手制動裝調系統中運動控制系統的設計

黃細旺

摘 要：為克服手制動拉索人工裝調一致性差所導致的安全隱患及燃油消耗量偏高的問題，開發了手制動拉索自動裝調系統。應用NI公司的Cseries Modules與Kollmorgen公司的伺服電機與驅動器，構造成一個硬件結構，采用“PC+運動控制卡”的模式，利用以太網串行通信方式實現PC與伺服電機設備之間的連接，位置控制模式實現對電機的實時控制，開發了基于LabVIEW的伺服電機運動控制系統。結合手制動裝調系統實驗驗證了該運動控制系統的可行性和合理性。

關鍵詞：裝調； LabVIEW；運動控制

中圖分類號：U260.358 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0078-05

Abstract： To overcome the potential safety hazard which is caused by the poor consistent regulating hand breaking cable， and avoid causing high fuel consumption， hand brake automatically install the system was developed..Application of NI company' C series Modules and kollemorgen' Servo motor and drive to Constructed as a hardware structure， Adopt the pattern of "PC + motion control card"， using Ethernet serial communication mode to realize the connection between the PC and the servo motor equipment， to realize the real-time control of the motor position control mode， the design of the servo motor movement control system is realized. Combining with the experiment of hand braking system verified the feasibility and rationality of the motion control system.

Key Words： adjusting system； LabVIEW； motion control

手制動系統（又稱駐車制動系統）是在汽車停駐時，用于穩定車輛，防止汽車滑行的制動裝置[1]。車輛制動系統的可靠性是評價汽車性能的主要指標，其使用性能直接影響著汽車駐車制動時的安全性。手制動裝置是汽車重要的裝配組件，裝配質量不高也是制動系阻滯力的主要來源，直接影響汽車的動力性與燃油經濟性。因此整車裝配過程中裝配質量的好壞十分重要。然而，現階段大多數汽車總裝線上手制動系統的裝配與調整采用的是人工操作方式，這種方式不僅操作繁瑣，降低生產效率，而且裝調的質量不穩定，受人為因素影響較大。因此，新型手制動裝調系統的開發，對汽車性能的保證起到舉足輕重的作用。

近年來，虛擬儀器以其獨特的優勢得到了非常廣泛的應用，LabVIEW作為虛擬儀器語言之一，主要用于數據采集及控制、數據分析和數據顯示，支持數據采集卡和運動控制卡等儀器，具有實時性[2]。伺服電機運動控制系統是手制動裝調系統的主要部分，本文應用LabVIEW軟件開發和設計運動控制系統。

1 手制動裝調系統概述

1.1 手制動裝調系統的組成

根據某車企提出的“手制動裝調系統開發技術要求”，以及考慮到該系統的使用環境，最終確定了由伺服電機調節手制動手柄，電動扳手調整螺母的方案。因此系統硬件構成主要有工控機、伺服驅動器（包括無刷伺服電機、電機驅動器、運動控制器）、電動扳手、電控機箱組件、各種相關夾具，手持終端設備及其他輔助設備，其各自性能見下表1：

1.2 手制動裝調系統的原理及流程

手制動裝調系統的示意圖如圖1所示，其工作原理是：利用LabVIEW程序對伺服電機的實時控制，操縱制動手柄，將制動手柄調到一定的位置后，安裝在手柄上電動扳手擰緊調整螺母，伺服驅動器再次調整手柄后，反饋某一特定位置時的手柄力矩，根據這一力矩判斷調整的拉索預緊力是否合格。

該系統的具體工作流程是：

（1）開啟手制動裝調測試系統，讀取汽車車型條碼，將由伺服電機驅動的制動手柄操縱裝置安裝到手制動手柄后臂上，電動扳手安裝在拉索調整螺母上，棘爪釋放套裝到手制動手柄頂部；

（2）按下啟動按鈕（Start）開始運行工作循環，設備歸零。制動手柄操縱裝置驅動手制動手柄拉到設定齒位，電動扳手按設定的擰緊力矩預擰緊調整螺母；

（3）制動手柄操縱裝置驅動手制動手柄拉到設定的最大角度，往復3次，然后將手制動手柄回到零位；

（4）制動手柄操縱裝置驅動手制動手柄拉到設定的拉索調整位置；電動扳手再次按設定的擰緊力矩自動擰緊調整螺母；

（5）再將手柄拉到某指定角度下通過伺服電機反饋此位置的力矩，經過程序完成指定角度下拉力值的檢測，并將最終信息儲存在工控機的數據庫中，最后電機完成復位，裝調工序結束。

2 電機運動控制系統的設計

運動控制是對物體位置和速度進行精確控制的技術[3]。文章著重研究在NI Compact RIO硬件環境上執行高精度運動控制的復雜運動。

2.1 運動控制系統的硬件選型

文章采用“PC+運動控制卡”模式對電機運動控制系統進行設計。采用這種模式的運動控制系統根據伺服驅動器這一被控制對象的控制要求，在LabVIEW軟件環境中設計符合要求的程序，進行精確控制。該系統硬件由PC上位機機，運動控制卡、伺服電機、電機驅動器以及執行機構等部分構成，PC機和運動控制卡通過PCI總線進行通信。其系統結構與原理示意如圖2所示：

2.1.1 控制部分

運動控制器是運動控制系統的主要部分。本系統的運動控制部件選用的是NI公司的NI C series Modules中cRIO-9068運動控制器。9068能夠較好的與后面所選用的伺服電機和驅動器配合。NI cRIO-9068配置雙核處理器、8個C系列I/O模塊的插槽，滿足系統中安裝多個開關和指示燈的需求。同時，該控制器配備的Artix-7 FPGA的667 MHz雙核ARM Cortex-A9處理器，已經廣泛應用于嵌入式檢測和控制。其嵌入式操作的256 MB DDR3內存能夠非易失性存儲大量數據信息，還有千兆以太網、USB設備、USB主機和串行端口，提供多種通訊的方式。

2.1.2 驅動部分

驅動部分包括電機和電機驅動器兩部分。本系統的電機采用的是無刷伺服電機，伺服電機的運行需要一個電子裝置驅動，即電機驅動器。在手制動裝調系統中選用的電機型號為Kollmorgen AKM43H，相配套的電機驅動器是AKD-P00606。AKM43H電機可輸出的轉矩為4.82Nm，

T=Tmoter×i

i=25為減速比，Tmoter為電機輸峰值轉矩可計算出輸出軸輸出轉矩為180 N·m，而目前說有乘用車手剎拉到最大位置的轉矩最大為90 N·m，上述電機滿足要求。

2.2 運動控制系統的軟件設計

在運動控制系統中使用LabVIEW開發平臺，能極大地簡化編程，縮短開發時間。

2.2.1 前面板

運動控制系統的前面板界面如圖3所示：

2.2.2 控制程序

控制制動手柄操縱裝置的方式有三種，分別是轉矩控制、位置控制和速度控制。本系統沒有應用速度控制方式，轉矩控制方式是通過外部設定模擬量或固定地址來對外輸出轉矩的大小，當實際轉矩大于這一值時，電機停止運轉；位置控制模式一般是通過設定輸入脈沖的頻率來控制轉動速度，設定脈沖個數控制轉角[4]。

手制動裝調過程中，要頻繁控制制動手柄操縱裝置往復運動，控制程序采用LabVIEW層疊式順序結構，部分程序見圖4：

為避免上一次裝調帶來的影響，在系統每一次運行時，電機首先復位然后再進行下一步操作，應用轉矩控制模式可以實現電機復位，程序圖如下圖6所示：

2.2.3 系統通信

在對系統進行程序設計時要建立各設備之間的良好通訊，并對各單元模塊進行配置，使用標準以太網（直線）跳接線，直接將AKD電機驅動器連接到運動控制器，再用以太網跳接線將運動控制器與PC端相連，使得各設備之間能夠很好地進行信息交換和數據傳遞。

2.2.4 系統的存儲

手制動裝調系統的數據庫程序是采用開源的數據庫訪問工具LabSQL編寫。將最終反饋的VIN，力矩等數據信息進行存儲的程序結構見下圖7：

3 實驗驗證

結合裝調系統，在實驗室中搭建電機運動控制系統，進行驗證性實驗，實物連接圖見下圖8：

試驗時，實驗人員首先通過上位機設置電機參數啟動伺服電機，實現伺服電機的平穩運行。伺服電機運行的過程中隨機的發送速度指令和正反轉指令，觀察電機的實時性及運行穩定性。同時將儲存在LabVIEW數據庫中的轉矩數據導出，采用波形圖表的形式直觀的展示，波形圖如圖9所示。根據數據庫中的而數據取出1000組數據計算出其標準差為：

將n=1000，X0=15N·m，代入上式計算出標準差為S=0.532。而該系統所允許的波動范圍是（-2，2），波動范圍內的標準差為S0=1.141，而0.532<1.414，該誤差在允許的范圍內?？梢苑治龀鲅b調的質量很穩定，間接的驗證了電機運動控制的可行性和合理性。

4 結論

（1）經試驗驗證，電機運動控制系統運用到裝調系統中，能克服人工調整手剎拉索后裝調結果一致性和重復性差的缺陷，具有較高的裝調質量和效率。間接的驗證了電機運動控制系統的穩定性和可行性。

（2）該運動控制系統可以通過電機反饋實時力矩，具有穩定性和可行性，能夠滿足現有系統的需求，但是也仍有局限，即只能反饋電機的靜態實時力矩。后續需要在電機輸出軸上安裝一個力矩傳感器，直接測量包括動態實時力矩在內各種狀態下的實時力矩。進一步提高該系統的精確性。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造[M].人民交通出版社，2006.

[2]李艷蘋.基于LabVIEW的運動控制系統的設計[J].中國科技信息，2009（22）：95-96.

[3]李晨.運動控制系統簡介[J].中國裝備網，2015：33-35+39.

[4]李生軍.能量回饋型異步電機加載測試系統的研究[D].大連交通大學，2013.

[5]高瑞，苗長云，王中偉.基于LabVIEW的多軸運動控制系統的設計與開發[J].天津工業大學學報，2008， 27（6）.