步進(jìn)電機(jī)速度曲線理論在車輛制動檢驗臺中應(yīng)用

摘要:本文通過對車輛制動檢驗臺工作原理的介紹，闡述步進(jìn)電機(jī)在車輛制動臺中作用，通過建立步進(jìn)電機(jī)速度曲線理論來改善車輛制動臺對車輛制動性能的檢測。

關(guān)鍵詞:制動檢驗臺 步進(jìn)電機(jī) 速度曲線理論

0 引言

隨著車輛檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，對車輛檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的要求也不斷提高，同時在車輛檢測過程中也要求減少對車輛各部件的損壞，以免造成輪胎剝胎，離合器燒掉等事故的發(fā)生，在此過程中如何做好對電機(jī)的控制就十分重要。

1 制動臺的制動力測量原理

1.1 電機(jī)經(jīng)扭力箱驅(qū)動滾筒組帶動汽車車輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)車輪制動時，輪胎與滾筒之間的反力使扭力箱擺動，通過扭力箱前端的測力杠桿及裝于其上的拉壓測力傳感器將該制動力的值通過電信號輸出，經(jīng)儀表微處理器處理之后，通過數(shù)碼管予以精確顯示。

1.2 主滾筒由電機(jī)驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速在電壓衡定時基本上是固定的。而第三滾筒則是由輪胎帶動旋轉(zhuǎn)的，并隨輪胎的轉(zhuǎn)速下降而減慢，其線速度始終與輪胎的線速度相等。在第三滾筒上兩端支架旁均布6個長孔，孔下方裝有一個電感式的測速傳感器，測頭與長孔間保持0.5-1.5mm的間隙。第三滾筒每旋轉(zhuǎn)一周，傳感器輸出6個脈沖信號。儀表將此信號隨時采樣處理并與滾筒的線速度加以比較。達(dá)到預(yù)定的設(shè)定值，即發(fā)出停機(jī)信號，使兩個電機(jī)同時停機(jī)，從而在保證測得最大制動力的同時，保護(hù)汽車輪胎不致被滾筒剝傷。

2 步進(jìn)電機(jī)的計算機(jī)控制

普通的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動裝置是由邏輯電路與放大電路組成的，設(shè)計復(fù)雜，而且一旦電路確定，要想改變控制方案十分困難。計算機(jī)技術(shù)給步進(jìn)電動機(jī)的控制開辟了新的途徑。由于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器本身屬于數(shù)字器件，因而最適合于數(shù)字控制。

采用微處理器可以用軟件程序來完成步進(jìn)電動機(jī)的各種控制方案，如升降速、點動、正反轉(zhuǎn)等功能。在硬件設(shè)計上有接口直接控制與接口間接控制之分。接口直接控制是指微處理器輸出口直接與驅(qū)動器連接。此時微處理器的輸出口同時充當(dāng)環(huán)行分配器的角色，電動機(jī)的各種通電方式、功能轉(zhuǎn)換、脈沖發(fā)生與計數(shù)均可以用軟件來實現(xiàn)。

接口間接控制就是采用專門脈沖分配器電路，如PMM8713專用集成塊取代微處理器接口中電動機(jī)通電控制部分，微處理器負(fù)擔(dān)相對減輕，可以進(jìn)行控制電動機(jī)以外的工作。

在軟件設(shè)計方面，用來控制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的程序非常簡單。以直接接口控制為例，微處理器首先確定電動機(jī)往哪個方向、以多大速度運(yùn)行多少步，把數(shù)據(jù)置于各處輸入口;微處理器根據(jù)指令讀輸入口數(shù)據(jù)，然后輸出改變通電狀態(tài)的命令;此時運(yùn)行的步數(shù)要減掉1，等待一定的時間 T;在命令下一步改變通電狀態(tài)直至運(yùn)行結(jié)束。其中等待時間 T 通常稱為延遲時間，通電狀態(tài)作為數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器中[1]。

對于間接接口電路，微處理器的程序更為簡單，它只需向外部以給定頻率輸出一定寬度的脈沖即可，改變延遲時間T就會使電動機(jī)運(yùn)行頻率發(fā)生變化，這樣就可以實現(xiàn)電動機(jī)的變速控制了[2]。

3 建立步進(jìn)電機(jī)的速度曲線

3.1 速度曲線的理論 開環(huán)控制具有簡單因而成本低的優(yōu)點。相控制脈沖可以由微處理機(jī)產(chǎn)生。設(shè)計者需要知道它在定時上有些什么限制。例如，特定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最高步進(jìn)頻率、電機(jī)加速負(fù)載慣量的時間等。開環(huán)控制中，負(fù)載位置對控制電路沒有反饋，因此，步進(jìn)電機(jī)必須正確地響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁變化太快，電機(jī)不能夠移動到新的要求的位置，那么，實際的負(fù)載位置相對控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。最簡單的開環(huán)控制方式時步進(jìn)頻率恒定的那種控制方式。電機(jī)在達(dá)到目標(biāo)位置之前都以這個頻率轉(zhuǎn)動。相控制信號由“啟動”信號接通這個鐘，使電機(jī)以等于鐘頻的步進(jìn)頻率運(yùn)行;“停止”信號關(guān)斷這個鐘，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。目標(biāo)位置送入減法計數(shù)器，并以這個計數(shù)器記錄執(zhí)行的步數(shù)。鐘脈沖同時送給時序發(fā)生器和減法計數(shù)器。于是，相激勵以恒定的鐘頻變化，減法計數(shù)器記錄電機(jī)相對目標(biāo)的瞬時位置。負(fù)載達(dá)到目標(biāo)時，減去計數(shù)器的內(nèi)容減為零。時鐘的“停止”信號就利用這個“零”產(chǎn)生。如果恒定鐘頻調(diào)得太高，電機(jī)不能把負(fù)載慣量加速到對應(yīng)的步進(jìn)頻率;系統(tǒng)或者完全不能工作，或者在行程的開始階段失步。從靜止開始，電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率叫做“啟動頻率”。與此類似，“停止頻率”是系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，而電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。實際工作中，啟動頻率常常通過試驗求得。

因為步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的啟動頻率比它的最高運(yùn)行頻率低得多，因此，為了減少定位時間，常常通過加速使電機(jī)在接近最高的速度運(yùn)行。隨著目標(biāo)位置的逼近，為使電機(jī)平穩(wěn)地停下來，重新使步進(jìn)頻率逐漸降低到停止頻率。電機(jī)從初始位置往目標(biāo)位置運(yùn)動的整個過程中，步進(jìn)頻率都在變。若以曲線表示即得“速度曲線”。完善的開環(huán)控制方式能使系統(tǒng)非常逼近它的最高運(yùn)行頻率運(yùn)行。

3.2 公式推導(dǎo) 與速度曲線有關(guān)的六個量，它們是:停機(jī)時間time (s)，最高速度velocity (Hz)，升(降)速斜率alpha (Hz/s)，步距角delta (度)，停止頻率shutdown (Hz)，直徑D(mm)。

步進(jìn)電機(jī)每走一步將轉(zhuǎn)過一個步距角delta，于是

每一步對應(yīng)距離=

D的含義從上式中不難看出。

于是，總步數(shù)

容易想到，要確定速度曲線，只要確定三個轉(zhuǎn)折點的坐標(biāo)即可。若速度曲線是兩折線，則意味著其中兩點重合。計算這些坐標(biāo)只是為了顯示曲線于界面上。實際傳送給下位機(jī)的是三個步數(shù)。設(shè)三個轉(zhuǎn)折點的坐標(biāo)是(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)。假設(shè)速度曲線是一條三折線。則Y1=Y2=velocity，Y3=shutdown。

因為曲線下的面積就是對應(yīng)的步數(shù)，因此有下面三式成立:

步數(shù)1=

步數(shù)2=

步數(shù)3=

而步數(shù)1+步數(shù)2+步數(shù)3=totalSteps

于是得到一個方程組:

解得

這樣就確定速度曲線了。將坐標(biāo)代入步數(shù)公式就得到了3個步數(shù)。

若速度曲線是兩折線，則將有X2

4 結(jié)論

通過速度曲線理論能清楚地看到，步進(jìn)電機(jī)什么時候能達(dá)到最大啟動頻率;什么時候停機(jī)，能取到最大制動力，同時不發(fā)生剝胎現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn):

[1]曾家智，向世清.微型計算機(jī)系統(tǒng)與接口:電子科技大學(xué)出版社.2001.

[2]李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ).北京航空航天出版社.2003.