基于LabVIEW平台车载电磁阀自动测试系统的设计与实现

引言
     汽车产业一直被列为国家的支柱产业。近年来，国内 汽车产业发展迅猛，至2009年已突破年产1000万量的大关。 汽车

变速箱电磁阀为汽车自动变速箱或手自一体变速箱液压 执行装置中的关键部件，其作用是根据发动机和底盘传动系 统的负载状况，对油泵输出到各执行机构的油压加以控制， 以控制各离合器和制动器的结合与分离实现自动换档。

电磁阀综合特性测试的测试项目多，测试系统复杂且 要求高可靠性和柔性。国际上有较为先进的电磁阀检测设备，可实现对各种型号电磁阀的高精度和高效率自动测试。 不足之处是这类检测设备的价格昂贵且设备供应周期和后期 维护都较困难。基于实际汽车变速箱电磁阀测试需要，研制 一种基于虚拟仪器技术的电磁阀自动测试系统，本系统以 LabVIEW平台为测试核心，采用模块化的软硬件设计模式，提高测试系统的开发效率，增强系统的可扩展性，大大降低

图1  测试系统功能结构图    

图2  静/动态特性测试功能结构图
实验成本，从而加快电磁阀测试系统的研制开发速度，是未来电磁阀测试系统的发展趋势。

1 系统组成和工作原理
电磁阀自动测试系统可完成汽车变速箱流量电磁阀和 压力电磁阀两种类型电磁阀多个试验项目的测试工作，测 试系统以LabVIEW平台为控制及测试核心，由计算机测试系 统，静/动态特性测试模块，闭环特性测试模块，传感器信 号测试模块组成，在软硬件配合下完成电磁阀静态，动态和 闭环特性测试功能。

计算机测试系统利用LabVIEW强大的信号分析处理功能，实现虚拟信号发生器、信号采集、数字滤波、曲线拟 合、参数计算、在静/动态特性测试模块、闭环特性测试模 块、传感器信号特性测试模块等硬件的配合下，实现流量电 磁阀、压力电磁阀的静态特性、动态特性和闭环特性分析

图3   悬浮负载恒流源电路图   

图4  恒流源模块线性度测试曲线

图5  闭环特性测试功能结构图    

图6 系统软件结构框图
分析结果以曲线形式显示输出，并根据需要实现试验数据的 保存，打印及报表输出。图1是测试系统功能结构图。

2 静/动态特性测试模块设计
在静态和动态测试中，液压油经过液压泵加压后，再 经流量传感器或压力传感器流入到电磁阀，油液从电磁阀的出口经过压力传感器最后回到油源。

静态特性测试时，计算机系统虚拟信号发生器输出三 角波信号，经恒流源模块输出给电磁阀线圈，驱动电磁阀工作。

进行动态特性测试时，计算机测试系统输出方波信号， 经恒流源模块输出给电磁阀线圈。电流信号测试模块将阀线 圈电流信号调理成对应比例的电压信号后，输出给计算机测 试系统采集。流量信号测试模块负责流量阀测试，在进行流量电磁阀测试时，流量信号测试模块将液压系统中的流量传 感器输出信号调理成等比例流量信号后，输出给计算机测试系统采集。同样地，压差信号测试模块负责压力阀测试，测 试时，压差信号测试模块将A、B腔压力传感器输出信号调理成等比例压力差信号后，输出给计算机测试系统采集。图2是静/动态特性测试功能结构图。下面对各主要模块做详细介绍。

恒流源模块是静/动态测试的关键， 本文选取了体积 小、效率高，电流调节范围宽的集成电路恒流源为电磁阀提 供恒定电流，其主要元件是功率运算放大器，功率运算放大 器是集成运算放大器的一种，一般的集成运放输出电流较 小，

难以提供大功率驱动阻抗大于3Ω的负载。功率运放特 指能够输出大功率驱动负载的运放。文中选用MSK公司的军 级MSK541B功率运算放大器构成悬浮负载恒流源，图3是悬 浮负载恒流源电路图。其输出电流最高可达10A，远超过系统测试的最高要求。

流量和压力电磁阀静态测试时，均需三角波信号，所 以对恒流源模块的线性度要求较高，图4是恒流源模块线性 度测试曲线，由图4可知，恒流源电流输出能力在5A以上， 电路能够保持非常好的线性度，非线性误差<1‰，远高于 测试需求。

流量信号测试模块由“F/V变换”+“比例调节”+“零 位调节”+“显示仪表”+“同相跟随”组成，首先用F/V变换电路将流量计输出的频率信号转换成易于采集的电压信 号，比例调节电路将电压信号与流量信号调节成1：1比例，

图7  信号采集程序框图   

图8  巴特沃斯低通滤波器程序框图

那么电压值就可以直接反应对应的流量值，本系统流量测 量范围可达0~100L/min。显示仪表采用高精度数字显示仪表，放置于整个系统的前面板，方便调试时数据观察。

压差信号测试模块由 两个“I/V变换” + “减法器”+
“比例调节”+“低通滤波”+“显示仪表”+“同相跟随” 组成。压力传感器的输出信号为（4-20）mA电流信号，首先用I/V变换模块将A腔和B腔压力传感器的输出信号转换成 电压信号，减法器电路将两电压值做差值后输出，比例调节模块将电压值与压力差信号调节成1：1比例，那么电压值就 可以直接反应AB腔的压力差值。因液压系统中压力传感器的输出电流回路与其供电回路共地，更易受到干扰，所以必 须加入有源滤波环节，截止频率设置为5Hz，这样可有效滤除各种干扰，保证采集信号的精度。

3 闭环特性测试模块设计
闭环测试时，计算机测试系统虚拟信号发生器输出偏 置的三角波信号Vrp，同时采集位移传感器输出信号Vsp，闭 环信号调理模块首先将两信号接入减法器电路，对两信号做 差得 ，再对信号进行K倍(K值可调)放大，然后对放大后的电压信号进行反向，再叠加一个2V电压，闭环信号调理模块将两电压信号调理成 后输出，但 此时的信号是无功率的电压信号，无法驱动电 磁阀线圈工作，恒压驱动电路将调理后的电压 信号进行功率放大后，输出给电磁阀线圈。图5 是闭环特性测试功能结构图。

传统的电流测试电路采用在负载回路串接 采样电阻，测量采样电阻两端电压换算成回路 中的电流值，因阀线圈为感性元件，若在其回 路中串入采样电阻，将影响整个回路的时间响 应，霍尔传感器模块（LEM模块）很好的解决 了这个问题。

L E M 模 块 由 原 边 导 体 、 集 磁 环 、 付 边 线圈和放大电路等组成。它的原理是基于霍尔效 应，是模块化的有源电流传感器，它把普通互 感器与霍尔元件、电子线路有机地结合起来， 充分发挥了普通互感测量范围宽的长处和电子 线路反应速度快的优势，同时传感器电路由于与被测电路是隔离的，因此LEM模块的接入对 被测电路的影响可以忽略不计。

4 软件设计
测试软件采用LabVIEW8.6编写，为提高测试系统的灵 活性和通用性，程序采用模块化的设计模式，将测试系统按 功能划分为数个模块：初始化模块、测试选择模块、数据处 理模块、后期处理模块。其中初始化模块主要完成系统测控板卡参数配置；测试选择模块主要完成流量阀和压力阀静态 测试、动态测试和闭环测试，为每一种测试设计一个子界面，方便用户在前面板进行选择；数据处理模块主要完成信 号发生器，数据采集和数据处理功能；后期处理模块主要完 成测试数据的保存、打印和报表输出功能。图6是系统软件 结构框图。

计算机测试系统利用LabVIEW强大的信号分析处理功能，通过测试板卡的D/A接口，编程实现虚拟信号发生器， 输出波形可选、频率、相位、幅值可调的连续波形；通过测试板卡的A/D接口，采集电磁阀测试过程中的线圈电流、流 量和压力等特性信号，进行数字滤波、曲线拟合、特性曲线 

绘制、参数计算，实现其特性分析。
本测试系统中，测试软件编程主要包括激励信号的产

图9  曲线拟合程序框图 图10  流量阀和压力阀的静态测试曲线图
生、实验数据的采集、数据的分析及处理、绘图输出、数字 滤波、曲线拟合等几部分功能组成。下面介绍系统中包含的 几种关键软件的程序设计。

4.1  信号的采集
在电液电磁阀静态试验中，要对电磁阀的电流，压力 和流量等参数进行采集，因此数据采集是测试软件编程的重 要部分。本系统的数据采集主要是对模拟信号的采集，图7 是信号采集程序框图。

4.2  数字滤波
测试系统中数据采集系统所工作的现场，有很多干扰 信号，有时幅度很大，这些干扰信号影响到到测量精度和测量的可靠性，必须将它滤除。大部分数据采集系统会不同程 度受到电源线等50Hz的噪声干扰，大多数信号调理设备都 包含低通滤波器，能最大限度地消除50Hz或60Hz的噪声。
设h(n)，n=0，1，2，⋯是滤波器的冲击响应。一个线
性时不变滤波器若对n N(N为正整数)，有h(n)=0，则称其 为有限冲击响应滤波器（ FIR） ， 否则称之为无限冲击滤 波器(ⅡR)。有限冲击响应滤波器总是稳定的，设计方法较 多，但是效率不高，定义困难。ⅡR滤波器的设计源于传统的模拟滤波器设计，可以通过对低通模拟滤波器进行模拟 频率变换得到ⅡR滤波器。通常ⅡR滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器、贝塞尔滤波器等。
巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率 响应，在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零，在 截断频率处有3 dB衰减，高阶巴特沃斯滤波器的频率响应近
似于理想低通滤波器。本系统中采用的是巴特沃斯低通滤波器，图8是巴特沃斯低通滤波器程序框图。

4.3  曲线拟合
电磁阀的很多测试项目需要计算特性参 数，由于实际误差的存在，计算机采集的数 据往往不是理论函数的表达，这就需要将测 试的数据进行数值处理，使得绘制曲线以吻 合平滑曲线，从而准确求取特性参数。以电 磁阀零偏参数的计算方法为例，首先介绍名 义流量曲线的概念，名义流量曲线是流量回 线的中点轨迹。零偏是名义流量曲线与零流量轴线交点的电流值。本系统中零偏的程序 实现是：首先对计算机采集的流量数据和电 流数据进行分段插值，利用插值函数求取名 义流量曲线，但是此时得取的只是名义流量曲线上一些离散 的数据点，并无法计算出此名义流量曲线与零流量轴线交点 的电流值，利用LabVIEW曲线拟合程序中的基于最小绝对残 差的直线拟合方法拟合出名义流量曲线，进而求取此曲线与 零流量轴线交点的电流值，即零偏值。图9是曲线拟合程序
框图。

5 测试结果分析
图10是某一型号汽车变速箱流量阀静态测试和闭环测 试曲线图，最后输出的报表图形将加入计算的参数值，并根 据预先设定的范围给出合格与否的判定结果。图10中流量- 电流测试曲线中的虚线为预先设定的曲线界定范围，可使用户一目了然的对曲线做出整体判断。从图10中可以看到本文 设计的电磁阀自动测试系统，在测试精度，测量方式上都满足实际要求，并得到了良好的应用。

6 结论
本文所述的电磁阀自动测试平台，采用模块化设计的 方法对硬件和软件进行设计，实现汽车变速箱用流量、压力 电磁阀的静态特性测试，动态特性测试和闭环特性测试。模 块化的软硬件设计方式，根据不同的测试需求设计相应的软件模块和硬件模块，方便日后系统的扩展，缩短研发周期， 对于同类型电磁阀测试系统的研制具有很好的借鉴价值。该 系统至今投入使用一年多，参与多套电磁阀的测试任务，收 到了良好的效果。