摘要：汽車制動元件的檢測中，都要用到步進電機作為執(zhí)行元件來測試其各種性能。介紹了測試系統(tǒng)硬件的組成，步進電機的選型，及利用工控機和數(shù)據(jù)采集卡對步進電機的控制方法。
關(guān)鍵詞：汽車制動元件；步進電機；812PG
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(tǒng)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(tài)，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(yán)格成正比關(guān)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(tǒng)中性能較好的執(zhí)行元件。
2系統(tǒng)硬件構(gòu)成
汽車制動元件測試系統(tǒng)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(zhí)行元件在制動元件在測試中的應(yīng)用，故略去壓力測試部分。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集卡。
2.1系統(tǒng)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(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒，步距角0．9°／1．8°；驅(qū)動器采用四通電機SH一20806N兩相混合式步進電機驅(qū)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(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。
步進電機正常運行的關(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(zhuǎn)矩：T=Te+Ta
式中：Te 一負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Ta一加速轉(zhuǎn)矩。
由于無法計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩，因此只能初步計算負(fù)載轉(zhuǎn)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(fù)載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量等所需的加速轉(zhuǎn)矩，機械部分的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩Ta為：
（3）
式中： Va一目標(biāo)速度；ta一加速時間。
根據(jù)式（3）計算結(jié)果可知Ta很小，可以忽略。步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩,故取最大靜轉(zhuǎn)矩
根據(jù)57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進電機的矩頻特性曲線（圖略），可以看出該電機滿足系統(tǒng)的要求。
2．2系統(tǒng)工作過程
具體的工作過程是，步進電機通過聯(lián)軸器驅(qū)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(shù)據(jù)經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)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(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(shù)及方向進行控制，根據(jù)計算機所發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量所需的時間來設(shè)計一個子程序，該子程序包含一定的指令，設(shè)計者通常要對這些指令的執(zhí)行時間進行嚴(yán)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(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(shè)計對步進電機的控制程序，這里采用研祥公司生產(chǎn)的PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡，利用812PG卡中自帶可編程計數(shù)／定時器8254及其他邏輯電路器件設(shè)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(chǎn)生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號。可編程的硬件定時器直接對系統(tǒng)時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)，計數(shù)值則由編程決定當(dāng)計數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)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(shù)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(shù)要求，因此使用很方便。
3．1 對步進電機轉(zhuǎn)速的控制
在測試系統(tǒng)中步進電機的轉(zhuǎn)速要由設(shè)定值來實現(xiàn)，這個設(shè)定值存放在PCL-812PG上的8254芯片的計數(shù)值設(shè)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(xì)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(fā)生模式，根據(jù)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(zhuǎn)動的角度為每個脈沖轉(zhuǎn)動的角度為1．8°，由于步進電機驅(qū)動器采用了32細(xì)分模式，因此8254每發(fā)送32個脈沖步進電機才轉(zhuǎn)過1jBo，步進電機每轉(zhuǎn)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(shè)N為分頻數(shù)（寫入8254計數(shù)器0的值），故步進電機的速度V應(yīng)為：
（4）
式中：N一為分頻數(shù)，即寫入8254計數(shù)器0的值。
根據(jù)式（4）可以推導(dǎo)出：
（5）
式（5）中對8254計數(shù)器寫入的分頻值N只能為正整數(shù)，而通過計算得出的分頻值N不一定為正整數(shù)，因此要對輸入8254計數(shù)器0的分頻值進行四舍五人，故應(yīng)取：N=｛mund 1562．5×t／s｝在程序中改變N的值的大小，即可改變步進電機的轉(zhuǎn)速。
分別向PCL-812PG基地址base+0（也就是計數(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步進電機的前進、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(tài)控制，0為FREE位（步進電機軸懸浮狀態(tài)），1為使能狀態(tài)；
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(shù)，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(shù)，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(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(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。步進電機是一種常用的動力驅(qū)動設(shè)備，工控機對其具有良好的控制能力。該系統(tǒng)已實踐運用，操作簡單、方便，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，效果良好。
參考文獻
[1]查宏民，同祥安，曹玉平．真空助力器一制動主缸總成測試裝置．機床液壓，2005（1）：75—76
[2]張明．步進電機的基本原理．科教信息，2007（9）
[3]詹躍東．電機及拖動基礎(chǔ)．重慶：重慶大學(xué)出版社，2006
