摘要：汽車制動(dòng)元件的檢測(cè)中，都要用到步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件來測(cè)試其各種性能。介紹了測(cè)試系統(tǒng)硬件的組成，步進(jìn)電機(jī)的選型，及利用工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方法。
關(guān)鍵詞：汽車制動(dòng)元件；步進(jìn)電機(jī)；812PG
1概述
許多汽車制動(dòng)元件的檢測(cè)，例如液壓制動(dòng)系中制動(dòng)主缸助力器總成的檢測(cè)，氣壓制動(dòng)系中氣制動(dòng)閥的檢測(cè)，在測(cè)試系統(tǒng)中需要用到電機(jī)推動(dòng)滾珠絲杠來模擬在實(shí)際汽車制動(dòng)時(shí)踩下制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)的過程，滾珠絲杠推動(dòng)主缸或者制動(dòng)閥使其達(dá)到汽車制動(dòng)時(shí)所需要的各種工作狀態(tài)，以便來測(cè)試各種性能。而步進(jìn)電機(jī)由于角位移與輸入脈沖嚴(yán)格成正比關(guān)系，在其運(yùn)動(dòng)過程中沒有累計(jì)誤差，跟隨性良好，因此選擇步進(jìn)電機(jī)是汽車制動(dòng)元件測(cè)試系統(tǒng)中性能較好的執(zhí)行元件。
2系統(tǒng)硬件構(gòu)成
汽車制動(dòng)元件測(cè)試系統(tǒng)中，因?yàn)橛袣鈮夯蛘咭簤旱膲毫σ獪y(cè)試，所以電磁閥、壓力表、壓力傳感器等是必不可少的，本文只討論步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件在制動(dòng)元件在測(cè)試中的應(yīng)用，故略去壓力測(cè)試部分。系統(tǒng)硬件組成有位移傳感器，力傳感器，步進(jìn)電機(jī)；控制核心采用工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡。
2.1系統(tǒng)硬件選型
某氣制動(dòng)閥檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)一臺(tái)，步進(jìn)電機(jī)選用四通電機(jī)，型號(hào)57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進(jìn)電機(jī)，雙極恒流、相電流為15A、2相4線、轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒，步距角0．9°／1．8°；驅(qū)動(dòng)器采用四通電機(jī)SH一20806N兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；32控機(jī)配置為研祥工控機(jī)IPC一810A，C1I850以上，QT80G，HY256M以上，52X光驅(qū)、USB光電鼠標(biāo)、10M／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡。數(shù)據(jù)采集卡選用研祥公司PCL-812PG采集卡。位移傳感器量程為：（0～60）mm，精度為05％。輸入力傳感器量程為2500N，精度為1％。如圖1所示，為控制系統(tǒng)的基本組成。
步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)是其矩頻特性曲線要滿足系統(tǒng)的要求。因此需要對(duì)所選的型號(hào)為57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進(jìn)電機(jī)做必要的驗(yàn)證工作。
估算步進(jìn)電機(jī)所需的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩：T=Te+Ta
式中：Te 一負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Ta一加速轉(zhuǎn)矩。
由于無法計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此只能初步計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)需要克服制動(dòng)元件彈簧力前進(jìn)，估測(cè)得彈簧壓縮力約為150N，因此，需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為：
（1）
式中：F-彈簧壓縮力；V一步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)速度。
估算步進(jìn)電機(jī)需克服起動(dòng)摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等所需的加速轉(zhuǎn)矩，機(jī)械部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（2）
式中：G一步進(jìn)電機(jī)機(jī)械部分重量；D 一直徑。
加速轉(zhuǎn)矩Ta為：
（3）
式中： Va一目標(biāo)速度；ta一加速時(shí)間。
根據(jù)式（3）計(jì)算結(jié)果可知Ta很小，可以忽略。步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩,故取最大靜轉(zhuǎn)矩
根據(jù)57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線（圖略），可以看出該電機(jī)滿足系統(tǒng)的要求。
2．2系統(tǒng)工作過程
具體的工作過程是，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠組成加力裝置，力傳感器安裝在絲杠頂桿前端，用于測(cè)量步進(jìn)電機(jī)輸出力暨“被測(cè)試件輸入力”的大小，數(shù)據(jù)經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換送工控機(jī)處理，工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、前進(jìn)、后退、停止，并按測(cè)試程序控制前進(jìn)和后退的速度，同時(shí)由位移傳感器測(cè)量出步進(jìn)電機(jī)的位移量，并將力和位移的相應(yīng)數(shù)據(jù)通過顯示器表示出來，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷氣制動(dòng)閥的合格與否。
3 主要控制程序
一般采用軟件延時(shí)的方法來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度、步數(shù)及方向進(jìn)行控制，根據(jù)計(jì)算機(jī)所發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量所需的時(shí)間來設(shè)計(jì)一個(gè)子程序，該子程序包含一定的指令，設(shè)計(jì)者通常要對(duì)這些指令的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算或者精確的測(cè)試，以便確定延時(shí)時(shí)間是否符合要求，每當(dāng)子程序結(jié)束后，可以執(zhí)l彳亍下面的操作。采用軟件延時(shí)方式時(shí)，CPU一直被占用，CPU利用率低，這在許多場(chǎng)合是非常不利的。因此需要重新設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制程序，這里采用研祥公司生產(chǎn)的PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡，利用812PG卡中自帶可編程計(jì)數(shù)／定時(shí)器8254及其他邏輯電路器件設(shè)計(jì)一種步進(jìn)電機(jī)控制方式，僅需要幾條簡(jiǎn)單的指令就可以產(chǎn)生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號(hào)。可編程的硬件定時(shí)器直接對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖或某一固定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值則由編程決定當(dāng)計(jì)數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時(shí)，給出定時(shí)時(shí)間到的信號(hào)，得到所需的延時(shí)時(shí)間或定時(shí)間隔，由于計(jì)數(shù)的初始值由編程決定，因而在不改動(dòng)硬件的情況下，只通過程序的變化即可滿足不同的定時(shí)和計(jì)數(shù)要求，因此使用很方便。
3．1 對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制
在測(cè)試系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要由設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)設(shè)定值存放在PCL-812PG上的8254芯片的計(jì)數(shù)值設(shè)定位上。這個(gè)值的計(jì)算過程如下：
已知條件是電機(jī)的步進(jìn)角為1．8°，控制器選擇三十二細(xì)分，8254時(shí)鐘頻率是2MHZ，電機(jī)帶動(dòng)的絲桿螺距為5ram。要求速度為￡秒前進(jìn)s毫米，即s／t（mm／s）。8254工作在方波發(fā)生模式，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作原理可知，每給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為1．8°，由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用了32細(xì)分模式，因此8254每發(fā)送32個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)才轉(zhuǎn)過1jBo，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖為：（360／1．8）32=6400，電機(jī)絲桿螺距為5ram，8254時(shí)鐘頻率是2MHz，如設(shè)N為分頻數(shù)（寫入8254計(jì)數(shù)器0的值），故步進(jìn)電機(jī)的速度V應(yīng)為：
（4）
式中：N一為分頻數(shù)，即寫入8254計(jì)數(shù)器0的值。
根據(jù)式（4）可以推導(dǎo)出：
（5）
式（5）中對(duì)8254計(jì)數(shù)器寫入的分頻值N只能為正整數(shù)，而通過計(jì)算得出的分頻值N不一定為正整數(shù)，因此要對(duì)輸入8254計(jì)數(shù)器0的分頻值進(jìn)行四舍五人，故應(yīng)取：N=｛mund 1562．5×t／s｝在程序中改變N的值的大小，即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
分別向PCL-812PG基地址base+0（也就是計(jì)數(shù)器0寄存器）中先低八位、后高八位寫入，程序語句為：
OutPortb（base+0，N mod 256）；
OutPortb（base+0，N div 256）；
3．2步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)、后退、使能控制
PCL一812PG提供16路數(shù)字輸入通道和16路數(shù)字輸出通道的數(shù)字I／O寄存器。地址base+6和base+7都用于數(shù)字輸入，地址base+13和base+14用于數(shù)字輸出通道。
在測(cè)試系統(tǒng)中，使用地址base+13數(shù)字I／O寄存器，寄存器八位二進(jìn)制意義，如圖2所示。
D0位：脈沖信號(hào)輸入線路選擇，1為CW輸入，0為CWW輸入；
D1位：步進(jìn)電機(jī)使能狀態(tài)控制，0為FREE位（步進(jìn)電機(jī)軸懸浮狀態(tài)），1為使能狀態(tài)；
D2位：方向控制，1為順時(shí)針（前進(jìn)），0為逆時(shí)針（后退）；
D3位：Gate位，1為方波輸出，0為低電平輸出；
步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)寄存器寫入的二進(jìn)制數(shù)，如圖3所示。
程序語句為：OutPortb（base+13，$0E）；步進(jìn)電機(jī)后退寄存器寫入的二進(jìn)制數(shù)，如圖4所示。
程序語句為：OutPortb（base+13，$0A）；
步進(jìn)電機(jī)懸浮寄存器寫入的二進(jìn)制數(shù)，如圖5所示。
程序語句為：OutPoflb（base+13，$08）。
4 結(jié)語
伴隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件成本越來越低，并且其通用性和使用簡(jiǎn)便，決定了計(jì)算機(jī)作為控制核心部分，越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)是一種常用的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，工控機(jī)對(duì)其具有良好的控制能力。該系統(tǒng)已實(shí)踐運(yùn)用，操作簡(jiǎn)單、方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，效果良好。
參考文獻(xiàn)
[1]查宏民，同祥安，曹玉平．真空助力器一制動(dòng)主缸總成測(cè)試裝置．機(jī)床液壓，2005（1）：75—76
[2]張明．步進(jìn)電機(jī)的基本原理．科教信息，2007（9）
[3]詹躍東．電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)．重慶：重慶大學(xué)出版社，2006
