基于​LABVIEW​和​交流​伺服​电机的车辆​换​挡​杆​系统​方案

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。

图 1 ​换​挡​杆​耐久​试验​台

图 2 ​系统​组成​框​图

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。

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

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。

图 5 ​Modbus​协议​控制​电机​反转

图 6 ​极限​位置​反转​保护

图 7 ​换​挡​杆​耐久​试验​台​人​机​交互​界面

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

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).

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.

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.

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).

编辑：hfy