（机械电子工程专业论文）比例电磁铁性能测试系统的研发.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 电液比例技术已经广泛应用于国民经济的各行各业，对各行业技术和生产效 率产生了重要影响。比例电磁铁是机电一体化系统中连接电气技术和机械技术的 重要电气一机械转换器，其性能优劣对电控机械元件及系统性能有着重大的影 响。由于影响比例电磁铁性能的因素较多，因此在对其性能进行研究的过程中， 往往更注重实际性能特性测试，实测结果比理论计算结果更能准确地反映其实际 特性，然后依据其测试结果的分析研究结论对比例电磁铁进行改进设计。 本课题在综合分析前人研制电磁铁测试台的方案和相关电磁铁测试国标的 基础上，搭建了以工控机和p l c 为上下位机的比例电磁铁测试系统。对相关的 比例电磁铁进行了性能测试，并分析了测试台的测试性能。主要内容如下： 第一章，概述了比例技术的发展概况、比例电磁铁的结构原理及比例电磁铁 测试方法的研究现状，并阐述了课题的研究背景及意义和主要研究内容及难点。 第二章，依据相关测试国标，制定了位移型和力型比例电磁铁测试台的总体 方案，即机械系统方案和测试系统方案。在综合比较分析现行的各测试系统方案 的基础上，决定采用工控机+ p l c 的上下位机式测控系统方案。 第三章，主要讨论了上位机模块所实现的基于v i s a 的串口通信、控制信号 生成、高速数据采集、数字滤波、性能参数计算、测试报表创建及打印、试验数 据库管理及手动测试等功能的方法。 第四章，论述了下位机模块r s 2 3 2 串口通信、步进电机调零定位控制、继 电器按钮控制及传感器安全保护等功能的实现过程。 第五章，介绍了比例电磁铁的测试硬件平台及其功能测试结果，分析了比例 电磁铁测试台的测试性能。 第六章，总结全文的研究工作，并对今后进一步的研究方向提出展望。 关键词：比例电磁铁性能测试上位机模块下位机模块功能测试性能 分析 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ys e c t o r s ， a n dg r e a t l yi m p r o v e dt h et e c h n i q u ea n de f f i c i e n c yi nt h e s es e c t o r s p r o p o r t i o n a l s o l e n o i di sa ni m p o r t a n te l e c t r i c m e c h a n i c a lc o n v e r t e rw h i c hc o m b i n e se l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a l t e c h n i q u e ， i t s p e r f o r m a n c e h a s g r e a t i n f l u e n c eo nt h e e l e c t r i c a l l y c o n t r o l l e dm e c h a n i c a lc o m p o n e n t sa n ds y s t e mp e r f o r m a n c e a st h e r ea r e m a n yf a c t o r sa f f e c t i n gp e r f o r m a n c eo fp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ，d u r i n gt h ea n a l y s i s p r o c e s so ni t sp e r f o r m a n c e ，i tu s u a l l yp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ep r a c t i c a lt e s to f p e r f o r m a n c e ，t h ep r a c t i c a l t e s tr e s u l tm o r e a c c u r a t e l y r e f l e c t si t s p r a c t i c a l p e r f o r m a n c ea f t e ra l l ，a n dt h e nw ec a ni m p r o v et h ed e s i g no fp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs c h e m eo ff o r m e r l y d e v e l o p e dt e s t r i go nt h e p r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n dn a t i o n a ls t a n d a r d sr e l a t e dt os o l e n o i dt e s t ，at e s ta n dc o n t r o l s y s t e mw h i c hc o n s i s t so fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dp l c i sd e v e l o p e d p e r f o r m a n c eo f r e l a t e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i di st e s t e d p e r f o r m a n c eo ft e s tr i gi sa n a l y z e d t h em a i n a r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to fp r o p o r t i o n a lt e c h n i q u e ，s t r u c t u r a lp r i n c i p l eo f p r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n dr e s e a r c hs t a t u so fi t st e s tm e t h o da l es u m m a r i z e d ，a n ds o a r et h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c ea n dt h em a i nc o n t e n to fr e s e a r c ho nt h e s i s i nc h a p t e r2 ，t h eo v e r a l ls c h e m e ( i n c l u d e ss c h e m eo fm e c h a n i c a ls y s t e ma n dt e s t s y s t e m ) o ft e s tr i gf o rd i s p l a c e m e n tp r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n df o r c ep r o p o r t i o n a l s o l e n o i di se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt or e l a t e dn a t i o n a lt e s ts t a n d a r d s c h e m eo ft e s ta n d c o n t r o ls y s t e mw h i c hc o n s i s t so fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dp l ca su p p e ra n dl o w e r c o m p u t e ri sa d o p t e d i nc h a p t e r3 ，t h em e t h o do fr e a l i z i n gf u n c t i o no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nb a s e do n v i s a ，c o n t r o ls i g n a lg e n e r a t i n g ，f a s td a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，c a l c u l a t i o no f p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，d a t as t o r a g e ，t e s tr e p o r tf o r m s c r e a t i o na n dp r i n t i n g ， e x p e r i m e n t a ld a t a b a s ea d m i n i s t r a t i o na n dm a n u a lt e s ti sm a i n l yd i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，r e a l i z a t i o np r o c e s so ff u n c t i o n so fr s 一2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ， l l 浙江人学硕上学位论文a b s t r a c t z e r oa d j u s t m e n ta n dp o s i t i o n i n gc o n t r o lo fs t e p p e rm o t o r ，c o n t r o lo fs w i t c h e sa n d b u t t o n sa n ds a f e t yp r o t e c t i o no ns e n s o r si si l l u s t r a t e d i nc h a p t e r5 ，t e s tr i go fp r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n di t sf u n c t i o n a lt e s t i n gr e s u l t sa re i n t r o d u c e d ，p e r f o r m a n c eo fp r o p o r t i o n a ls o l e n o i di sa l s oa n a l y z e d i nc h a p t e r6 ，t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i si ss u m m a r i z e d ，a n dt h eo r i e n t a t i o no f f u r t h e rr e s e a r c hi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ，p e r f o r m a n c et e s t ，u p p e rc o m p u t e r , l o w e r c o m p u t e r ，f u n c t i o nt e s t ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ! 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究上作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育秽l 构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同上作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿 盟可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕l - 学位论文致谢 致谢 本论文是在导师周华教授的悉心指导下完成的。周老师以他宽广的视野、 丰富的实践经验、严谨的治学风格及深厚的理论基础给予我深刻的启迪，为我的 课题研究指明了方向。研究生两年多的时间里，在学习和科研上周老师对我严格 要求，并鼓励我大胆向前，对课题过程中的一些犯错给予给大的包容。对此，谨 向尊敬的恩师周华教授表达我深深的谢意! 感谢同课题组的杨华勇教授、傅新教授、阮晓东教授、龚国芳教授、徐兵 教授等在学习和科研上对我的关心和帮助。在此，对向他们表示衷心的感谢和深 深的敬意! 非常感谢中船重工七零七所九江分部的潘主任、张处长、张主任、魏部长 在本课题研究的过程中对我的帮助和指导。 在本课题研究的研究过程中，王俊霞师姐、周成和谢安桓同学给予了大力 的帮助，深深地感谢他们! 感谢翟江博士在研究生期间对我的指导与帮助。 感谢实验室的成琳琳师姐，张增猛、王彬、王伟、付志良、李根义、邵玉 强、魏新师兄，侯交义、张钊、宋伟、陈英龙、徐巧宁、章寅、王道臣、金斌， 金聪、罗凯、邵勇、陈琨、劳立明及余航同学对我科研及生活上的关心和帮助； 感谢他们在实验室创造了一个良好的科研和学 - - 3 气氛，他们的存在使我两年多的 研究生生活中增加了不少的笑容与快乐，真诚地感谢他们! 感谢宿舍的室友创造了一个良好的宿舍氛围，感谢他们对我生活上的帮助与 关心。感谢班上的同学创造了一个友爱的班集体，感谢他们对我学习和生活上的 帮助。 感谢父母多年来对我学习生活的默默关怀与帮助，没有他们一直以来含辛茹 苦地培养就没有今天的我。 吴海锋 2 0 1 0 年3 月干求是园 浙江大学硕： 学位论文 第l 章绪论 1 1 比例技术的发展 第1 章绪论 二战后期，由于喷气式飞机速度很高，因此对控制系统的快速性、动态响应 精度和功率一重量比都提出了更高的要求。1 9 4 0 年底，在飞机上首次出现了电 液伺服控制系统。经过2 0 多年的发展，到2 0 世纪6 0 年代，各种结构的电液伺 服阀相继问世，电液伺服技术日臻成熟。6 0 年代后期，各类民用工程对电液控 制技术的需求显得更加迫切与广泛。但由于传统的电液伺服阀对流体介质的清洁 度要求十分苛刻，制造成本和维护费用非常高，系统能耗也比较大，难以为各工 业用户所接受。而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的要求。电液 比例控制技术就是为适应开发一种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工 程技术实际需求的电液控制技术的要求，从1 9 6 0 年代末以来迅速发展起来的。 电液比例控制系统是指使用比例元件( 含比例控制器等) 的液压系统。严格的 说，比例控制是实现原输入量与系统的被控制量之间线性关系的技术手段，依靠 这一手段保证输出量的大小按照确定的比例随着输入量的变化而变化。比例阀则 是以传统的工业用液压阎为基础，采用可靠、廉价的模拟电气一机械转换器( 比 例电磁铁等) 和与之相应的阀内设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同、 阀内压力损失低、性能又能满足大部分工业控制要求的比例控制元件。由电液伺 服比例元件为主而组成的电液伺服比例控制系统，具有响应快、功率比( 功率与 重量比) 大、自动化控制程度高等显著特点，因此在大惯量，要求快响应，广泛 应用于自动控制的机床、冶金、矿山、石化、电化、船舶、军工、建筑、起重、 运输等领域【l j 。 到目前为止，比例技术的发展大致经历以下四个阶段： 1 ) 诞生时期。从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的 诞生。这一阶段，比例阀仅仅将电气一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液 压阀，以替代开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化， 工作频宽仅在1 5 h z 之间。 2 ) 第二阶段。1 9 7 5 年到1 9 8 0 年间，采用各种内反馈原理的比例元件大量 浙江大学硕二仁学位论文第l 章绪论 问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。比例元件的工作频 宽已达到5 1 5 h z ，应用领域也日渐扩大。 3 ) 第三阶段。2 0 世纪8 0 年代，比例元件的设计原理采用了压力、流量、 位移内反馈、动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都 有了进一步的提高。另外，比例技术开始和插装阀相结合，已开发出不同功能和 规格的二通、三通比例插装阀，形成了8 0 年代的电液比例插装技术。同时，随 着电子器件和传感器的小型化，出现了一批电液一体化的比例元件，比例技术朝 着集成化方向发展。 4 ) 第四阶段。2 0 世纪9 0 年代中后期，比例技术开始大量进入行走机械领 域，各种节能的负载敏感控制、负载适应控制等节能器件与系统日益增多。另外 为适应电液比例闭环控制的快速增长需要，出现了在一个新层面上伺服技术与比 例技术相结合的产物，即比例伺服阀，使得比例技术和伺服技术的交融与整合更 进了一步。 在当今发达国家，由电液比例阀、电液伺服阀，以及配有专用电子控制器和 相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，它的应用与 发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展程度的重要标志，是液压工 业又一个新的技术热点和增长点。在我国同样有一大批主机产品的发展，需要应 用该项技术，因此，将其列为促进我国液压工业发展的关键技术之一。国外近年 来，电液伺服比例技术的发展，较集中地反映在其相关的主要基础元件的改进和 发展上，主要包括：电液伺服阀向着结构简化、低制造成本、高抗污染能力和高 可靠性方向发展，研究开发了大功率永磁直线力马达，形成了新型的直接驱动式 伺服阀产品系列；电液比例阀向通用化、模块化、组全化、集成化方向发展，以 实现规模经济，降低制造成本；电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小 型化、集成化，达到高可靠性的目的。电流伺服比例技术的这些主要基础元件的 相互衔接愈来愈密切，另部件通用化程度不断提高。我国的电液比例技术发展始 于7 0 年代中期，与国际水平存在较大差距1 2 i ，主要表现在：机械液压阀的研制 基础薄弱，机械材料及工艺基础与国外先进技术存在较大差距；另外现代电子技 术的基础元件及系统集成技术也较差，并且电子技术和机械技术都缺乏足够的工 业性试验研究，性能和可靠性较差；正因为前二者的原因，所以缺乏主导系列产 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 品，品种规格不全。 1 2 比例电磁铁测试技术的研究现状 1 2 1 比例电磁铁的结构原理 比例电磁铁是电液比例控制元件的电气一机械转换器，其功能是将比例控制 放大器的输出电流信号转换成输出力或位移。它是电液比例控制技术中应用最广 泛的电气一机械转换器，比例电磁铁的特性及可靠性，对电液比例控制系统和元 件有着十分重要的影响。 经过多年的发展，比例电磁铁的品种比较多，但其基本结构原理和大致相 同。典型的比例电磁铁结构主要由衔铁、导套、极靴、壳体、线圈、推杆等组成 如图1 1 。导套前后两段由导磁材料组成，中间一段为非导磁材料( 隔磁环) ，高强 度的导套一般能够承受3 5 m p a 的高压。导套前段和极靴组合，构成带锥形端部的 盆形极靴。导套前段和极靴组合，形成带锥型端部的盆型极靴，其相对尺寸决定 了比例电磁铁稳态特性曲线的形状。轴承环则是用来提高衔铁和导套之间的配合 精度，从而减小两者之间的摩擦，提高静态特性和响应特性。衔铁的前端装有推 杆，用以输出力或位移；后端一般还装有弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可以 在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整。 1 推杆2 工作气隙3 非工作气隙4 衔铁5 轴承环6 隔磁环7 导套8 限位片 图1 - 1 典型比例电磁铁基本结构 比例电磁铁一般为湿式直流控制，与普通直流电磁铁相比，由于结构上的特 殊设计，使之形成特殊的磁路，从而使它获得基本的吸力特性，即水平的行程一 力特性，与普通直流电磁铁的吸力特性有着本质区别。比例电磁铁的磁路，在工 作气隙附近被分为两部分：，和：，如图l 一2 a 所示。其中，沿轴向穿过工作气 隙进入极靴， 产生轴向推力鼻；而：则穿过径向间隙进入导套前端，产生轴向 3 浙江大学硕上学位论文 第1 章绪论 附加力e 。二者综合得到比例电磁铁的 ( a ) ( b ) 图1 - 2 比例电磁铁磁路及行程力特性图 行程一力特性，如图1 2 b 所示。这种特殊形式磁路的形成，主要是由于采用了隔 磁环结构，构成了一带锥形周边的盆型极靴。因此，盆口部位几何形状及尺寸， 需要经过优化设计和试验研究才能决定l l i 。 1 2 2 比例电磁铁的分类 比例电磁铁根据使用情况和调节参数的不同，可分为力控制型，行程控制型 和位置调节型三种基本应用类型。 力控制型比例电磁铁直接输出力，它的工作行程较短，一般用在比例阀的先 导控制级上。在工作区内，具有水平的位移一力特性，即其输出力只与输入电流 成比例，而与位移无关。 行程控制型比例电磁铁是由力控制型比例电磁铁与负载弹簧共同工作而形 成的。电磁铁的输出力，通过弹簧转换成输出位移。即行程控制型比例电磁铁实 现了电流一力一位移的线性转换。这种类型的比例电磁铁，输出量是与电流成比 例的位移，其工作行程较大，多用在直接控制型比例阀上。行程控制型比例电磁 铁与力控制型比例电磁铁结构完全相同，只有使用条件的区别，因此它们的控制 特性曲线是一致的，都具有水平的位移一力特性和线性的电流一力特性。 上述比例电磁铁的衔铁位置如果通过位移传感器检测，构成位置电反馈闭 环，就形成了位置调节型比例电磁铁。位置调节型比例电磁铁的衔铁位置由其推 动的阀芯位置，通过一闭环调节回路进行调节。只要电磁铁运行在允许的工作区 域内，其衔铁就保持与输入电信号相对应位置不变，而与所受反力无关，即它的 4 浙江人学硕上学位论文 第1 章绪论 负载刚度很大。这类位置调节型比例电磁铁多用于控制精度要求较高的直接控制 式比例阀上。在结构上，除了衔铁的一端接上位移传感器( 位移传感器的动杆与 衔铁固接) 外，其余与力控制型、行程控制型比例电磁铁是相同的。 从结构上讲，比例电磁铁除了耐高压形式外，还有不耐高压的形式。不耐高 压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油腔压力。由于结构比较简 单，仍有不少电液比例阀配用这类电磁铁。 1 2 3 比例电磁铁测试的研究现状 液压测试系统从起步至今，经历了两个阶段：手工测试、记录阶段；计算机 辅助测试( c a t ) 阶段。随着测试控制技术、计算机技术和通信技术的迅速发展， 计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t ，简称c a t ) 控制技术日臻成熟，它改变了 传统的人工测试技术状况，液压c a t 技术也应运而生。 液压计算机辅助测试( 简称液压c a t ) 是一门新兴的综合学科所涉及范围 包括液压、自动控制、微型计算机、测试技术、数字信号处理、可靠性等。液压 c a t 利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计 算机对各试验参数，如压力、温度、流量、转速、扭矩等高精度的检测仪器和数 字转换技术对参数进行数据采集、量化，且充分利用计算机多次采集并计算所有 观测数据的平均值对试验数据进行处理，并伴随试验的进行随时输出测试结果。 在试验过程中，计算机还可根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制， 达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的。与常规液压测试系统相 比，液压c a t 系统主要有提高测试精度、提高测试速度、增强数据处理能力、 方便用户使用等优点。 计算机辅助测试方法比人工测试方法优越，但它们的测试机理都是一脉相承 的，其测试系统组成也基本相同。其测试系统基本组成模块有1 ) 被试电液比例 图1 - 3 电液比例测试系统组成框图 撕江人学碰t 学位论文 元件：2 ) 试验装置单元；3 ) 信号琢单元；4 ) 传感墨单元；5 ) 数据采集处理单 元：6 ) 显示记录及打印单元等，如图1 3 所示 2 0 0 0 年，中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用 “工控机+ 数据采集卡+ 传感器”测试装置替代传统的“传感器+ 函数记录仪”模 式，测试程序由v i s u a l c + + 开发剥试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集 卡发生，传感器的蒯试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将剥试得 到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的比例电磁铁性能曲线，测试性能 曲线可直接打印。整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统剥试方法高口j 尽 围1 - 4 寝压阁用电鞋铁测试系统结构哥 近期，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室硕士研究生吕超，提出一种 采用两种不同的测试机械结构分别测试高速开关比例电磁铁的静态特性和动态 特性的方法比例电磁铁静态特性和动态特性测试台架，如图l - 5 和1 6 所示。 底座的上端开有滑槽，便于电磁铁支架在底座中作横向移动及安装测试，通过手 动调整两个进给圈的位置宴现触杆的移动，从而调整比例电磁铁推轩的位置，位 置确定时两个进给圈夹紧中间支架，使推杆在轴向无法移动，实现定位。电磁铁 的输出力通过触杆传递给力传感器。动态特性测试台则用弹簧传递装置代替螺旋 l 底座2 电磁铁3 电磁铁支榘4 触杆5 力传感器6 主轴支架 7 防转螺钉8 避给圈9 主轴l o 传感器支架1 i 位移传感墨 囤i - 5 比谢电磁铁静态特性测试机构图1 - 6 比倒电磁铁袖奄特性测试机构 6 晰讧大学颤l 学位论文第l 市绪论 进给装置输出位移采用非接触武位移传疼器测量，实现动态位移和力的同步测 量吼 德国z w i c k 公司开发和生产了额定载荷高达2 0 0 0 k n 的比例电碰铁测试机， 可以对多种类型的比倒电磁铁进行垂直和水平方向的测试圉1 7 为垂直和水平 方向的比例电碰铁测试机，其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行“低” 和“标准”两种等级的额定载荷分别为1 k n 和25 k n 的测试 田1 7 德国z w i c k 公司比例电磁铁测试机 硬件部分主要包括装载单元，含脉宽调制的数字式电流耀及电流测试装置、 气动夹持单元、可交换适配器( 用柬调整夹持装置毗匹配不同外形尺寸曲电磁 铁) 、自动他连接装置履控制拒z w i c k 公司还开发了名为t e s 戗p e t l 的通用测试 软件n 1 3 课题研究的背景及意义 随着社会的不断发展，传统的j 葭压传动技术已经难以满足工业的需求2 0 世纪6 0 年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求显得愈发迫切，因此人们 希望开发一种可靠、价廉，且控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需 要的电液控制系统，于是电液比例技术就应运而生 到现在，电液比例技术已广泛地应用于国民经济的各个部门，使得工业生产 的自动化水平、控制精度及可靠性大大提高，较大地提高了社会生产力而比例 电磁铁做为电液比例元件和系统关键电气一机械转换动力元件，对电液比例控帚哇 系统及其元件性能和寿命有着直接的影响固此对比例电档铁的性能参数进行测 试分析，以满足各种用途的需要，有者十分重要的意义由于比例电磁铁影响四 蚓 l帛r黔 浙江人学硕十学位论文 第l 章绪论 素较多，假设计算也较多，参数选取难以与实际十分接近等原因，造成其特性的 理论计算结果与实际性能状态间往往存有一定的差异，因此在对其性能进行研究 的过程中，往往更注重对其性能特性进行实际测试，实测的结果较之理论计算结 果更能准确地反映其实际特性，然后对其测试结果分析研究得出的结论对于比例 电磁铁的设计、改进都具有重要意义1 5 i 。 本课题的目的就在于对比例电磁铁的综合性能测试系统进行研究，建立一个 上下位机模式的计算机辅助测试( c a t ) 系统。上位机为工控机，主要负责采集 传感器测试信号，并利用工控机强大的数据处理能力对采集到的数据进行分析处 理，绘制相关的性能曲线，计算相关的性能参数，创建并打印电磁铁测试结果报 表。下位机为p l c ，主要负责比例电磁铁的定位控制。实现对比例电磁铁性能特 性的自动化测试，使测试效率和测试精度得到较大的提高。加强对电磁铁性能特 性的试验研究，为比例电磁铁的改进设计研究提供实际数据支持。 1 4 课题主要研究内容及难点 本课题是在继承王俊霞硕士研究设计工作的基础上，研究开发基于上下位机 的比例电磁铁自动化测试平台，实现位移型和力型比例电磁铁静动态性能的综合 测试。她主要完成了测试台的总体方案设计，本文的主要研究内容如下： 1 ) 分析改善电磁铁性能测试方案设计：通过对目前几种主要的比例电磁铁 测试系统方案进行研究、分析和比较，完善上下位机的测试系统方案。依据相关 电磁铁测试标准，完善比例电磁铁的性能测试内容。 2 ) 位移型和力型比例电磁铁综合测试硬件平台的实现：即搭建电磁铁测试 台架、工控机测试模块、传感器模块、p l c 控制模块及测试台硬件电路模块。 3 ) 工控机和p l c 模块测试系统开发：即开发测试程序，实现位移型比例电 磁铁脉冲频率一位移特性、阶跃响应特性、频率响应特性、手动测试和力型比例 电磁铁行程一力特性、电流一力特性、阶跃响应特性、频率响应特性、手动测试 等功能，自动计算性能参数，创建比例电磁铁性能测试报表并打印，并对测试性 能参数建立管理数据库。 4 ) 测试平台的功能测试及性能分析，对测试台的位移型和力型比例电磁铁 性能测试的功能情况进行分析。 浙江人学顾：b 学位论文 第l 章绪论 课题的研究难点：位移型比例电磁铁频率响应特性测试，即比例放大板输入 信号一频率为l l ( 6 1 2 k h z 的正弦扫频高速脉冲信号的实现1 k , - , 6 1 2 k h z 的高速 脉冲频率呈正弦变化，数据采集卡的脉冲输出模块不能生成较高扫频频率的正弦 扫频高速脉冲信号，必须采用数据采集卡的d m a 高速输出来实现。 1 5 本章小结 本章主要介绍了近年来比例技术的发展概况、比例电磁铁的结构原理、主 要分类及比例电磁铁的研究现状。阐述了课题的研究背景及意义、课题研究的内 容及难点，即研发位移型比例电磁铁和力型比例电磁铁静动态性能测试系统，难 点是正弦扫频高速脉冲信号的生成。 9 * 学碰j ： 论文* 2 $ m 目也铁捌试幕缱的盟悼啦* 第2 章比例电磁铁测试系统的总体设计 2 l 测试需求分析 1 、位移型 匕例电磋铁 被剥位移型比例电磁铁的输出位移为l m m ，比例放大板工作电源电压为 2 0 v ，输入信号为1 k 61 2 k h z 频率的脉冲信号被测位移型比例电磁铁的技术 参数如下表2 一i ： 采工l 位荸型比例电诺铗主要技球事鼓 技术参数 鲴曩 外形尺寸0 7 0 x 1 1 3 r a m 输出位穆 1 强y 由阻 1 0 0 n 位移型比倒电瞄铁拉翩信号l k 一61 2 k h z 脉冲 比例放大板的z o v ：r - 作电源由可调线性电源提供，可调线性电源输出电压范 围是。一4 0 v ，比例放大板转入控制信号i k 61 2 k h z 脉冲由数据采集卡生成。比 例放大板的输入控制信号是频率为l k 61 2 1 d l z 的脉冲，比例放大板的输出为相 应占空比的p w m 信号船用比例电磁铁国标c b 3 4 0 3 - 9 1 里没有此类输入信号 的位移型比例电磁铁测试标准，但依据力型比例电磁铁测试标准，可推出其相应 需要测试的特性曲线及性能指标如下表2 - 2 。 表2 - 2 位移型比例电磁铁的主要特性曲线和性能指标 位移型比御电鞋铁的剥试性能特性曲线性能指标 脉冲额串一额定行程、线性度、对称度、 静态特性脉冲频率一位移特性 位移曲线 重复精度、频率滞环 阶跃响应特性阶跃响扈曲线 阶跃上升时问 动态特性 额牢响应特性藏率响应曲线 幅壤宽和相颠宽 2 ) 力型比例电磁铁 被刹比例电磁铁的行程为25 r a m ，输出力0 7 5 n ，比例放大板工作电源电 压为2 4 v ，输入信号为0 一l o v 模拟信号，电磁铁的输入电流为0 - 5 8 0 m a 被 浙江 学颐学位论文第2 班比饲l u 砒铁测试乐筑n 勺且体啦 刊力型比例电磁铁主要技术参数如下表2 - 3 ，根据船用比饲电磁铁国标 c b 3 4 0 3 9 1 ，需要测试的特性曲线及性能指标如下表2 、4 袁2 - 3 力型比蜘电磁铁主蔓技术参数 技术参数 外形尺寸3 5 x 3 5 x t 0 m m 工作行程 输出力 l 飞一r 内阻 力型比例电碰铁控制信号 表2 - 4 力型比饲电磁铁的主要特性曲鲺和性能指标 力型比例电啦铁的测试性能特性曲鲺性能指标 行程，额定力、 行程一力特性行程一力特性曲线 输入电漉、力滞环 静态特性 起始电流电琉滞环、 电流一力特性电流一力特性曲缦 线性度、重复精度 盼跃响应特性阶跃响应曲线阶蔽上升时间 动态特性 频率响应特性额串响应曲线幅频宽和相颡宽 匕例电磁铁的各主要特性曲线及性能参数的定义依照国家标准撮据比例 电磁铁测试国家标准的有关规定和要求，确立了如表2 - 5 所示的测试台关键测 试仪器技术指标要求 采2 - 5 潮试台关键穗试杖嚣技术指标要求 指标参数 力抟感器量程 力侍惑嚣精度 2 5 f s 力传感器响应频率8 0 0 z 澈光位移传盛器量程 煮光位移传患器精度 墩光位移传寤嚣响应额率 行程剥星光棚位穆传枣器量程 光栅位移传感嚣精度 浙江大学硕士学位论文第2 章比例i 乜磁铁测试系统的总体设计 电流传感器量程 l a 电流传感器精度5 m a 2 2 测试系统总体设计 2 2 1 系统结构原理 系统结构原理：比例电磁铁性能自动测试平台主要由机械系统和测控系统 两部分组成。测控系统由上位机( 工控机) 数据采集处理模块和下位机p l c 自 动控制模块组成。上位机数据采集处理模块通过数据采集卡高速采集高精度力 传感器、激光位移传感器及电流传感器的测量值，以及r s 2 3 2 串1 ：3 与下位机p l c 通信，向p l c 发出控制指令及接受p l c 反馈回的指令信息。然后由基于专业 信号测试软件l a b v i e w 8 2 强大的数据处理及分析能力对采集到的数据进行分 析处理，绘制所需的相关性能曲线，计算出相应的关键性能指标( 力滞环、额 定行程、额定输出力、电流滞环、输出力电流增益，线性度、重复精度等) ，最 控制系统j - l 1 j ，j 、o yl 图2 - 1 测试系统结构原理图 i l i i 器 浙江大学硕士学位论文 第2 章比例 u 磁铁测试系统的总体设计 后根据测试者的需要对测试结果进行保存、打印报表及添加入试验管理数据库。 下位机p l c 自动控制模块的主要任务有：根据上位机发送过来的指令，控制直 线步进电机将比例电磁铁定位到测试项目所需的位置，同时向上位机反馈所定 位状况。此外p l c 还控制可调电源电压及继电器的开合，为各电磁铁提供工作 电源及力型比例电磁铁颤振信号。测试系统结构原理图如图2 一l 所示。 机械系统主要是安装固定各测试传感器、直线步进电机和被测电磁铁，采 用直线步进电机推动导轨滑块机构，完成对比例电磁铁性能测试过程中所需的 定位要求，从而得到测试分析数据。 2 2 2 测试方案比较 比例电磁铁在电液比例控制系统中有非常重要的作用，比例电磁铁的性能 测试一直较为受重视。在比例电磁铁计算机辅助测试( c a t ) 的应用研究方面， 许多单位己做了较多的研究，实现形式也有许多种。 比例电磁铁的传统测试方法“函数记录仪+ 频率特性分析仪”存在检测准确 度不高，测试灵活性较差，测试速度较慢等缺点。而以计算机为基础的辅助测 试系统( c a t ) 通过建立一套完整的数据采集和控制系统，从而构成一个功能全 面而自动化的测试平台。高速高精度地采集比例电磁铁的输出力、输出位移及 输入电流，计算机对采集到的测试数据进行自动处理和分析，实时显示测试结 果，绘制测试性能曲线。 比例电磁铁测试系统的实现形式较多。通过不同的方式将计算机、单片机 或d s p 系统、虚拟仪器技术和软件技术组合，可以实现功能相似但不同结构、 开发周期、成本及测试精度的计算机辅助测试方案。目前测控方案的构成主要 有如下几种： 1 ) “计算机+ 单片机( 或d s p p 的上下位机组合方案。这种方案使用计算 机和单片机组成的主从结构，计算机负责信号的采集、处理及对测试数据绘制 相关的曲线并将其结果输出，单片机负责比例电磁铁信号生成、采集相关的数 据进行控制等功能。该测试方案实现的硬件成本低，但实现这样的方案需要开 发可靠的硬件测试电路，所需开发时间较长，工作量大，一般只在需要批量装 置测试工业产品时才选用。 2 ) “工控机+ 数据采集卡”的测试系统。测试系统利用数据采集卡进行高速 浙江大学硕十学位论文第2 章比例电磁铁测试系统的总体设计 高精度数据采集，同时利用工控机强大的数据处理能力对测试数据进行所需的 处理，并将所得结果实时显示。但此类测试系统的工控机承担测试平台的所有 控制任务和测试工作，对工控机的可靠性要求较高。而工控机的操作系统和应 用软件的稳定性不是很好，且其抗干扰能力也不如p l c 。因此此种方案不是最 优选择，过程控制最好还是由稳定性和可靠性较好的控制器完成。 3 ) “p l c + 触摸屏”为基础的测试系统。由于p l c 的数据处理能力较差， 因而无法完成测试所需的相关数据处理，如绘制性能曲线及计算性能参数。另 外由于p l c 的扫描周期较长，因此无法实现高速信号的采集和生成，因而无法 完成频率特性和瞬态响应的动态性能测试。 4 ) “工控机+ p l c ”构成的上下位机系统，以工控机为数据测试分析的上 位机，p l c 为定位控制的下位机。测试平台控制部分完全由稳定性、可靠性较 好的p l c 完成，而高速数据采集及处理则由具有强大数据处理能力的工控机完 成。这种测试方案充分利用了工控机和p l c 的性能特点，且开发周期短，功能 的扩展性也较好1 3 l 。 2 2 3 上下位机模式测试方案 由上综合比较可知，电磁铁测试系统采用方案4 ) 的“工控机+ p l c ”上下 位机模式较为适合。p l c 为比例电磁铁测试系统的控制中心，它负责接收上位 机工控机的命令指令，控制直线步进电机的对被测比例电磁铁定位、为比例放 大板提供电源并控制比例电磁铁电源的通断，并将下位机的控制状态反馈给工 控机。 a ) 工控机模块 工控机是整个测试系统的信号测试、数据处理及测试报表打印终端。选用 研华i p c 6 1 0 h 工控机，配备2 8 g h z 奔4 c p u 、5 1 2 m 内存，以便满足系统所需 的快速性和稳定性要求。数据采集卡选用研华p c i 1 7 1 2 l ，1 6 位分辨率，1 m s s 的最高采样速率，1 6 个单端或8 路差分模拟量输入，可采用总线控制d m a 方 式进行高速数据采集。测试中需要高速采集的信号，经采集卡a d 模数转换后 被工控机读取，工控机根据性能测试的要求对采集到的数据信号进行滤波、绘 制曲线等处理，并计算相应的性能参数。本系统用工控机和数据采集卡作为比 例电磁铁的控制信号发生器生成性能测试所需的控制信号，取代传统的昂贵专 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章比例电磁铁测试系统的总体设计 业信号发生器。这样则可以通过软件编程生成各种复杂形式的信号，而不再是 专业信号发生器设备所能够生成的几种固定形式的信号。它有2 路模拟量输出， 可生成最高1 m s s 的信号输出。 工控机为整个测试系统的人机交互界面终端，测试人员的测试命令都是通 过工控机来实现。工控机与数据采集卡通过p c i 总线连接，测试信号数据的输 入和输出都由数据采集卡来完成。工控机根据相关的软件编程对采集到的信号 数据进行数字滤波、拟合曲线、结果存储及打印处理，并将测试结果编入管理 数据库。此外工控机还通过r s 2 3 2 串口与下位机p l c 进行串口通信，向p l c 发送控制指令，并接受p l c 的反馈信息等。 b ) p l c 模块 p l c 是整个测试系统的过程控制中心，它与p l c 模拟量输入输出模块、脉 冲发生模块、直线步进电机及传感器一起构成下位机控制系统。主要功能有1 ) 与工控机进行r s 2 3 2 串口通信；2 ) 步进电机定位控制；3 ) 继电器开关控制； 4 ) 可调电源输出电压控制；5 ) 传感器安全保护等。 硬件选用性价比较高的f x 2 n 一4 8 m t 主模块，晶体管输出，f x 2 n 型a d 及 d a 模拟量输入输出模块，1 2 位分辨率。选用f x 2 n 型脉冲发生模块控制步进 电机，双向脉冲信号输出。对比例电磁铁进行调零时，p l c 主模块根据a d 模 块采集到的力或位移传感器信号，运用相关的算法控制步进电机输出，使被测 电磁铁定位于测试零位。 2 3 本章小结 本章主要分析了比例电磁铁测试台的总体方案设计。测试台有两个测试对 象：数字脉冲信号控制的位移型比例电磁铁和模拟信号控制的力型比例电磁铁。 按照相关比例电磁铁测试国家标准，测试内容为：位移型比例电磁铁的脉冲频 率一位移特性、阶跃响应特性和频率响应特性，力型比例电磁铁的电流一力特 性、行程一力特性、阶跃响应特性和频率响应特性。 在对现行的各种测试系统方案综合比较分析之后，决定采用工控机+ p l c 的上下位机测控系统作为比例电磁铁测试台的测试系统。上位机模块主要由工 控机、数据采集卡和测试传感器组成，工控机和数据采集卡作为整个测试系统 浙江大学硕l ：学位论