基于?LABVIEW?和?交流?伺服?電機的車輛?換?擋?桿?系統(tǒng)?方案

挑戰(zhàn):

車輛?換?擋?桿?耐久?試驗?要求?車輛?換?擋?桿?在?指定?負載?條件，?以?一定?速度?在?兩?個?確定?工作?位置?間?運行?大量?次數(shù)?(如?40?萬?次)，?并?對?運行?中的?速度、?次數(shù)?等?參數(shù)?監(jiān)?控，?并?希望?預?留?對?系統(tǒng)?電流?及?電壓?等?參數(shù)?的?監(jiān)?控?擴展?能力。?常見?的?基于?PLC?的?耐久?試驗?臺?設計?方案?顯然?不能?滿足?運行?過程?中的?速度、?次數(shù)、?電流?及?電壓?的?監(jiān)?控?及?可?擴展?能力?的?要求。?基于?LABVIEW?和?交流?伺服?電機?的?試驗?系統(tǒng)?采用?閉?環(huán)?控制?策略，?通過?系統(tǒng)?位置?信號?的?采集，?確定?電機?運行?方向?與?速度?的?改變，?并?對?過程?中的?電壓?電流?等?監(jiān)?控，?為?系統(tǒng)?試驗?的?智能?監(jiān)?控?和?分析?提供?科學?依據(jù)。

解決?方案:

基于?NI USB-6251?的?模擬?量?采集?模?塊，?利用?LABVIEW?的?DAQ?助手?的?Express?技術，?實?時?采集?光電?開關?信號，?并?輸入?到?基于 LABVIEW?的?開發(fā)?系統(tǒng)?中?進行?采集、?比較?及?分析，?通過?基于?Modbus?協(xié)議?二次?開發(fā)?的?程序?控制?交流?伺服?電機?以?指定?的?速度?和?方向?運動，?并?到達?指定?位置?后?及時?返?向?運動?及?記?數(shù)，?其中?針對?實際?運行?中?出現(xiàn)?的?系統(tǒng)?失效?問題，?增加?的?極限?位置?反轉(zhuǎn)?保護?方案?也是?本?系統(tǒng)?的?一個?創(chuàng)新。

1 引言

車輛?各?系統(tǒng)?及?零?部件?的?疲勞?耐久性?能?是?評價?汽車?質(zhì)量?的?重要?指標。?因此?開發(fā)?通用?的?耐久?試驗?裝置?對?各?零?部件?進行?測試?是?車輛?開發(fā)?過程?中的?極為?重要?的?工作。?本文?以?某?款?車?型?的?換?擋?桿?耐久?試驗?臺?的?搭建?為?例，?系統(tǒng)?說明?了?光電?開關?作用?原理、?開關?觸發(fā)?信號?采集、?LABVIEW?編制?控制?程序?及?通過?LABVIEW?的?Modbus?協(xié)議?控制?伺服?電機?技術?等?關鍵?問題，?并?針對?實際?中?可能?出現(xiàn)?的?問題?增加?了?優(yōu)?化?程序?—?極限?位置?反轉(zhuǎn)?保護?方案，?避免?了?試驗?臺?運行?中?可能?出現(xiàn)?的?錯誤。

2 系統(tǒng)?開發(fā)?背景

車輛?的?換?擋?桿?試驗?臺?用?來?考核?換?擋?系統(tǒng)?的?耐久性?能?的?專用?設備，?也是?車輛?零?部件?試驗?中?重要?的?試驗?之一。?如?某?款?車?型?試驗?要求?如下：?換?擋?桿?經(jīng)?40?萬?次?試驗?后，?換?擋?桿?各?零?部件?無?破裂，?操作?靈活?且?無?卡?滯?現(xiàn)象；?換?擋?桿?力?載?荷?60N，?頻率?要求?0.5Hz。?其中?運行?次數(shù)、?換?擋?力?載?荷?及?運行?頻率?均?要求?實?時?可變。?圖 1?為?最終?搭建?的?換?擋?桿?耐久?試驗?臺。?其中?重?塊?作為?負載，?伺服電 機?帶動?轉(zhuǎn)盤?旋轉(zhuǎn)，?通過?與?轉(zhuǎn)盤?連接?的?拉桿?機構?實現(xiàn)?換?擋?桿?動作，?換?擋?桿?的?兩?個?極限?位置?分別?通過?兩?個?鐵片?和?一個?光點?開關?確定，?并?傳輸?到?USB-6251?中，?由于?伺服?電機?與?轉(zhuǎn)盤?的?傳?動?比為?10，?則?電機?轉(zhuǎn)?速?設定?為?33rpm，?滿足?試驗?要求。

圖 1 ?換?擋?桿?耐久?試驗?臺

圖 2 ?系統(tǒng)?組成?框?圖

3 系統(tǒng)?組成?及?總體?設計?方案

根據(jù)?系統(tǒng)?的?功能?要求?本?系統(tǒng)?包括?上位?機、?NI?數(shù)據(jù)?采集?卡?USB-6251、?光電?開關、?交流?伺服?電機?組成，?機械?裝置?五?部分，?系統(tǒng)?組成?框?圖?如?圖 2?所?示。?本?裝置?采用?美國?國家?儀表?公司?（National Instruments，?簡稱?NI）?開發(fā)?的?數(shù)據(jù)?采集?卡?USB-6251?實?時?采集?光電?開關?的?模擬?電壓?信號，?當?機械?裝置?在?運行?行程?中?光電?開?光?輸出?高?電?平，?上位?機?不?動作；?而?機械?裝置?運行?到?預先?設置?上 /?下?極限?位置?時，?光電?開關?輸出?低?電?平，?上位?機?根據(jù)?用?Labview?編?訂?的?程序?完成?計數(shù)、?顯示?及?判斷?等?工作，?并?通過?Modbus?協(xié)議?控制?伺服?電機?向?反?方向?運行，?從而?機械?裝置?進入?下?一個?循環(huán)?周期，?直至?運行?次數(shù)?滿足?要求。?運行?頻率 /?速度?由?伺服?電機?的?速度?運行?模式?實現(xiàn)。

3.1 傳感器?及?數(shù)據(jù)?采集?方案

光電?開關?是?通過?把?光?強度?的?變化?轉(zhuǎn)換?成?電信?號?的?變化?來?實現(xiàn)?控制?的，?一般?情?由?發(fā)送?器，?接收?器?和?檢測?電路?三?部分?構成。?它是?利用?被?檢測?物體?對?紅外?光束?的?遮光?或?反射，?由?同步?回路?選?通?而?檢測?物體?的?有?無，?其?物體?不限于?金屬，?對?所有?能?反射?光線?的?物體?均可?檢測。?本文?選用?的?漫?反射?光電?開關?是?一種?集?發(fā)射?器?和?接收?器?于?一體?的?傳感器，?當?有?被?檢測?物體?經(jīng)過?時，?將?光電?開關?發(fā)射?器?發(fā)射?的?足夠?量的?光線?反射?到?接收?器，?于是?光電?開關?就?產(chǎn)生?了?開關?信號。

本文?選用?NI?公司?開發(fā)?的?USB-6251?數(shù)據(jù)?采集?卡?及?Labview?軟件?的?Express?技術?快速?實現(xiàn)?光電?開關?的?實?時?電壓?采集。?USB-6251?數(shù)據(jù)?采集?卡?是?NI?公司?最新?推出?的?USB?總?線?M?系列?數(shù)據(jù)?采集?產(chǎn)品，?可?提供?高達?16?路?模擬?輸入?通道，?并?達到?1.25 MS/?s?數(shù)據(jù)?采集?速率，?且?增加?了?USB?即?插?即?用?的?簡單?易?用?性?以及?全新?高速?信號?流?技術，?可?實?時?快速?的?采集?各種?物理?信號。?Express?技術?是?Labview?最新?提供?的?一種?快捷?簡便?搭建?專業(yè)?測試?系統(tǒng)?的?技術?[1]。?它?將?各種?基本?函數(shù)?進一步?打包?為?更加?智能，?功能?更加?豐富?的?函數(shù)；?并?對?其中?某些?函數(shù)?提供?配置?對話?框，?通過?配置?框?可以?對?函數(shù)?進行?詳細?的?配置，?因此?其?可以?實現(xiàn)?較?少?的?步驟?完成?功能?完善?的?測試?系統(tǒng)，?尤其?對于?復雜?的?采集?系統(tǒng)，?Express?技術?起?到了?極大?的?簡化?作用。?圖 3?為?光電?開關?電壓?信號?采集?設置?圖，?電壓?信號?最大值?及?最小值?設定?為?+10V?及 -10V，?采集?率?及?待?讀?取?采樣?均?設定?為?1，?即?1?秒?采集?1?個?并?實?時?的?傳?到?上位?機，?采集?模式?設?為?連續(xù)?采樣。

3.2 Labview?控制?程序

采集?到?的?光電?開關?信號?將?輸入?到?程序?中?執(zhí)行?控制?策略。?如?圖 4?所?示，?DAQ?助手?為?采用?Express?技術?建立?的?光電?開關?電壓?信號?采集，?信號?實?時?輸入?到?循環(huán)?結構?中?執(zhí)行?判定，?這里?閾?值?選定?為?5V，?即?電壓?信號?大于?5V(此時?電機?正常?運行)?時，?不?執(zhí)行?任何?操作；?當?電壓?信號?低于?5V?時?(此時?電機?運行?到?上 /?下?極限?位置)?時，?首先?當前?次數(shù)?增加?0.5(電機?在?上 /?下?極限?位置?間?運行?一個?來回?定義?為?1)?并?比較?當前?次數(shù)?是否?等于?循環(huán)?次數(shù)，?等于?則?程序?停止；?不?等于?則?電機?反轉(zhuǎn)，?程序?繼續(xù)?運行。

圖 3 ?光電?開?光?電壓?信號?采集

圖 4 ?光電?開關?信號?的?判斷?與?計數(shù)

3.3 Modbus?協(xié)議?控制?伺服?電機?方案

圖 5?為?Labview?程序?采用?Modbus?協(xié)議?控制?伺服?電機?反轉(zhuǎn)。?Modbus 協(xié)議?是?應用?于?電子?控制器?上?的?一種?通用?語言，?通過?此?協(xié)議?控制器?相互?之間、?控制器?和?其它?設備?之間?可以?通信。?它?已經(jīng)?成為?一?通用?工業(yè)?標準?[2,3]。?Modbus?協(xié)議?有?兩?種?傳輸?模式：?ASCII(American standard code for information interchange)?或?RTU(Remote terminal unit)，?兩?種?方式?均?須?指定?串?口?通信?參數(shù)?（如?波特?率、?校?驗?方式?等）。?伺服?電機?預先?設定?以下?參數(shù)：?站?號：?1；?傳輸?模式：?RTU；?數(shù)據(jù)?位：?8；?校?驗：?偶?校?驗；?停止?位：?1；?通訊?超?時：?5000ms；?串?口號：?Com4。?并?將?電機?內(nèi)部?寄存器?20B(16?進制)?位置?設定?為?命令?輸入?反向?控制，?即?此?寄存器?變化?時?(即?由?106?變?yōu)?006，?或者?由?006?變?yōu)?106)?電機?反轉(zhuǎn)；?缺?省?為?106，?電機?按?先?指定?方向?運行。?圖 5?中?程序?首先?提取?內(nèi)部?寄存器?20B?位置?的?當前?值，?通過?與?給?定?值?對比?判斷?后?再?輸入?新?值，?從而?實現(xiàn)?電機?反轉(zhuǎn)?的?操作。

3.4 極限?位置?反轉(zhuǎn)?保護?方案

在?電機?實際?運行?中?采用?兩?個?光亮?的?金屬?鐵片?觸?出發(fā)?光電?開關，?由于?鐵片?的?寬度?和?電機?慣?性，?電機?往往?要?超過?鐵片?內(nèi)?側?邊緣?一部分?后?再?執(zhí)行?反轉(zhuǎn)?操作，?電機?反轉(zhuǎn)?初期?光電?開關?仍?處于?低?電?平，?這?極?易?讓?程序?認為?電機?已經(jīng)?到達?另?一個?界限?位置，?而?造成?電機?在?一個?極限?位置?附近?反復?運行，?不能?正常?工作。?圖 6?為?程序?新?增加?的?極限?位置?反轉(zhuǎn)?保護?功能。?即?在?電機?運行?到?極限?位置?后，?關閉?NI?數(shù)據(jù)?采集?功能?2?秒，?2?秒?后?數(shù)據(jù)?采集?再次?開啟，?而?此時?光電?開關?已經(jīng)?遠離?觸發(fā)?鐵片，?不會?再次?發(fā)生?以上?問題。

圖 5 ?Modbus?協(xié)議?控制?電機?反轉(zhuǎn)

圖 6 ?極限?位置?反轉(zhuǎn)?保護

圖 7 ?換?擋?桿?耐久?試驗?臺?人?機?交互?界面

4 軟件?實現(xiàn)

4.1 人?機?交互?界面
人?機?交互?界面?編輯?的?可見?即可?得?是?Laview?的?一個?重要?的?優(yōu)勢?[4]。?Labview?的?前?面板?包含?大量?形象?逼真?的?控?件，?用戶?還?可以?創(chuàng)建?自?定義?控?件。?前?面板?的?窗口?形式?可以?以?不同?的?方式?顯示?以?滿足?不同?的?需求，?用戶?可以?通過?按鈕、?對話?框、?聲音、?菜單?及?鍵盤?輸入?等?不同?方式?與?程序?進行?交互。?圖 7?為?程序?設計?界面，?其中?清?零?按鈕?可以?將?當前?次數(shù)?歸?零；?按下?設定?按鈕?將?有?一個?對話?框?彈出，?用戶?可以?通過?鍵盤?輸入?要求?的?循環(huán)?次數(shù)；?再按?下?開始?按鈕?程序?將?開始?運行，?同時?開始?按鈕?將?保持?按下?狀態(tài)，?開始?命令?變?yōu)?暫停?功能，?可以?隨時?按下?暫停?程序；?停止?按鈕?將?退出?整個?程序。

4.2 未來?擴展?能力

現(xiàn)在?設計?的?方案?僅?滿足?耐久?試驗?的?循環(huán)?次數(shù)?要求?和?指定?速度?(通過?伺服?電機)?的?參數(shù)?設定，?通過?電壓?和?電流?傳感器?將?電機?運行?電流?電壓?信號?轉(zhuǎn)變?yōu)?模擬?電壓?信號?輸入?到?NI-6251?采集?前端，?并?在?軟件?中?設定?相應?的?換算?參數(shù)，?即可?實現(xiàn)?對?電機?參數(shù)?的?實施?監(jiān)?控。?在?以上?平臺?上?的?建立?基礎?上，?可?盡快?的?搭建?以上?平臺,?并?建立?數(shù)據(jù)?保存?及?報警?功能。

5 結論

本文?通過?光電?開關?發(fā)出?模擬?電壓?信號，?NI?數(shù)據(jù)?采集?卡?采集?電壓?信號?并?輸入?到?上位?機，?上位?機?中?運行?使用?Labview?軟件?編制?的?人?機?接口?界面?及?數(shù)據(jù)?處理?程序，?根據(jù)?判斷?結果?通過?Modbus?協(xié)議?控制?交流?伺服?電機?實現(xiàn)?往復?動作，?最后?增加?極限?位置?電機?反轉(zhuǎn)?程序，?解決?電機?運行?過程?中?出現(xiàn)?的?極限?位置?控制?策略?失效?的?問題。?實踐?證明?這種?搭建?的?試驗?臺?的?技術?路線?及?控制?策略?是?可行?的，?同時?這?也是?一種?用?較?為?通用?方法，?不僅?能?滿足?換?擋?桿?耐久?試驗?的?要求，?對?其他?零?部件?耐久?試驗?臺?的?開發(fā)?也有?參考?意義。

參考文獻

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編輯：hfy