??? 摘 要： 著重研究用于汽車天窗馬達(dá)" title="天窗馬達(dá)">天窗馬達(dá)裝配和檢測的集成系統(tǒng)，從系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能著手，根據(jù)功能分析了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和硬件的選取。重點(diǎn)介紹了核心部分模擬負(fù)載部分的實(shí)現(xiàn)原理，簡要介紹了系統(tǒng)軟件的構(gòu)成，數(shù)據(jù)的分析處理。
??? 關(guān)鍵詞： LabVIEW;? 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集;? PID控制;? 拉壓力傳感器
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??? 汽車天窗馬達(dá)作為車頂天窗的運(yùn)動(dòng)控制的核心部件，其生產(chǎn)和質(zhì)量的檢測是保證天窗是否完好的最重要步驟。目前，國內(nèi)使用的設(shè)備絕大部分都是國外進(jìn)口的，不僅價(jià)格非常昂貴，而且不能擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此，自主開發(fā)將具有深遠(yuǎn)的意義。Webasto車頂供暖系統(tǒng)有限公司是全球著名的專業(yè)車頂供暖系統(tǒng)設(shè)備商之一，本系統(tǒng)設(shè)備是為Webasto上海有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的。與常用的檢測扭矩的設(shè)備裝置不同，該系統(tǒng)采用拉壓力傳感器" title="拉壓力傳感器">拉壓力傳感器來檢測控制扭矩的大小，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊精巧。同時(shí)操作簡單，測試過程自動(dòng)完成。
1 系統(tǒng)簡介
本系統(tǒng)集裝配、通信、模擬和檢測于一體。系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制、負(fù)載模擬和數(shù)據(jù)采集三部分組成。其中負(fù)載模擬是為了模擬天窗馬達(dá)的實(shí)際工作情況：當(dāng)馬達(dá)帶動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生一定的扭矩（通過拉壓力傳感器的反饋而得到扭矩）來模擬馬達(dá)負(fù)載，并實(shí)時(shí)監(jiān)測速度、轉(zhuǎn)距、扭矩、電流等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。這需要實(shí)現(xiàn)多輸入輸出信號(hào)的集成控制和采集，涉及到多功能數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理卡、磁粉制動(dòng)器、拉壓力傳感器、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)距傳感器以及電流電壓傳感器等硬件。鑒于虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)處理和信號(hào)操作中的優(yōu)勢以及直觀仿真的用戶界面的特點(diǎn)，以LabVIEW作為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)的測試控制系統(tǒng)高度集成，穩(wěn)定可靠，具有友好、直觀的用戶界面。測試時(shí)操作簡單，自動(dòng)化程度高，并且對(duì)馬達(dá)的質(zhì)量判定指標(biāo)能同步生成數(shù)據(jù)庫記錄和實(shí)時(shí)圖形顯示，便于隨時(shí)查詢采集結(jié)果。
2 系統(tǒng)功能
待測天窗馬達(dá)放到支撐夾具上，夾具上有三個(gè)圓柱定位銷，與馬達(dá)三個(gè)定位孔一致，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)齒輪與支撐夾具齒輪座相吻合，確保馬達(dá)在支撐夾具上放置平穩(wěn)；ECU(電子控制單元)放到裝配馬達(dá)上面，手按自動(dòng)測試開始按鈕，放置馬達(dá)與ECU的夾具進(jìn)入測試裝置內(nèi)，到達(dá)正確位置后，三個(gè)下壓氣缸自動(dòng)下壓，使ECU夾緊卡片進(jìn)入馬達(dá)鎖緊卡扣內(nèi)，通過傳感器檢測三個(gè)卡片到位，并且能檢測是否斷裂、損壞；對(duì)馬達(dá)進(jìn)行自動(dòng)檢測，完成自動(dòng)檢測后，支撐夾具退出回到原位。
所有測試動(dòng)作都可以進(jìn)行分步、單獨(dú)操作，通過選擇手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕完成。自動(dòng)檢測步驟如下：
①進(jìn)行短路檢測（檢查馬達(dá)與ECU內(nèi)部金屬連接處是否有短路）;
?、谧x取ID數(shù)據(jù)并判斷所檢測ECU軟件、硬件版本是否與所用參數(shù)文件一致;
?、蹨y試馬達(dá)接地是否完好;
?、軓膮?shù)文件中自動(dòng)讀取參數(shù)并寫入ECU；
?、轀y試所寫參數(shù)是否與參數(shù)文件中參數(shù)一致;
⑥帶動(dòng)馬達(dá)向前后各旋轉(zhuǎn)4圈（在旋轉(zhuǎn)過程中測試平均運(yùn)行電流、齒輪圓周位移、齒輪轉(zhuǎn)速是否在規(guī)定公差范圍內(nèi)），判斷檢測是否合格。
在自動(dòng)測試過程中發(fā)生以下現(xiàn)象為檢測不合格：
①短路檢測不合格；
?、贓CU硬件或軟件版本與參數(shù)文件不一致；
?、蹨y試馬達(dá)接地不合格；
④所寫入?yún)?shù)文件與提供參數(shù)文件不一致；
?、菪D(zhuǎn)測試中馬達(dá)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行平均電流（去除開啟瞬間電流）、平均轉(zhuǎn)速或齒輪位移超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。
產(chǎn)品檢測合格，在顯示屏上自動(dòng)顯示綠色合格圖標(biāo)，并自動(dòng)打印合格標(biāo)簽，標(biāo)簽上包括所裝配ECU信息（軟件版本、硬件版本、ID數(shù)據(jù)、產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)日期、產(chǎn)品序列號(hào)等）。產(chǎn)品檢測不合格，在顯示屏上自動(dòng)顯示紅色不合格圖標(biāo)，并有不合格原因描述，自動(dòng)打印不合格標(biāo)簽，標(biāo)簽上有不合格原因描述。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件選擇
此測試系統(tǒng)用于檢測天窗馬達(dá)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，待測馬達(dá)為直流電源供電，測試要求輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓－16V～+16V(精度±0.1V)，輸出電流0～30A(精度±0.01A)，扭矩在0～10Nm(精度±0.1Nm)，轉(zhuǎn)動(dòng)位移為4轉(zhuǎn)(精度±0.1mm)，轉(zhuǎn)速在300r/min以內(nèi)。根據(jù)上述測試要求，選用了SM1540可編程電源作為馬達(dá)供電電源，ZX-1.2YN-24#磁粉制動(dòng)器作為模擬負(fù)載，PCI－9112采集卡、H58編碼器、XFTC－101－M5M等傳感器以及信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊。系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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PCI－1762工業(yè)數(shù)字I/O板卡模擬0/12V 開關(guān)信號(hào)，有8路輸出。馬達(dá)接口共有10針腳，2個(gè)用于電源供電，1個(gè)是Webasto通信專用接口，1個(gè)授權(quán)接口，其余各針腳雖然不同型號(hào)的電機(jī)馬達(dá)定義各不相同，但是都是開關(guān)量信號(hào)，用于控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。故馬達(dá)轉(zhuǎn)過的距離由驅(qū)動(dòng)電源和PCI－1762共同來控制。磁粉制動(dòng)器的輸出扭矩在本系統(tǒng)中與激勵(lì)電流有很好的線性關(guān)系，通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道傳遞電壓給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把電壓控制轉(zhuǎn)化并且放大為電流，用來控制磁粉制動(dòng)器的輸出。檢測系統(tǒng)信號(hào)如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距、電流等由相應(yīng)的傳感器經(jīng)過隔離變送后輸入到A/D。
3.2 負(fù)載模擬
負(fù)載模擬部分是測試系統(tǒng)的核心部分。圖2所示是負(fù)載模擬機(jī)構(gòu)圖。
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該系統(tǒng)通過磁粉制動(dòng)器模擬天窗負(fù)載，磁粉制動(dòng)器的控制實(shí)現(xiàn)如下。
從相關(guān)文獻(xiàn)中，可以得到磁粉制動(dòng)器的典型的傳遞函數(shù)為[1]：
式中：KM為扭矩與電流的增益；TN為扭矩過渡時(shí)間常數(shù)；τ為磁粉制動(dòng)器滯后時(shí)間。
連續(xù)函數(shù)信號(hào)經(jīng)過采樣開關(guān)后，其斷續(xù)信號(hào)頻譜中除了主頻譜分量外，會(huì)有附加頻譜分量，它們?cè)谙到y(tǒng)中將起相當(dāng)于高頻干擾信號(hào)的作用。為了去除這些高頻分量對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，需要應(yīng)用低通濾波器。通常應(yīng)用中起低通濾波作用的是各階保持電路或保持器" title="保持器">保持器。零階保持器是最常用的一種保持器，它把采樣時(shí)刻的采樣值恒定不變地保持（或外推）到下一采樣時(shí)刻。也就是說，在t∈[nT,(n+1)T]區(qū)間內(nèi)，零階保持器的輸出值一直保持為X(nT)。如圖3所示，零階保持器的輸出Xh(t)為階梯信號(hào)。
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根據(jù)Xh(kT)=x(kT)，（k=0,1,2,…）,Xh(t)與連續(xù)輸入信號(hào)x(t)之間的關(guān)系式
?? Xh(t)的拉式變換為:
比較式(3)與式(2)，可得零階保持器的傳遞函數(shù)為:
信號(hào)通過零階保持器有滯后相移，而且頻率成正比提高。所以保持器的引入，不利于閉環(huán)采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。負(fù)載模擬控制系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)模型如圖4所示。
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對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，輸入量為電流I(s),輸出量為力矩N(s)。假設(shè)I(s)為幅值是30的階躍函數(shù)，在Matlab中可用命令ones等效任意寬度的單位階躍激勵(lì)。靜態(tài)誤差e(s)＝I(s)－N(s)，作為PID控制器的輸入。
在Kp＝1，Ki=Kd=0，無PID控制的情況下，取采樣周期T＝0.1s，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖5所示。引入PID控制后，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖6。
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由以上的仿真可見，引入PID控制，可以很好地改善制動(dòng)器的曲線特性。
力傳感器兩端分別用螺紋與工作臺(tái)和連接件固定。傳感器兩端只受到水平力的作用。根據(jù)靜力平衡條件求出力的大小，選擇力傳感器的型號(hào)。
傳感器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)原理如圖7所示。
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傳感元件由貼在圓筒內(nèi)壁上的電橋電路構(gòu)成。彈性體受力變形，導(dǎo)致電橋電路的半導(dǎo)體壓敏電阻R1、R2、R3、R4發(fā)生變化。
? 在圖7中，電橋電阻R1、R3 具有正增量，電阻R2、R4 具有負(fù)增量，當(dāng)各個(gè)橋臂電阻相同且值為R時(shí)，公式簡化為：
??? 
??? 從上式得知，電橋輸出電壓VO與輸入電壓Vin成正比關(guān)系，Vin是恒定電壓。當(dāng)電橋受壓力時(shí)，電橋電阻發(fā)生變化電橋失去平衡，即輸出電壓分別與電流和壓敏電阻相關(guān)；當(dāng)給定恒定電流Ip時(shí)，輸出電壓VO僅僅隨壓敏電阻變化而改變。得到線性化的輸入輸出關(guān)系。
??? 由于傳感器輸出的電壓信號(hào)較低，其輸出阻抗很高,所以需要放大電路。
3．3 數(shù)據(jù)采集[2]和處理
軟件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先需要連接ACCESS數(shù)據(jù)庫[3]，進(jìn)行初始化操作，數(shù)據(jù)庫操作成功后，會(huì)顯示如圖8的操作界面。操作者只要選擇所需測試的型號(hào)就可以進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理軟件主界面。
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??? 對(duì)ECU通信進(jìn)行軟硬件版本驗(yàn)證、讀取序列號(hào)、參數(shù)寫入與讀出等實(shí)現(xiàn)過程，詳見參考文獻(xiàn)[4]。圖9為進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的VI子框圖程序的部分截圖。
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3．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 測試結(jié)果保存在ACCESS結(jié)果表中，其中包括測試日期、時(shí)間、馬達(dá)序列號(hào)、馬達(dá)型號(hào)、所有測試參數(shù)或測試不合格描述。對(duì)所有異常測試情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并以ACCESS方式保存在指定路徑下，其中包括測試日期、時(shí)間、馬達(dá)序列號(hào)、馬達(dá)型號(hào)、測試不合格描述、異常情況記錄。圖10為保存在數(shù)據(jù)庫中的文本數(shù)據(jù)，圖11為圖形化實(shí)時(shí)生成數(shù)據(jù)圖[5]。
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整個(gè)檢測系統(tǒng)開發(fā)涉及到多個(gè)物理量的控制和數(shù)據(jù)記錄、處理及存儲(chǔ)，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，采用圖形化的編程開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建出了本測試系統(tǒng)。由于舍棄了傳統(tǒng)的控制扭矩的方法，采用了力傳感器來反饋模擬負(fù)載，使得本設(shè)備的體積小，重量輕。
系統(tǒng)的開發(fā)不僅可以加快汽車天窗馬達(dá)檢測系統(tǒng)國產(chǎn)化的速度，自主掌握核心技術(shù)，降低了成本，而且對(duì)于國內(nèi)汽車電子行業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。
參考文獻(xiàn)
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