了一種精確頻率測試與插值計算相結(jié)合的測試方法。如附圖1所
示，它的基本工作過程如下首先對測試點頻率進行誤差分析，判斷 頻率誤差是否大于設(shè)定閾值；對于頻率誤差較大的測試點，首先選取 一個小于且距離測試頻率最近的精確頻率點，進行精確低頻值測試， 其次選取--個大于且距離測試頻率最近的精確頻率點，進行精確高頻 值測試；最后對精確低頻測試和精確高頻測試結(jié)果進行插值，將計算 結(jié)果作為特殊頻率點的測試結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能測試方法，其特征在于采用位移傳感器作為無載油缸運動檢測元件，位移信號和電流信號經(jīng)過硬件濾波放大后，由板載FIFO的高速采集卡對這兩路信號進行同步A/D轉(zhuǎn)換，由計算機軟件對兩路信號進行相同的數(shù)字濾波，對位移信號進行微分變換、移相處理后得到無載油缸速度信號，再通過兩路信號的相關(guān)分析精確計算得到伺服閥的動態(tài)特性；采用自適應(yīng)均值濾波法，去除噪聲信號；在A/D采樣速率不變的情況下，不同激勵頻率下的周期數(shù)據(jù)量是不一樣的，若采樣速率為fs，一個波形周期內(nèi)最小采樣點數(shù)為50，則濾波點數(shù)K與測試頻率fc存在如下關(guān)系<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>K</mi><mo>&le;</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>50</mn></mfrac><mfrac> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub> <msub><mi>f</mi><mi>c</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2007101784660C00011.gif" wi="19" he="10" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->K≥1微分處理的作用是根據(jù)數(shù)字濾波后的位移計算出速度值，其基本原理是根據(jù)相鄰兩點間位移變化量和時間間隔，計算出兩點的速度值；若采樣速率為fs，位移數(shù)據(jù)為Si，則速度Vi可通過如下公式計算得到Vi＝(Si+1-Si)fs相關(guān)分析的作用是將伺服閥的輸入電信號和輸出速度信號進行相關(guān)變換，計算兩者間的幅值比和相位差；相關(guān)分析是一種基于相關(guān)濾波的處理算法，它對干擾噪聲有很好的抑制作用；根據(jù)微分處理算法可知，微分過程計算的是兩點間的平均速度，而不是瞬時速度，這就對最后結(jié)果造成了相位誤差；移相變換的作用是進一步提高處理精度，減少微分過程的相位誤差，特別是高頻段更加重要；若一個周期的波形點數(shù)為N，則移相變換后的相位差θ1與原始相位差θ0之間存在如下關(guān)系
2.如權(quán)利要求1所述的一種位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能測試方法，其特征在于采用精確頻率測試與插值計算相結(jié)合的方式，首先對測試點頻率進行誤差分析，判斷頻率誤差是否大于設(shè)定閾值； 對于頻率誤差較大的測試點，首先選取一個小于且距離測試頻率最近 的精確頻率點，進行精確低頻值測試，其次選取一個大于且距離測試 頻率最近的精確頻率點，進行精確高頻值測試；最后對精確低頻測試 和精確高頻測試結(jié)果進行插值，將計算結(jié)果作為特殊頻率點的測試結(jié) 果。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于位移測量的電液伺服閥動態(tài)性能高精度測試方法，屬于電液伺服閥的測試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用位移傳感器作為無載油缸運動檢測元件，位移信號和電流信號經(jīng)過硬件調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、微分變換、移相處理和相關(guān)分析，精確測試電液伺服閥動態(tài)性能。本發(fā)明采用精確頻率測試與插值計算相結(jié)合的方式，消除了信號源產(chǎn)生的正弦信號頻率誤差，有效減少了由于激勵信號誤差而造成的測試誤差，顯著提高了電液伺服閥的動態(tài)性能特別是相頻特性的測試精度。
文檔編號G01M99/00GK101183050SQ20071017846
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者汪首坤, 王軍政, 趙江波, 馬立玲 申請人:北京理工大學(xué)