步進電機在汽車制動元件測試系統中的應用

1概述
　　許多汽車制動元件的檢測，例如液壓制動系中制動主缸助力器總成的檢測，氣壓制動系中氣制動閥的檢測，在測試系統中需要用到電機推動滾珠絲杠來模擬在實際汽車制動時踩下制動踏板進行制動的過程，滾珠絲杠推動主缸或者制動閥使其達到汽車制動時所需要的各種工作狀態，以便來測試各種性能。而步進電機由于角位移與輸入脈沖嚴格成正比關系，在其運動過程中沒有累計誤差，跟隨性良好，因此選擇步進電機是汽車制動元件測試系統中性能較好的執行元件。
2系統硬件構成
　　汽車制動元件測試系統中，因為有氣壓或者液壓的壓力要測試，所以電磁閥、壓力表、壓力傳感器等是必不可少的，本文只討論步進電機作為執行元件在制動元件在測試中的應用，故略去壓力測試部分。系統硬件組成有位移傳感器，力傳感器，步進電機；控制核心采用工控機和數據采集卡。
2.1系統硬件選型
　　某氣制動閥檢測試驗臺一臺，步進電機選用四通電機，型號57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進電機，雙極恒流、相電流為15A、2相4線、轉子齒數為50齒，步距角0．9°／1．8°；驅動器采用四通電機SH一20806N兩相混合式步進電機驅動器；32控機配置為研祥工控機IPC一810A，C1I850以上，QT80G，HY256M以上，52X光驅、USB光電鼠標、10M／100M自適應以太網卡。數據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，為控制系統的基本組成。
　　步進電機正常運行的關鍵指標是其矩頻特性曲線要滿足系統的要求。因此需要對所選的型號為57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進電機做必要的驗證工作。

估算步進電機所需的運行轉矩：T=Te+Ta
式中：Te 一負載轉矩；Ta一加速轉矩。
　　由于無法計算電機的電磁轉矩，因此只能初步計算負載轉矩，步進電機需要克服制動元件彈簧力前進，估測得彈簧壓縮力約為150N，因此，需要的負載轉矩約為：
（1）
式中：F-彈簧壓縮力；V一步進電機的前進速度。
　　估算步進電機需克服起動摩擦、轉動慣量等所需的加速轉矩，機械部分的轉動慣量為：
（2）
式中：G一步進電機機械部分重量；D 一直徑。
　　加速轉矩Ta為：
（3）
式中： Va一目標速度；ta一加速時間。
　　根據式（3）計算結果可知Ta很小，可以忽略。步進電機最大靜轉矩,故取最大靜轉矩
　　根據57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進電機的矩頻特性曲線（圖略），可以看出該電機滿足系統的要求。
2．2系統工作過程
　　具體的工作過程是，步進電機通過聯軸器驅動滾珠絲杠組成加力裝置，力傳感器安裝在絲杠頂桿前端，用于測量步進電機輸出力暨“被測試件輸入力”的大小，數據經由A／D轉換送工控機處理，工控機控制步進電機的啟動、前進、后退、停止，并按測試程序控制前進和后退的速度，同時由位移傳感器測量出步進電機的位移量，并將力和位移的相應數據通過顯示器表示出來，根據相關行業標準來判斷氣制動閥的合格與否。
3 主要控制程序
　　一般采用軟件延時的方法來對步進電機的運行速度、步數及方向進行控制，根據計算機所發出脈沖的頻率和數量所需的時間來設計一個子程序，該子程序包含一定的指令，設計者通常要對這些指令的執行時間進行嚴密的計算或者精確的測試，以便確定延時時間是否符合要求，每當子程序結束后，可以執l彳亍下面的操作。采用軟件延時方式時，CPU一直被占用，CPU利用率低，這在許多場合是非常不利的。因此需要重新設計對步進電機的控制程序，這里采用研祥公司生產的PCL-812PG數據采集卡，利用812PG卡中自帶可編程計數／定時器8254及其他邏輯電路器件設計一種步進電機控制方式，僅需要幾條簡單的指令就可以產生具有一定頻率和數目的脈沖信號。可編程的硬件定時器直接對系統時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數，計數值則由編程決定當計數到預定的脈沖數時，給出定時時間到的信號，得到所需的延時時間或定時間隔，由于計數的初始值由編程決定，因而在不改動硬件的情況下，只通過程序的變化即可滿足不同的定時和計數要求，因此使用很方便。
3．1 對步進電機轉速的控制
　　在測試系統中步進電機的轉速要由設定值來實現，這個設定值存放在PCL-812PG上的8254芯片的計數值設定位上。這個值的計算過程如下：
　　已知條件是電機的步進角為1．8°，控制器選擇三十二細分，8254時鐘頻率是2MHZ，電機帶動的絲桿螺距為5ram。要求速度為￡秒前進s毫米，即s／t（mm／s）。8254工作在方波發生模式，根據步進電機工作原理可知，每給步進電機一個脈沖，步進電機轉動的角度為每個脈沖轉動的角度為1．8°，由于步進電機驅動器采用了32細分模式，因此8254每發送32個脈沖步進電機才轉過1jBo，步進電機每轉一圈所需脈沖為：（360／1．8）32=6400，電機絲桿螺距為5ram，8254時鐘頻率是2MHz，如設N為分頻數（寫入8254計數器0的值），故步進電機的速度V應為：
（4）
式中：N一為分頻數，即寫入8254計數器0的值。
根據式（4）可以推導出：
（5）

　　式（5）中對8254計數器寫入的分頻值N只能為正整數，而通過計算得出的分頻值N不一定為正整數，因此要對輸入8254計數器0的分頻值進行四舍五人，故應取：N=｛mund 1562．5×t／s｝在程序中改變N的值的大小，即可改變步進電機的轉速。
　　分別向PCL-812PG基地址Base+0（也就是計數器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步進電機的前進、后退、使能控制
　　PCL一812PG提供16路數字輸入通道和16路數字輸出通道的數字I／O寄存器。地址Base+6和Base+7都用于數字輸入，地址Base+13和Base+14用于數字輸出通道。
　　在測試系統中，使用地址Base+13數字I／O寄存器，寄存器八位二進制意義，如圖2所示。

　　D0位：脈沖信號輸入線路選擇，1為CW輸入，0為CWW輸入；
　　D1位：步進電機使能狀態控制，0為FREE位（步進電機軸懸浮狀態），1為使能狀態；
　　D2位：方向控制，1為順時針（前進），0為逆時針（后退）；
　　D3位：Gate位，1為方波輸出，0為低電平輸出；
　　步進電機前進寄存器寫入的二進制數，如圖3所示。

　　程序語句為：OutPortb（Base+13，$0E）；步進電機后退寄存器寫入的二進制數，如圖4所示。

　　程序語句為：OutPortb（Base+13，$0A）；
　　步進電機懸浮寄存器寫入的二進制數，如圖5所示。

　　程序語句為：OutPoflb（Base+13，$08）。
4 結語
　　伴隨著科技的發展，計算機硬件成本越來越低，并且其通用性和使用簡便，決定了計算機作為控制核心部分，越來越廣泛的應用于工業控制的各個領域。步進電機是一種常用的動力驅動設備，工控機對其具有良好的控制能力。該系統已實踐運用，操作簡單、方便，運行穩定可靠，自動化程度高，效果良好。