汽車大燈調(diào)節(jié)器加載測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

管士聰，任天平

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

汽車大燈調(diào)節(jié)器也稱為大燈馬達(dá)。在夜晚行車時(shí)，路況變化、裝載量的變化、制動(dòng)和加速度控制等情況都會(huì)引起車身傾斜角度發(fā)生變化，進(jìn)而使近光燈的光束傾斜角發(fā)生變化[1]。大燈調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)前大燈傾斜角度，達(dá)到調(diào)節(jié)燈光照射方向的目的，如圖1 所示。大燈調(diào)節(jié)器的綜合性能測試，需要對調(diào)節(jié)器施加規(guī)定的負(fù)載阻力模擬其實(shí)際工作狀況。按照加載方式的不同，主要有機(jī)械式加載，電液式加載和電動(dòng)式加載。機(jī)械式加載主要通過砝碼或者其他質(zhì)量塊加載，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，穩(wěn)定性好，加載力相對準(zhǔn)確。但加載、卸載、換向時(shí)對馬達(dá)有沖擊，而且容易造成傳動(dòng)鋼纜拉斷。負(fù)載變化需人工調(diào)整，不利于自動(dòng)化操作，工作效率低。電液式加載輸出負(fù)載力矩大，不適合小力矩加載。而且噪音污染，液壓泄露等因素不適合無塵檢測車間的檢測要求。電動(dòng)式加載具有響應(yīng)速度快，控制方便，適用較小加載力或力矩，小信號(hào)跟蹤力強(qiáng)、加載分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。因此選擇交流伺服電機(jī)加載的電動(dòng)式加載方案。

圖1 大燈調(diào)節(jié)器Fig.1 Headlight Adjuster

2 加載臺(tái)主要組成及其工作原理

汽車大燈調(diào)節(jié)器加載測試系統(tǒng)，包括六個(gè)完全相同的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)六工位同時(shí)進(jìn)行加載測試。加載臺(tái)一個(gè)工位的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。主要由夾爪、齒輪齒條、交流伺服電機(jī)、磁柵尺傳感器、拉壓力傳感器等組成。

圖2 檢測臺(tái)加載機(jī)構(gòu)Fig.2 Loading Mechanism of Testing Platform

加載測試系統(tǒng)工作原理，如圖3 所示。加載和反饋調(diào)節(jié)流程如下：

（1）上位機(jī)設(shè)置負(fù)載大小方向，夾爪位置等信息發(fā)給下位機(jī)控制器，下位機(jī)控制器經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換，信號(hào)調(diào)理電路輸出模擬量信號(hào)，控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；

（2）伺服電機(jī)通過齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將加載扭矩轉(zhuǎn)化為直線方向的加載力，推動(dòng)夾爪傳遞給被測工件；

（3）拉壓力傳感器測得實(shí)際加載力信號(hào)，位移傳感器測得實(shí)際位移信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路以及A/D 轉(zhuǎn)換反饋給下位機(jī)控制器，形成閉環(huán)控制；

（4）下位機(jī)控制器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋信號(hào)比較得出調(diào)節(jié)誤差，經(jīng)模糊PID 運(yùn)算將新的模擬量控制信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，反復(fù)運(yùn)行以上步驟[2]。

圖3 加載系統(tǒng)原理圖Fig.3 Loading System Schematic

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

加載測試系統(tǒng)以STM32F103 微處理器為控制核心，主要包括壓力測量部分、位移測量部分、RS232 和RS485 通訊部分、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置以及驅(qū)動(dòng)電路部分。

3.1 壓力測量

系統(tǒng)選用中皖金諾JLBM-20 外螺桿拉壓力測力傳感器測量實(shí)際負(fù)載。該傳感器是一款靈敏度較高的全橋應(yīng)變片傳感器，測量范圍為（0～20）kg，輸出靈敏度1.5mV/V，綜合精度±0.2%F.S，供電電壓5-15VDC。

信號(hào)調(diào)理電路，如圖4 所示。傳感器輸出的差分信號(hào)經(jīng)過RC 低通濾波輸入到儀表放大器AD620，放大后經(jīng)過RC 低通濾波進(jìn)入單片機(jī)AD 輸入端。增益電阻選用高精度（1‰）低溫漂（25PPM）的電阻避免環(huán)境因素造成誤差。增益電阻和放大倍數(shù)關(guān)系如下：

式中：RM—增益電阻阻值；G—放大倍數(shù)。

圖4 AD620 放大電路Fig.4 Amplifying Circuit of AD620

3.2 位移測量

基于工作條件、精度要求、測量位移范圍等因素綜合考慮，選用SPM 系列MR200 型磁柵尺作為位移檢測裝置。該傳感器工作電壓為5V，測量精度為0.001mm。

傳感器輸出A、B相位差為90°的正交信號(hào)，方波每移動(dòng)一個(gè)周期，對應(yīng)磁柵尺讀頭和磁尺之間移動(dòng)一個(gè)波長的位移[3]。正交信號(hào)有四種狀態(tài)（01、00、10、11），如圖5 所示。由A、B正交信號(hào)超前滯后關(guān)系即可得出磁頭移動(dòng)方向。

圖5 磁柵尺讀頭正交信號(hào)Fig.5 Quadrature Signal of Magnetic Grating Ruler Reading Head

STM32F103 微處理器每個(gè)定時(shí)器都有正交編碼輸入接口。通過對TI1 和TI2 邊沿檢測以及相應(yīng)寄存器配置，即可實(shí)現(xiàn)對編碼器進(jìn)行正向/反向計(jì)數(shù)，如圖6 所示。

圖6 STM32 正交計(jì)數(shù)Fig.6 Orthogonal Counting of STM32

3.3 RS232 和RS485 通訊電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制器和上位機(jī)通訊方式為RS232 通訊，電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX232。通訊協(xié)議采用MODBUS 協(xié)議的RTU 模式[4]。通訊電路，如圖7 所示。RS232 發(fā)送和接收電路中，采用5V 供電的6N137 來實(shí)現(xiàn)RS232 電平向TTL 電平的轉(zhuǎn)換和隔離。收發(fā)信號(hào)端添加雙向瞬態(tài)抑制元件增強(qiáng)對浪涌吸收能力，以保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電產(chǎn)生的瞬間高壓[5]。

下位機(jī)控制器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通訊方式為RS485 通訊。RS485 轉(zhuǎn)換電路，如圖8 所示。通訊協(xié)議采用的也是MODBUS 協(xié)議的RTU 模式。RS485 通訊為半雙工模式，通過控制485_D/R 腳控制75LBC184 收發(fā)器的收發(fā)轉(zhuǎn)換[6]。

圖7 RS232 通訊電路Fig.7 Communication Circuit of RS232

圖8 RS485 通訊電路Fig.8 Communication Circuit of RS485

3.4 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

加載裝置選用臺(tái)達(dá)交流伺服系統(tǒng)套裝，含伺服驅(qū)動(dòng)器ASDB2-0721-B 和電機(jī)ECMA-C20807RS。電機(jī)額定功率750W；額定轉(zhuǎn)速3000r，最高5000r；額定扭矩2.39NM，最大7.16NM。驅(qū)動(dòng)器可提供位置（PT）、速度（S）、扭矩（T）三種基本控制模式，可使用單一模式控制，也可選擇混合模式控制。

伺服電機(jī)加載結(jié)束后和加載開始之前，需要對夾爪位置精確定位，以便夾取調(diào)節(jié)器螺桿的合適位置。以夾爪向前移動(dòng)接觸工件支架位置為位置零點(diǎn)，距離零點(diǎn)位移大小即夾爪位置。本設(shè)計(jì)選用扭矩/位置（T/PT）混合控制模式，在電機(jī)加載過程中用扭矩模式保證加載精度，在加載完成后和加載前用位置模式保證夾爪的精確定位。通過設(shè)置驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)P1-01：7，選擇控制模式為扭矩/位置混合控制，P2-16：120 選擇驅(qū)動(dòng)器CN1 引腳31 的高低來控制扭矩/位置模式的轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)電路，如圖9 所示。OD0接單片機(jī)輸出引腳，DOUT0 接驅(qū)動(dòng)器CN1 引腳31，單片機(jī)沒有輸出時(shí)，默認(rèn)為扭矩模式，單片機(jī)輸出低電平時(shí)該引腳接通，為位置模式。

圖9 模式選擇驅(qū)動(dòng)電路Fig.9 Drive Circuit of Mode Selection

3.4.1 扭矩模式控制

混合模式下，單片機(jī)控制引腳OD0 沒有輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)器默認(rèn)處于扭矩模式。扭矩控制分為兩種，一是外部輸入的模擬電壓控制，二是通訊控制。這里選擇外部模擬電壓控制，命令來源參數(shù)設(shè)置為：P2-12：00，P2-13：00。該命令下通過驅(qū)動(dòng)器T-REF，GND引腳之間的模擬電壓差控制轉(zhuǎn)矩大小和方向，輸入的電壓范圍是（-10～+10）V，對應(yīng)的扭矩大小可以由參數(shù)P1-41 設(shè)置。當(dāng)P1-41：100，（-10～+10）V 對應(yīng)的扭矩大小為（-100～100）%額定扭矩。

扭矩模式下驅(qū)動(dòng)電路，如圖10 所示。控制器接收上位機(jī)設(shè)置的負(fù)載大小、方向信息，輸出相應(yīng)的碼值，碼值和設(shè)置負(fù)載的關(guān)系可由式（2）、式（3）得出。通過D/A 轉(zhuǎn)換，AD620 儀表放大器放大，輸出（0～10）V 可調(diào)電壓。使用兩位繼電器實(shí)現(xiàn)輸入模擬量電壓正反向切換，即實(shí)現(xiàn)扭矩正反向控制。

電機(jī)額定扭矩以及對應(yīng)輸出負(fù)載之間關(guān)系，如式（2）所示。

式中：F額—額定負(fù)載；T額—額定扭矩；R—齒輪半徑。

其中T額=2.39NM，R=2cm，得F額=119.5N，滿足最大加載力100N 要求。

STM32F103 具有12 位A/D 通道，滿量程碼值為4096。輸入負(fù)載對應(yīng)的模擬量電壓以及碼值之間關(guān)系，如式（3）所示。

式中：F—輸入負(fù)載；V—模擬量電壓；Ma—單片機(jī)碼值。

圖10 扭矩模式驅(qū)動(dòng)電路Fig.10 Drive Circuit of Torque Mode

3.4.2 位置模式控制

混合模式下，單片機(jī)控制引腳OD0 輸出低電平，驅(qū)動(dòng)器處于位置模式。位置模式通過單片機(jī)輸出的PWM 脈沖控制伺服電機(jī)的位置以及速度，其中PWM 脈沖頻率控制電機(jī)速度，PWM 脈沖個(gè)數(shù)與電機(jī)齒輪比結(jié)合控制電機(jī)的位置。電機(jī)齒輪比包括電機(jī)齒輪比分子N1 和電機(jī)齒輪比分母M1，具體參數(shù)設(shè)置分別為P1-44：40，P1-45：10。控制脈沖形式有AB相脈沖，正脈沖及逆脈沖，脈沖+方向。這里選擇脈沖+方向控制，參數(shù)設(shè)置為P1-00：02。

驅(qū)動(dòng)電路，如圖11 所示。單片機(jī)輸出PWM 脈沖通過PC357光耦隔離，NPN 型三極管，進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入端CN1 引腳41；單片機(jī)輸出開關(guān)量信號(hào)OD1，控制伺服驅(qū)動(dòng)器方向控制端CN1 引腳37，從而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向。

圖11 位置模式驅(qū)動(dòng)電路Fig.11 Drive Circuit of Position Mode

伺服電機(jī)編碼器分辨率，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈脈沖數(shù)，電機(jī)齒輪比三者關(guān)系，如式（4）所示。

式中：N—編碼器分辨率；M—單圈脈沖數(shù)；N1—電機(jī)齒輪比分子；M1—電機(jī)齒輪比分母。

電機(jī)移動(dòng)位移S和所對應(yīng)的脈沖數(shù)m關(guān)系，如式（5）所示。

由此關(guān)系可以通過單片機(jī)輸出的脈沖數(shù)精確控制電機(jī)位移，通過引腳OD1 的輸出控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

4 系統(tǒng)的控制算法

調(diào)節(jié)器的加載實(shí)質(zhì)是被動(dòng)加載過程，承載對象調(diào)節(jié)器由外部控制電壓驅(qū)動(dòng)主動(dòng)做伸縮運(yùn)動(dòng)，加載對象電機(jī)被動(dòng)跟隨調(diào)節(jié)器同步運(yùn)動(dòng)同時(shí)完成力加載。被動(dòng)加載普遍存在位置干擾和多余力影響、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及跟蹤精度較差等關(guān)鍵問題[7]。本系統(tǒng)要求較高位置、加載精度，常規(guī)的PID 控制無法滿足。模糊PID 控制結(jié)合了常規(guī)PID 和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有常規(guī)PID 控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，可以實(shí)現(xiàn)對干擾的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)[8]。

圖12 模糊PID 控制系統(tǒng)框圖Fig.12 The Block Diagram of Fuzzy PID Control System

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd 控制規(guī)則表Tab.1 The Control Rule Table of ΔKp、ΔKi、ΔKd

模糊PID 控制系統(tǒng)由變量模糊化、建立模糊規(guī)則庫、模糊推理、解模糊組成[9]。模糊控制的輸入為實(shí)際負(fù)載、位移和理論負(fù)載、位移之間的偏差E與偏差變化率EC，輸出是PID 控制參數(shù)的調(diào)整量ΔKp、ΔKi和ΔKd，輸入輸出的模糊集都為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，論域?yàn)椋?3，3］，隸屬度函數(shù)選擇三角函數(shù)分布。偏差E大時(shí)，以減少偏差為主；偏差E小時(shí)，除了消除誤差，還要減少超調(diào)和避免震蕩的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)E適中時(shí)，根據(jù)偏差變化率EC的變化情況具體考慮[10]。根據(jù)上述原則和現(xiàn)場的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)得到的控制規(guī)則，如表1 所示。逆模糊化選用加權(quán)平均方式。其計(jì)算公式，如式（7）所示。

式中；xi—輸出論域中的元素；μu（xi）—xi的加權(quán)系數(shù)；u′—模糊判決值。經(jīng)模糊控制后，實(shí)際應(yīng)用到負(fù)載和位移調(diào)節(jié)的控制參數(shù)可由下式計(jì)算，式中PID 控制參數(shù)KP0，KI0，KD0可由現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)試湊法獲得。

控制器輸出模擬電壓和PWM 脈沖，經(jīng)模糊控制得到PID 控制參數(shù)后，采用增量式PID 算法進(jìn)行調(diào)節(jié)電機(jī)負(fù)載、位移。

5 加載實(shí)驗(yàn)

加載臺(tái)可對六個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行加載測試，上位機(jī)設(shè)置加載參數(shù)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，通過控制器A/D 采集生成加載曲線，加載實(shí)驗(yàn)如下：

（1）是給定20N 負(fù)載命令下模糊PID 控制和常規(guī)PID 控制下的加載曲線圖，如圖13 所示。由加載曲線可知，常規(guī)PID 控制下最大超調(diào)量為10%。當(dāng)滿足超調(diào)量小于5%情況下，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.07s，穩(wěn)態(tài)誤差為0.5N。模糊PID 控制下最大超調(diào)量為5%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.05s，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2N。模糊PID 控制相對常規(guī)PID控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)速度，滿足系統(tǒng)加載要求且加載相對穩(wěn)定。

圖13 負(fù)載20N 加載曲線Fig.13 Load Curve on Loading 20N

（2）給定為正弦波信號(hào)，幅值為20N，角頻率為8rad/s 下加載曲線，如圖14 所示。由圖可知實(shí)際加載曲線和設(shè)定曲線重合度較好，經(jīng)測量得出幅差為4%，相差為3°，滿足系統(tǒng)加載要求。

圖14 角頻率8rad/s 正弦信號(hào)加載曲線Fig.14 Loading Curve of Sinusoidal Signal

（3）夾爪在不同位置命令下測得三組數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 夾爪位置數(shù)據(jù)表Tab.2 The Date Table of Claw Position

根據(jù)表2 分析，系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，夾爪位置精度為0.5%，具有極高的位置精度，滿足系統(tǒng)加載要求。

6 結(jié)論

根據(jù)交流伺服電機(jī)加載方案，設(shè)計(jì)了大燈調(diào)節(jié)器加載測試系統(tǒng)，得到的主要結(jié)論如下：

（1）設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)器加載測試平臺(tái)，該平臺(tái)可以通過上位機(jī)設(shè)置相關(guān)參數(shù)自動(dòng)加載測試，而且可以六工位同時(shí)進(jìn)行，大大提高檢測效率。

（2）加載過程中，伺服驅(qū)動(dòng)器選用扭矩/位置混合控制模式，通過相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高負(fù)載和位置精度。

（3）采用模糊PID 控制策略，實(shí)驗(yàn)表明與常規(guī)PID 控制相比，具有較小的超調(diào)量和較快的調(diào)節(jié)速度，具有較高的負(fù)載和位置精度。加載系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，滿足加載系統(tǒng)要求。

（4）研究的直線式加載系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對電機(jī)模擬負(fù)載和位置精確控制，可以廣泛用于調(diào)節(jié)器或者舵機(jī)等器件檢測，具有重要的工程和實(shí)驗(yàn)意義。