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作者:
徐 猛 -
1、引言
車che輛liang各ge係xi統tong及ji零ling部bu件jian的de疲pi勞lao耐nai久jiu性xing能neng是shi評ping價jia汽qi車che質zhi量liang的de重zhong要yao指zhi標biao。因yin此ci開kai發fa通tong用yong的de耐nai久jiu試shi驗yan裝zhuang置zhi對dui各ge零ling部bu件jian進jin行xing測ce試shi是shi車che輛liang開kai發fa過guo程cheng中zhong的de極ji為wei重zhong要yao的de工gong作zuo。本ben文wen以yi某mou款kuan車che型xing的de換huan擋dang杆gan耐nai久jiu試shi驗yan台tai的de搭da建jian為wei例li，係xi統tong說shuo明ming了le光guang電dian開kai關guan作zuo用yong原yuan理li、開關觸發信號采集、LABVIEW編製控製程序及通過LABVIEW的Modbus協議控製伺服電機技術等關鍵問題，並針對實際中可能出現的問題增加了優化程序—極限位置反轉保護方案，避免了試驗台運行中可能出現的錯誤。
2、係統開發背景
車輛的換擋杆試驗台用來考核換擋係統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：換擋杆經40萬次試驗後，換擋杆各零部件無破裂，操作靈活且無卡滯現象；換擋杆力載荷60N，頻率要求0.5Hz。其中運行次數、換擋力載荷及運行頻率均要求實時可變。圖 1為wei最zui終zhong搭da建jian的de換huan擋dang杆gan耐nai久jiu試shi驗yan台tai。其qi中zhong重zhong塊kuai作zuo為wei負fu載zai，伺si服fu電dian機ji帶dai動dong轉zhuan盤pan旋xuan轉zhuan，通tong過guo與yu轉zhuan盤pan連lian接jie的de拉la杆gan機ji構gou實shi現xian換huan擋dang杆gan動dong作zuo，換huan擋dang杆gan的de兩liang個ge極ji限xian位wei置zhi分fen別bie通tong過guo兩liang個ge鐵tie片pian和he一yi個ge光guang點dian開kai關guan確que定ding，並bing傳chuan輸shu到daoUSB-6251中，由於伺服電機與轉盤的傳動比為10，則電機轉速設定為33rpm，滿足試驗要求。
1 換擋杆耐久試驗台
3、係統組成及總體設計方案
根據係統的功能要求本係統包括上位機、NI數據采集卡USB-6251、光電開關、交流伺服電機組成，機械裝置五部分，係統組成框圖如圖 2所示。本裝置采用美國國家儀表公司（National Instruments，簡稱NI）開發的數據采集卡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，上位機根據用Labview編訂的程序完成計數、顯示及判斷等工作，並通過Modbus協議控製伺服電機向反方向運行，從而機械裝置進入下一個循環周期，直至運行次數滿足要求。運行頻率/速度由伺服電機的速度運行模式實現。
2 係統組成框圖
3.1 傳感器及數據采集方案
光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)是(shi)通(tong)過(guo)把(ba)光(guang)強(qiang)度(du)的(de)變(bian)化(hua)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)變(bian)化(hua)來(lai)實(shi)現(xian)控(kong)製(zhi)的(de)，一(yi)般(ban)情(qing)由(you)發(fa)送(song)器(qi)，接(jie)收(shou)器(qi)和(he)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)三(san)部(bu)分(fen)構(gou)成(cheng)。它(ta)是(shi)利(li)用(yong)被(bei)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)對(dui)紅(hong)外(wai)光(guang)束(shu)的(de)遮(zhe)光(guang)或(huo)反(fan)射(she)，由(you)同(tong)步(bu)回(hui)路(lu)選(xuan)通(tong)而(er)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)的(de)有(you)無(wu)，其(qi)物(wu)體(ti)不(bu)限(xian)於(yu)金(jin)屬(shu)，對(dui)所(suo)有(you)能(neng)反(fan)射(she)光(guang)線(xian)的(de)物(wu)體(ti)均(jun)可(ke)檢(jian)測(ce)。本(ben)文(wen)選(xuan)用(yong)的(de)漫(man)反(fan)射(she)光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)是(shi)一(yi)種(zhong)集(ji)發(fa)射(she)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)於(yu)一(yi)體(ti)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，當(dang)有(you)被(bei)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)經(jing)過(guo)時(shi)，將(jiang)光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)發(fa)射(she)器(qi)發(fa)射(she)的(de)足(zu)夠(gou)量(liang)的(de)光(guang)線(xian)反(fan)射(she)到(dao)接(jie)收(shou)器(qi)，於(yu)是(shi)光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)就(jiu)產(chan)生(sheng)了(le)開(kai)關(guan)信(xin)號(hao)。
本文選用NI公司開發的USB-6251數據采集卡及Labview軟件的Express技術快速實現光電開關的實時電壓采集。USB-6251數據采集卡是NI公司最新推出的USB總線M係列數據采集產品，可提供高達16路模擬輸入通道，並達到1.25 MS/s數據采集速率，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測試係統的技術[1]。它將各種基本函數進一步打包為更加智能，功能更加豐富的函數；bingduiqizhongmouxiehanshutigongpeizhiduihuakuang，tongguopeizhikuangkeyiduihanshujinxingxiangxidepeizhi，yinciqikeyishixianjiaoshaodebuzhouwanchenggongnengwanshandeceshixitong，youqiduiyufuzadecaijixitong，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個並實時的傳到上位機，采集模式設為連續采樣。
3 光電開光電壓信號采集
3.2 Labview控製程序
采集到的光電開關信號將輸入到程序中執行控製策略。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結構中執行判定，這裏閾值選定為5V，即電壓信號大於5V(此時電機正常運行)時，不執行任何操作；當電壓信號低於5V時(此時電機運行到上/下極限位置)時，首先當前次數增加0.5(電機在上/下極限位置間運行一個來回定義為1)並比較當前次數是否等於循環次數，等於則程序停止；不等於則電機反轉，程序繼續運行。
4 光電開關信號的判斷與計數
3.3 Modbus協議控製伺服電機方案
圖 5為Labview程序采用Modbus協議控製伺服電機反轉。Modbus 協議是應用於電子控製器上的一種通用語言，通過此協議控製器相互之間、控製器和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準[2,3]。Modbus協議有兩種傳輸模式：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（如波特率、校驗方式等）。伺服電機預先設定以下參數：站號：1；傳輸模式：RTU；數據位：8；校驗：偶校驗；停止位：1；通訊超時：5000ms；串口號：Com4。並將電機內部寄存器20B(16進製)位置設定為命令輸入反向控製，即此寄存器變化時(即由106變為006，或者由006變為106)電機反轉；缺省為106，電機按先指定方向運行。圖 5中程序首先提取內部寄存器20B位置的當前值，通過與給定值對比判斷後再輸入新值，從而實現電機反轉的操作。
5 Modbus協議控製電機反轉
3.4 極限位置反轉保護方案
在(zai)電(dian)機(ji)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)中(zhong)采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)光(guang)亮(liang)的(de)金(jin)屬(shu)鐵(tie)片(pian)觸(chu)出(chu)發(fa)光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)，由(you)於(yu)鐵(tie)片(pian)的(de)寬(kuan)度(du)和(he)電(dian)機(ji)慣(guan)性(xing)，電(dian)機(ji)往(wang)往(wang)要(yao)超(chao)過(guo)鐵(tie)片(pian)內(nei)側(ce)邊(bian)緣(yuan)一(yi)部(bu)分(fen)後(hou)再(zai)執(zhi)行(xing)反(fan)轉(zhuan)操(cao)作(zuo)，電(dian)機(ji)反(fan)轉(zhuan)初(chu)期(qi)光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)仍(reng)處(chu)於(yu)低(di)電(dian)平(ping)，這(zhe)極(ji)易(yi)讓(rang)程(cheng)序(xu)認(ren)為(wei)電(dian)機(ji)已(yi)經(jing)到(dao)達(da)另(ling)一(yi)個(ge)界(jie)限(xian)位(wei)置(zhi)，而(er)造(zao)成(cheng)電(dian)機(ji)在(zai)一(yi)個(ge)極(ji)限(xian)位(wei)置(zhi)附(fu)近(jin)反(fan)複(fu)運(yun)行(xing)，不(bu)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。圖(tu) 6為程序新增加的極限位置反轉保護功能。即在電機運行到極限位置後，關閉NI數據采集功能2秒，2秒後數據采集再次開啟，而此時光電開關已經遠離觸發鐵片，不會再次發生以上問題。
6 極限位置反轉保護
4、軟件實現
4.1 人機交互界麵
人機交互界麵編輯的可見即可得是Laview的一個重要的優勢[4]。Labview的(de)前(qian)麵(mian)板(ban)包(bao)含(han)大(da)量(liang)形(xing)象(xiang)逼(bi)真(zhen)的(de)控(kong)件(jian)，用(yong)戶(hu)還(hai)可(ke)以(yi)創(chuang)建(jian)自(zi)定(ding)義(yi)控(kong)件(jian)。前(qian)麵(mian)板(ban)的(de)窗(chuang)口(kou)形(xing)式(shi)可(ke)以(yi)以(yi)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)式(shi)顯(xian)示(shi)以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)的(de)需(xu)求(qiu)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)按(an)鈕(niu)、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為程序設計界麵，其中清零按鈕可以將當前次數歸零；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次數；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，開始命令變為暫停功能，可以隨時按下暫停程序；停止按鈕將退出整個程序。
 7 換擋杆耐久試驗台人機交互界麵
4.2 未來擴展能力
現在設計的方案僅滿足耐久試驗的循環次數要求和指定速度(通過伺服電機)的參數設定，通過電壓和電流傳感器將電機運行電流電壓信號轉變為模擬電壓信號輸入到NI-6251采集前端，並在軟件中設定相應的換算參數，即可實現對電機參數的實施監控。在以上平台上的建立基礎上，可盡快的搭建以上平台,並建立數據保存及報警功能。
5、結論
本文通過光電開關發出模擬電壓信號，NI數據采集卡采集電壓信號並輸入到上位機，上位機中運行使用Labview軟件編製的人機接口界麵及數據處理程序，根據判斷結果通過Modbus協xie議yi控kong製zhi交jiao流liu伺si服fu電dian機ji實shi現xian往wang複fu動dong作zuo，最zui後hou增zeng加jia極ji限xian位wei置zhi電dian機ji反fan轉zhuan程cheng序xu，解jie決jue電dian機ji運yun行xing過guo程cheng中zhong出chu現xian的de極ji限xian位wei置zhi控kong製zhi策ce略lve失shi效xiao的de問wen題ti。實shi踐jian證zheng明ming這zhe種zhong搭da建jian的de試shi驗yan台tai的de技ji術shu路lu線xian及ji控kong製zhi策ce略lve是shi可ke行xing的de，同tong時shi這zhe也ye是shi一yi種zhong用yong較jiao為wei通tong用yong方fang法fa，不bu僅jin能neng滿man足zu換huan擋dang杆gan耐nai久jiu試shi驗yan的de要yao求qiu，對dui其qi他ta零ling部bu件jian耐nai久jiu試shi驗yan台tai的de開kai發fa也ye有you參can考kao意yi義yi。
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