電動主缸在汽車比例閥綜合性能檢測臺的應用

2018-06-02 01:11:16楊佳樂馬朝永黃國興仲光宇

設備管理與維修 2018年4期

關鍵詞：檢測

楊佳樂，馬朝永，黃國興，仲光宇

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，先進制造技術北京市重點實驗室，北京 100124）

0 引言

隨著中國汽車行業的蓬勃發展，汽車零部件的性能檢測要求也越來越高，特別是關乎汽車駕乘安全的制動零部件的性能檢測。本課題中，為了更好的地還原實際制動工況，選用電動主缸作為比例閥檢測裝置的壓力輸入源。在傳統檢測臺中，液壓加載裝置通常會選用氣缸或者液壓缸作為執行裝置，但是由于選用氣缸或者液壓缸作為液壓加載裝置難以實現加載力大小、加載位移、加載速度的精確控制，所以檢測臺選用可控性更好、精度更高的伺服電機作為輸入力加載執行機構。在汽車比例閥液壓密封性、急加壓工作特性、緩加壓工作特性等檢測項目中，要求電動主缸以一定的工作方式運行，針對伺服電機的控制采用專用控制器控制，提高了控制靈活性和檢測精度。

1 電動主缸簡介

電動主缸由伺服電機、滾珠絲杠、制動主缸和3個限位開關構成（圖1），伺服電機工作通過聯軸器帶動滾珠絲杠旋轉，滾珠絲杠絲母和套筒法蘭連接，使得推桿前進，推動制動主缸活塞。直線軸承和導軌起到導向的作用，防止套筒發生周向運動。伺服電機工作，推桿推動制動主缸活塞使得整個液壓系統加壓，通過控制伺服電機的旋轉速度和旋轉圈數保證精確控制加載壓力大小和加壓速度，以此滿足急加壓和緩加壓試驗條件下比例閥制動力分配特性曲線的檢測。限位開關保證伺服電機的位置限制，避免出現復位過度、過分加載，發生安全事故。

2 檢測臺功能以及工作原理

比例閥是汽車制動系統中制動力分配調節裝置，它能使前后輪的制動力實際分配比更接近理想的分配特性曲線。根據汽車比例閥產品要求，針對檢測比例閥性能測試設計開發了檢測臺的6個功能：①液壓密封性；②耗液量檢測；③常溫緩/急加壓工作特性；④高/低溫緩加壓工作特性；⑤失效保護性能；⑥泄壓性能。

圖1 電動主缸

整體檢測系統可分為液壓檢測和氣動控制兩大部分（圖2）。液壓系統檢測介質為制動液，使用標準按照GB 12981—2012的規定使用。DT1，DT2通電，對應的氣控球閥通氣打開，伺服電機工作帶動滾珠絲杠旋轉，絲母帶動推桿推動制動主缸活塞產生制動壓力，壓力傳感器C1，C2監測被測比例閥輸入壓力，通過被測比例閥產生的輸出壓力由壓力傳感器C3，C4監測。DT3，DT4電磁閥通電相應的氣控球閥通氣打開，可調模擬負載1、可調模擬負載2接入，可以測得比例閥接入負載后制動力分配特性曲線。感載控制系統是由感載伺服電機，3個限位開關（XK4，XK5，XK6）、位移傳感器 C5 組成，執行單元通過滾珠絲杠拉動感載比例閥的感載彈簧伸長、收縮，模擬出比例閥空載、滿載的情況。從而保證檢測得到空載、滿載情況下感載比例閥的制動力分配特性曲線。當液壓系統壓力過高超過允許壓力時，安全閥AF1，AF2自動工作，對整個液壓系統起到保護作用。

（1）高壓密封特性檢測。電磁閥DT1，DT2先開始通電，相應的氣控球閥打開，電動主缸工作，比例閥輸入通道產生壓力。高壓密封特性檢測，當輸入壓力達到試件額定工作壓力Pe，電磁閥DT1，DT2關閉切斷壓力源，C3，C4開始檢測30 s內被測比例閥各腔出液口的壓力泄漏情況。

（2）耐壓性能檢測。當輸入壓力達到130%Pe，電磁閥DT1、DT2關閉，保持5 s，檢測被測比例閥各腔出液口的壓力泄露情況。

（3）泄壓性能。比例閥工作特性檢測完成后，電磁閥DT1、DT同時斷電，相應的氣控球閥關閉，電動主缸復位，電磁閥DT1，DT2通電，相應的氣控球閥打開，比例閥開始快速泄壓，泄壓0.5 s后被測比例閥各進液口壓力值應≤0.4 MPa。

3 加載系統硬件組成

加載系統硬件組成：工控機、伺服電機控制器（CP3000）、伺服電機驅動器、絕對值編碼器、伺服電機等。伺服電機選用埃斯頓公司的EMG-20DSB22，額定功率2 kW，電源電壓三相AC 380 V，配選的驅動器PRONET-20DMA。編碼器采用絕對式編碼器，絕對值編碼器有固定的零點，標識位置信息代碼唯一，抗干擾能力強，斷電后零點位置不會丟失，無累計誤差等優點。電機控制器采用步科公司CP3000進行控制，此款PLC具有16路開關量光電隔離輸入，8路開關量光電隔離輸出接口。CAN總線接口，可靠性高，抗干擾能力強，卡式導軌固定，安裝簡單等優點。

圖2 檢測臺試驗原理

電機控制器CP3000作為伺服電機控制的核心，通過輸入端采集接近開關的零點位置信息、極限位置信息，工控機通過上位機軟件對電機控制器進行讀寫操作，并向控制器發送位移、速度、加速度等命令。電機控制器與電機驅動器之間采用CANopen通信，通過進程數據對象（PDO）對小型的數據進行高速數據交換。1個PDO最大可傳輸8字節數據，通過存儲在對象字典中的PDO映射結構，可以對應用對象到PDO對象的分配進行調整，這可以保證設備對不同的應用需求進行調整。PDO的傳輸方式打破了現有的數據問答式傳輸理念，采用全新的數據交換模式，設備雙方在傳輸前先在各個設備定義好數據接收和發送區域，在數據交換時直接發送相關的數據到對方的數據接收區即可，減少了問答式的詢問時間，從而極大的提高了總線通信的效率，從而得到了極高的總線利用率。

電機驅動器通過控制器PDO映射的控制參數，發送脈沖的頻率決定電機轉速。伺服電機驅動器采用位置控制模式（脈沖列指令），脈沖輸入信號形態設定為90°相位差2相脈沖（正邏輯），90°相位差2相脈沖指令形態可設定輸入倍增（1倍、2倍、4倍）脈沖最大頻率400 kpps。控制PULS，SIGN不取反。絕對值編碼器是伺服電機的典型反饋元件，通過輸出的格雷碼進行反饋。伺服加載系統原理如圖3所示。

圖3 伺服加載系統硬件構成原理

4 Modbus通信協議簡介

Modbus協議是工業現場設備中廣泛使用的公開協議、支持傳統的PS-232，RS-485和以太網設備，許多工業設備都使用Modbus協議作為通信標準，這樣不同廠商生產的控制設備就可以連成工業網絡，進行集中控制。

根據伺服電機的選型，使用的通信協議為Modbus-RTU通信協議，Modbus詳細的定義了校驗碼、數據序列等，這些都是特定數據交換的必要內容。數據通信采用主從方式，允許一個主設備和一個從設備或者多個從設備之間通信。首先，主機的信號尋址到一臺唯一的終端設備（從機），終端設備發出的信號以相反的方向傳輸給主機。Modbus協議只允許主設備和終端設備之間通信，而不允許獨立的終端設備之間的數據交換，這樣各個終端設備不會在初始化時占據通信線路，而僅限于相應到達本機的查詢信號。在一個工業網絡上，所有的設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。所選的RTU方式僅適用于標準的Modbus網絡，它定義了在這些網絡上連續傳輸消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。其特點是檢錯能力強，花費CPU開銷小。表1是RTU傳輸模式的消息格式。CP3000電機控制器站號51，COM口采用RS232接口，波特率設定38400，校驗方式采用無校驗，停止位為1。

表1 信息幀格式

5 軟件設計

此檢測臺軟件采用Delphi語言編制，代碼效率高、執行速度快。Delphi編程環境包括：編譯器、匯編器、事實操作系開發環境。上位機軟件作為整個系統的大腦，其程序包括初始化模塊、主控程序模塊、手動調試模塊、通信模塊、故障報警模塊、數據管理模塊。軟件結構如圖4所示。

圖4 上位機軟件結構

汽車比例閥檢測臺軟件部分總體可分為兩部分，以菜單形式區分調用，分別是系統調試界面（圖5）和檢測界面（圖6）。系統調試界面中以指示燈的形式進行各種按鈕狀態、電磁閥通斷狀態、傳感器初值、電機限位的狀態顯示，可以通過點擊按鈕或者改變參數等方式改變伺服電機、電磁閥等工作狀態。檢測界面根據試驗項目要求設定加壓速度滿足急加壓、緩加壓試驗要求（0～40）MPa/s自動繪制出被測試件輸入“—— ”輸出特性曲線，并求出拐點值。