摘要：汽車(chē)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(lái)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(chē)制動(dòng)元件；步進(jìn)電機(jī)；812PG Application of step motor to automotive brake component test system [align=center]LIU Li-feng，MA Chao—yong，BAI Guo （Beijing University of Technology，Beijing 100022，China）[/align] Abstract：Step Motor the executive element is used the test of automotive brake components．Itintroduces the composed of the hardware of the test system，the selection of step motor,and give the control method to step motor by industry computer and data acquisition board。 Key words：Automotive brake components；Step motor；812PG 1概述 　　許多汽車(chē)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(lái)模擬在實(shí)際汽車(chē)制動(dòng)時(shí)踩下制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程，滾珠絲杠推動(dòng)主缸或者制動(dòng)閥使其達(dá)到汽車(chē)制動(dòng)時(shí)所需要的各種工作狀態(tài)，以便來(lái)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(guò)程中沒(méi)有累計(jì)誤差，跟隨性良好，因此選擇步進(jìn)電機(jī)是汽車(chē)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(chē)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(mǎn)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(wú)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(mǎn)足系統(tǒng)的要求。 2．2系統(tǒng)工作過(guò)程 　　具體的工作過(guò)程是，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)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(guò)顯示器表示出來(lái)，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(lái)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(lái)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)?？删幊痰挠布〞r(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(guò)程序的變化即可滿(mǎn)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(lái)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(guò)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(guò)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(xiě)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(xiě)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(xiě)入的分頻值N只能為正整數(shù)，而通過(guò)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)?。篘=｛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(xiě)入，程序語(yǔ)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(xiě)入的二進(jìn)制數(shù)，如圖3所示。 　　程序語(yǔ)句為：OutPortb（Base+13，$0E）；步進(jìn)電機(jī)后退寄存器寫(xiě)入的二進(jìn)制數(shù)，如圖4所示。 　　程序語(yǔ)句為：OutPortb（Base+13，$0A）； 　　步進(jìn)電機(jī)懸浮寄存器寫(xiě)入的二進(jìn)制數(shù)，如圖5所示。 　　程序語(yǔ)句為：OutPoflb（Base+13，$08）。 4 結(jié)語(yǔ) 　　伴隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件成本越來(lái)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(lái)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