基于​Labview​与​交流​伺服​电机​的​车辆​换​挡​杆​试验​系统​研究

徐 猛,

​ 系统​组成​框​图 ​

"以​某​款​车​型​的​换​挡​杆​耐久​试验​台​的​搭建​为​例,​系统​说明​了​光电​开关​作用​原理、​开关​触发​信号​采集、​LABVIEW​编制​控制​程序​及​通过​LABVIEW​的​Modbus​协议​控制​伺服​电机​技术​等​关键​问题,​并​针对​实际​中​可能​出现​的​问题​增加​了​优​化​程序​—​极限​位置​反转​保护​方案,​避免​了​试验​台​运行​中​可能​出现​的​错误。"

- 徐 猛,

挑战:

车辆​换​挡​杆​耐久​试验​要求​车辆​换​挡​杆​在​指定​负载​条件,​以​一定​速度​在​两​个​确定​工作​位置​间​运行​大量​次数​(如​40​万​次),​并​对​运行​中的​速度、​次数​等​参数​监​控,​并​希望​预​留​对​系统​电流​及​电压​等​参数​的​监​控​扩展​能力。​常见​的​基于​PLC​的​耐久​试验​台​设计​方案​显然​不能​满足​运行​过程​中的​速度、​次数、​电流​及​电压​的​监​控​及​可​扩展​能力​的​要求。​基于​LABVIEW​和​交流​伺服​电机​的​试验​系统​采用​闭​环​控制​策略,​通过​系统​位置​信号​的​采集,​确定​电机​运行​方向​与​速度​的​改变,​并​对​过程​中的​电压​电流​等​监​控,​为​系统​试验​的​智能​监​控​和​分析​提供​科学​依据。

解决​方案:

基于​NI USB-6251​的​模拟​量​采集​模​块,​利用​LABVIEW​的​DAQ​助手​的​Express​技术,​实​时​采集​光电​开关​信号,​并​输入​到​基于 LABVIEW​的​开发​系统​中​进行​采集、​比较​及​分析,​通过​基于​Modbus​协议​二次​开发​的​程序​控制​交流​伺服​电机​以​指定​的​速度​和​方向​运动,​并​到达​指定​位置​后​及时​返​向​运动​及​记​数,​其中​针对​实际​运行​中​出现​的​系统​失效​问题,​增加​的​极限​位置​反转​保护​方案​也是​本​系统​的​一个​创新。

1          引言

车辆​各​系统​及​零​部件​的​疲劳​耐久性​能​是​评价​汽车​质量​的​重要​指标。​因此​开发​通用​的​耐久​试验​装置​对​各​零​部件​进行​测试​是​车辆​开发​过程​中的​极为​重要​的​工作。​本文​以​某​款​车​型​的​换​挡​杆​耐久​试验​台​的​搭建​为​例,​系统​说明​了​光电​开关​作用​原理、​开关​触发​信号​采集、​LABVIEW​编制​控制​程序​及​通过​LABVIEW​的​Modbus​协议​控制​伺服​电机​技术​等​关键​问题,​并​针对​实际​中​可能​出现​的​问题​增加​了​优​化​程序​—​极限​位置​反转​保护​方案,​避免​了​试验​台​运行​中​可能​出现​的​错误。

 

2          系统​开发​背景

车辆​的​换​挡​杆​试验​台​用​来​考核​换​挡​系统​的​耐久性​能​的​专用​设备,​也是​车辆​零​部件​试验​中​重要​的​试验​之一。​如​某​款​车​型​试验​要求​如下:​换​挡​杆​经​40​万​次​试验​后,​换​挡​杆​各​零​部件​无​破裂,​操作​灵活​且​无​卡​滞​现象;​换​挡​杆​力​载​荷​60N,​频率​要求​0.5Hz。​其中​运行​次数、​换​挡​力​载​荷​及​运行​频率​均​要求​实​时​可变。​图 1​为​最终​搭建​的​换​挡​杆​耐久​试验​台。​其中​重​块​作为​负载,​伺服电 机​带动​转盘​旋转,​通过​与​转盘​连接​的​拉杆​机构​实现​换​挡​杆​动作,​换​挡​杆​的​两​个​极限​位置​分别​通过​两​个​铁片​和​一个​光点​开关​确定,​并​传输​到​USB-6251​中,​由于​伺服​电机​与​转盘​的​传​动​比为​10,​则​电机​转​速​设定​为​33rpm,​满足​试验​要求。

 

 

 

3          系统​组成​及​总体​设计​方案

根据​系统​的​功能​要求​本​系统​包括​上位​机、​NI​数据​采集​卡​USB-6251、​光电​开关、​交流​伺服​电机​组成,​机械​装置​五​部分,​系统​组成​框​图​如​图 2​所​示。​本​装置​采用​美国​国家​仪表​公司​(National Instruments,​简称​NI)​开发​的​数据​采集​卡​USB-6251​实​时​采集​光电​开关​的​模拟​电压​信号,​当​机械​装置​在​运行​行程​中​光电​开​光​输出​高​电​平,​上位​机​不​动作;​而​机械​装置​运行​到​预先​设置​上/​下​极限​位置​时,​光电​开关​输出​低​电​平,​上位​机​根据​用​Labview​编​订​的​程序​完成​计数、​显示​及​判断​等​工作,​并​通过​Modbus​协议​控制​伺服​电机​向​反​方向​运行,​从而​机械​装置​进入​下​一个​循环​周期,​直至​运行​次数​满足​要求。​运行​频率/​速度​由​伺服​电机​的​速度​运行​模式​实现。

 

3.1    传感器​及​数据​采集​方案

光电​开关​是​通过​把​光​强度​的​变化​转换​成​电信​号​的​变化​来​实现​控制​的,​一般​情​由​发送​器,​接收​器​和​检测​电路​三​部分​构成。​它是​利用​被​检测​物体​对​红外​光束​的​遮光​或​反射,​由​同步​回路​选​通​而​检测​物体​的​有​无,​其​物体​不限于​金属,​对​所有​能​反射​光线​的​物体​均可​检测。​本文​选用​的​漫​反射​光电​开关​是​一种​集​发射​器​和​接收​器​于​一体​的​传感器,​当​有​被​检测​物体​经过​时,​将​光电​开关​发射​器​发射​的​足够​量的​光线​反射​到​接收​器,​于是​光电​开关​就​产生​了​开关​信号。

 

本文​选用​NI​公司​开发​的​USB-6251​数据​采集​卡​及​Labview​软件​的​Express​技术​快速​实现​光电​开关​的​实​时​电压​采集。​USB-6251​数据​采集​卡​是​NI​公司​最新​推出​的​USB​总​线​M​系列​数据​采集​产品,​可​提供​高达​16​路​模拟​输入​通道,​并​达到​1.25 MS/​s​数据​采集​速率,​且​增加​了​USB​即​插​即​用​的​简单​易​用​性​以及​全新​高速​信号​流​技术,​可​实​时​快速​的​采集​各种​物理​信号。​Express​技术​是​Labview​最新​提供​的​一种​快捷​简便​搭建​专业​测试​系统​的​技术​[1]。​它​将​各种​基本​函数​进一步​打包​为​更加​智能,​功能​更加​丰富​的​函数;​并​对​其中​某些​函数​提供​配置​对话​框,​通过​配置​框​可以​对​函数​进行​详细​的​配置,​因此​其​可以​实现​较​少​的​步骤​完成​功能​完善​的​测试​系统,​尤其​对于​复杂​的​采集​系统,​Express​技术​起​到了​极大​的​简化​作用。​图 3​为​光电​开关​电压​信号​采集​设置​图,​电压​信号​最大值​及​最小值​设定​为​+10V​及-10V,​采集​率​及​待​读​取​采样​均​设定​为​1,​即​1​秒​采集​1​个​并​实​时​的​传​到​上位​机,​采集​模式​设​为​连续​采样。

 

3.2    Labview​控制​程序

采集​到​的​光电​开关​信号​将​输入​到​程序​中​执行​控制​策略。​如​图 4​所​示,​DAQ​助手​为​采用​Express​技术​建立​的​光电​开关​电压​信号​采集,​信号​实​时​输入​到​循环​结构​中​执行​判定,​这里​阈​值​选定​为​5V,​即​电压​信号​大于​5V(此时​电机​正常​运行)​时,​不​执行​任何​操作;​当​电压​信号​低于​5V​时​(此时​电机​运行​到​上/​下​极限​位置)​时,​首先​当前​次数​增加​0.5(电机​在​上/​下​极限​位置​间​运行​一个​来回​定义​为​1)​并​比较​当前​次数​是否​等于​循环​次数,​等于​则​程序​停止;​不​等于​则​电机​反转,​程序​继续​运行。

 

 

 

3.3    Modbus​协议​控制​伺服​电机​方案

图 5​为​Labview​程序​采用​Modbus​协议​控制​伺服​电机​反转。​Modbus 协议​是​应用​于​电子​控制器​上​的​一种​通用​语言,​通过​此​协议​控制器​相互​之间、​控制器​和​其它​设备​之间​可以​通信。​它​已经​成为​一​通用​工业​标准​[2,3]。​Modbus​协议​有​两​种​传输​模式:​ASCII(American standard code for information interchange)​或​RTU(Remote terminal unit),​两​种​方式​均​须​指定​串​口​通信​参数​(如​波特​率、​校​验​方式​等)。​伺服​电机​预先​设定​以下​参数:​站​号:​1;​传输​模式:​RTU;​数据​位:​8;​校​验:​偶​校​验;​停止​位:​1;​通讯​超​时:​5000ms;​串​口号:​Com4。​并​将​电机​内部​寄存器​20B(16​进制)​位置​设定​为​命令​输入​反向​控制,​即​此​寄存器​变化​时​(即​由​106​变为​006,​或者​由​006​变为​106)​电机​反转;​缺​省​为​106,​电机​按​先​指定​方向​运行。​图 5​中​程序​首先​提取​内部​寄存器​20B​位置​的​当前​值,​通过​与​给​定​值​对比​判断​后​再​输入​新​值,​从而​实现​电机​反转​的​操作。

 

3.4    极限​位置​反转​保护​方案

在​电机​实际​运行​中​采用​两​个​光亮​的​金属​铁片​触​出发​光电​开关,​由于​铁片​的​宽度​和​电机​惯​性,​电机​往往​要​超过​铁片​内​侧​边缘​一部分​后​再​执行​反转​操作,​电机​反转​初期​光电​开关​仍​处于​低​电​平,​这​极​易​让​程序​认为​电机​已经​到达​另​一个​界限​位置,​而​造成​电机​在​一个​极限​位置​附近​反复​运行,​不能​正常​工作。​图 6​为​程序​新​增加​的​极限​位置​反转​保护​功能。​即​在​电机​运行​到​极限​位置​后,​关闭​NI​数据​采集​功能​2​秒,​2​秒​后​数据​采集​再次​开启,​而​此时​光电​开关​已经​远离​触发​铁片,​不会​再次​发生​以上​问题。

 

 

 

 

4          软件​实现

4.1    人​机​交互​界面

人​机​交互​界面​编辑​的​可见​即可​得​是​Laview​的​一个​重要​的​优势​[4]。​Labview​的​前​面板​包含​大量​形象​逼真​的​控​件,​用户​还​可以​创建​自​定义​控​件。​前​面板​的​窗口​形式​可以​以​不同​的​方式​显示​以​满足​不同​的​需求,​用户​可以​通过​按钮、​对话​框、​声音、​菜单​及​键盘​输入​等​不同​方式​与​程序​进行​交互。​图 7​为​程序​设计​界面,​其中​清​零​按钮​可以​将​当前​次数​归​零;​按下​设定​按钮​将​有​一个​对话​框​弹出,​用户​可以​通过​键盘​输入​要求​的​循环​次数;​再按​下​开始​按钮​程序​将​开始​运行,​同时​开始​按钮​将​保持​按下​状态,​开始​命令​变为​暂停​功能,​可以​随时​按下​暂停​程序;​停止​按钮​将​退出​整个​程序。

 

4.2    未来​扩展​能力

现在​设计​的​方案​仅​满足​耐久​试验​的​循环​次数​要求​和​指定​速度​(通过​伺服​电机)​的​参数​设定,​通过​电压​和​电流​传感器​将​电机​运行​电流​电压​信号​转变为​模拟​电压​信号​输入​到​NI-6251​采集​前端,​并​在​软件​中​设定​相应​的​换算​参数,​即可​实现​对​电机​参数​的​实施​监​控。​在​以上​平台​上​的​建立​基础​上,​可​尽快​的​搭建​以上​平台,​并​建立​数据​保存​及​报警​功能。

 

5          结论

本文​通过​光电​开关​发出​模拟​电压​信号,​NI​数据​采集​卡​采集​电压​信号​并​输入​到​上位​机,​上位​机​中​运行​使用​Labview​软件​编制​的​人​机​接口​界面​及​数据​处理​程序,​根据​判断​结果​通过​Modbus​协议​控制​交流​伺服​电机​实现​往复​动作,​最后​增加​极限​位置​电机​反转​程序,​解决​电机​运行​过程​中​出现​的​极限​位置​控制​策略​失效​的​问题。​实践​证明​这种​搭建​的​试验​台​的​技术​路线​及​控制​策略​是​可行​的,​同时​这​也是​一种​用​较​为​通用​方法,​不仅​能​满足​换​挡​杆​耐久​试验​的​要求,​对​其他​零​部件​耐久​试验​台​的​开发​也有​参考​意义。

 

参考文献

  1.  王​建​群,​南​金​瑞,​孙​逢​春,​付​立​鼎. 基于​LabVIEW​的​数据​采集​系统​的​实现,​计算​机​工程​与​应用,​2003(21).
  2.  杨​乐​平,​李​海​涛,​肖​相生. LabVIEW​程序​设计​与​应用. 北京:​电子​工业​出版社,​2001.
  3.  周​隽,​许​江宁,​孙​振​宇. 基于​LabVIEW​的​交流​伺服​电机​转​速​测试​方法​研究​和​设计.​船​电​技术, 2009(3):​57~60.
  4.  陈​锡​辉,​张​银​鸿. LabVIEW 8.20 程序​设计​从​入门​到​精通. 北京:​清华大学​出版社,​2007(125).

 

作者​信息:

徐 猛

图 7 ​ ​换​挡​杆​耐久​试验​台​人​机​交互​界面 ​
图 1 ​ ​换​挡​杆​耐久​试验​台 ​
图 2 ​ ​系统​组成​框​图 ​
图 3 ​ ​光电​开​光​电压​信号​采集 ​
图 4 ​ ​光电​开关​信号​的​判断​与​计数 ​
图 5 ​ ​Modbus​协议​控制​电机​反转 ​
图 6 ​ ​极限​位置​反转​保护 ​