步进电机在汽车制动元件测试系统中的应用

摘要：汽车制动元件的检测中，都要用到步进电机作为执行元件来测试其各种性能。介绍了测试系统硬件的组成，步进电机的选型，及利用工控机和数据采集卡对步进电机的控制方法。

关键词：汽车制动元件；步进电机；812PG

1概述

　　许多汽车制动元件的检测，例如液压制动系中制动主缸助力器总成的检测，气压制动系中气制动阀的检测，在测试系统中需要用到电机推动滚珠丝杠来模拟在实际汽车制动时踩下制动踏板进行制动的过程，滚珠丝杠推动主缸或者制动阀使其达到汽车制动时所需要的各种工作状态，以便来测试各种性能。而步进电机由于角位移与输入脉冲严格成正比关系，在其运动过程中没有累计误差，跟随性良好，因此选择步进电机是汽车制动元件测试系统中性能较好的执行元件。

2系统硬件构成

　　汽车制动元件测试系统中，因为有气压或者液压的压力要测试，所以电磁阀、压力表、压力传感器等是必不可少的，本文只讨论步进电机作为执行元件在制动元件在测试中的应用，故略去压力测试部分。系统硬件组成有位移传感器，力传感器，步进电机；控制核心采用工控机和数据采集卡。

2.1系统硬件选型

　　某气制动阀检测试验台一台，步进电机选用四通电机，型号57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步进电机，双极恒流、相电流为15A、2相4线、转子齿数为50齿，步距角0．9°／1．8°；驱动器采用四通电机SH一20806N两相混合式步进电机驱动器；32控机配置为研祥工控机IPC一810A，C1I850以上，QT80G，HY256M以上，52X光驱、USB光电鼠标、10M／100M自适应以太网卡。数据采集卡选用研祥公司PCL-812PG采集卡。位移传感器量程为：（0～60）mm，精度为05％。输入力传感器量程为2500N，精度为1％。如图1所示，为控制系统的基本组成。

　　步进电机正常运行的关键指标是其矩频特性曲线要满足系统的要求。因此需要对所选的型号为57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步进电机做必要的验证工作。

估算步进电机所需的运行转矩：T=Te+Ta

式中：Te 一负载转矩；Ta一加速转矩。

　　由于无法计算电机的电磁转矩，因此只能初步计算负载转矩，步进电机需要克服制动元件弹簧力前进，估测得弹簧压缩力约为150N，因此，需要的负载转矩约为：

（1）

式中：F-弹簧压缩力；V一步进电机的前进速度。

　　估算步进电机需克服起动摩擦、转动惯量等所需的加速转矩，机械部分的转动惯量为：

（2）

式中：G一步进电机机械部分重量；D 一直径。

　　加速转矩Ta为：

（3）

式中： Va一目标速度；ta一加速时间。

　　根据式（3）计算结果可知Ta很小，可以忽略。步进电机最大静转矩,故取最大静转矩

　　根据57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步进电机的矩频特性曲线（图略），可以看出该电机满足系统的要求。

2．2系统工作过程

　　具体的工作过程是，步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠组成加力装置，力传感器安装在丝杠顶杆前端，用于测量步进电机输出力暨“被测试件输入力”的大小，数据经由A／D转换送工控机处理，工控机控制步进电机的启动、前进、后退、停止，并按测试程序控制前进和后退的速度，同时由位移传感器测量出步进电机的位移量，并将力和位移的相应数据通过显示器表示出来，根据相关行业标准来判断气制动阀的合格与否。

3 主要控制程序

　　一般采用软件延时的方法来对步进电机的运行速度、步数及方向进行控制，根据计算机所发出脉冲的频率和数量所需的时间来设计一个子程序，该子程序包含一定的指令，设计者通常要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试，以便确定延时时间是否符合要求，每当子程序结束后，可以执l彳亍下面的操作。采用软件延时方式时，CPU一直被占用，CPU利用率低，这在许多场合是非常不利的。因此需要重新设计对步进电机的控制程序，这里采用研祥公司生产的PCL-812PG数据采集卡，利用812PG卡中自带可编程计数／定时器8254及其他逻辑电路器件设计一种步进电机控制方式，仅需要几条简单的指令就可以产生具有一定频率和数目的脉冲信号。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数，计数值则由编程决定当计数到预定的脉冲数时，给出定时时间到的信号，得到所需的延时时间或定时间隔，由于计数的初始值由编程决定，因而在不改动硬件的情况下，只通过程序的变化即可满足不同的定时和计数要求，因此使用很方便。

3．1 对步进电机转速的控制

　　在测试系统中步进电机的转速要由设定值来实现，这个设定值存放在PCL-812PG上的8254芯片的计数值设定位上。这个值的计算过程如下：

　　已知条件是电机的步进角为1．8°，控制器选择三十二细分，8254时钟频率是2MHZ，电机带动的丝杆螺距为5ram。要求速度为￡秒前进s毫米，即s／t（mm／s）。8254工作在方波发生模式，根据步进电机工作原理可知，每给步进电机一个脉冲，步进电机转动的角度为每个脉冲转动的角度为1．8°，由于步进电机驱动器采用了32细分模式，因此8254每发送32个脉冲步进电机才转过1jBo，步进电机每转一圈所需脉冲为：（360／1．8）32=6400，电机丝杆螺距为5ram，8254时钟频率是2MHz，如设N为分频数（写入8254计数器0的值），故步进电机的速度V应为：

（4）

式中：N一为分频数，即写入8254计数器0的值。

根据式（4）可以推导出：

（5）

　　式（5）中对8254计数器写入的分频值N只能为正整数，而通过计算得出的分频值N不一定为正整数，因此要对输入8254计数器0的分频值进行四舍五人，故应取：N=｛mund 1562．5×t／s｝在程序中改变N的值的大小，即可改变步进电机的转速。

　　分别向PCL-812PG基地址Base+0（也就是计数器0寄存器）中先低八位、后高八位写入，程序语句为：

　　OutPortb（Base+0，N mod 256）；

　　OutPortb（Base+0，N div 256）；

3．2步进电机的前进、后退、使能控制

　　PCL一812PG提供16路数字输入通道和16路数字输出通道的数字I／O寄存器。地址Base+6和Base+7都用于数字输入，地址Base+13和Base+14用于数字输出通道。

　　在测试系统中，使用地址Base+13数字I／O寄存器，寄存器八位二进制意义，如图2所示。

　　D0位：脉冲信号输入线路选择，1为CW输入，0为CWW输入；

　　D1位：步进电机使能状态控制，0为FREE位（步进电机轴悬浮状态），1为使能状态；

　　D2位：方向控制，1为顺时针（前进），0为逆时针（后退）；

　　D3位：Gate位，1为方波输出，0为低电平输出；

　　步进电机前进寄存器写入的二进制数，如图3所示。

　　程序语句为：OutPortb（Base+13，$0E）；步进电机后退寄存器写入的二进制数，如图4所示。

　　程序语句为：OutPortb（Base+13，$0A）；

　　步进电机悬浮寄存器写入的二进制数，如图5所示。

　　程序语句为：OutPoflb（Base+13，$08）。

4 结语

　　伴随着科技的发展，计算机硬件成本越来越低，并且其通用性和使用简便，决定了计算机作为控制核心部分，越来越广泛的应用于工业控制的各个领域。步进电机是一种常用的动力驱动设备，工控机对其具有良好的控制能力。该系统已实践运用，操作简单、方便，运行稳定可靠，自动化程度高，效果良好。

参考文献

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[2]张明．步进电机的基本原理．科教信息，2007（9）

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