作者:

徐 猛 -

1、引言

車輛各系統及零部件的疲勞耐久性能是評價汽車質量的重要指標。因此開發通用的耐久試驗裝置對各零部件進行測試是車輛開發過程中的極為重要的工作。本文以某款車型的換擋桿耐久試驗臺的搭建為例，系統說明了光電開關作用原理、開關觸發信號采集、LABVIEW編制控制程序及通過LABVIEW的Modbus協議控制伺服電機技術等關鍵問題，并針對實際中可能出現的問題增加了優化程序—極限位置反轉保護方案，避免了試驗臺運行中可能出現的錯誤。

2、系統開發背景

車輛的換擋桿試驗臺用來考核換擋系統的耐久性能的專用設備，也是車輛零部件試驗中重要的試驗之一。如某款車型試驗要求如下：換擋桿經40萬次試驗后，換擋桿各零部件無破裂，操作靈活且無卡滯現象；換擋桿力載荷60N，頻率要求0.5Hz。其中運行次數、換擋力載荷及運行頻率均要求實時可變。圖 1為最終搭建的換擋桿耐久試驗臺。其中重塊作為負載，伺服電機帶動轉盤旋轉，通過與轉盤連接的拉桿機構實現換擋桿動作，換擋桿的兩個極限位置分別通過兩個鐵片和一個光點開關確定，并傳輸到USB-6251中，由于伺服電機與轉盤的傳動比為10，則電機轉速設定為33rpm，滿足試驗要求。

1  換擋桿耐久試驗臺

3、系統組成及總體設計方案

根據系統的功能要求本系統包括上位機、NI數據采集卡USB-6251、光電開關、交流伺服電機組成，機械裝置五部分，系統組成框圖如圖 2所示。本裝置采用美國國家儀表公司（National Instruments，簡稱NI）開發的數據采集卡USB-6251實時采集光電開關的模擬電壓信號，當機械裝置在運行行程中光電開光輸出高電平，上位機不動作；而機械裝置運行到預先設置上/下極限位置時，光電開關輸出低電平，上位機根據用Labview編訂的程序完成計數、顯示及判斷等工作，并通過Modbus協議控制伺服電機向反方向運行，從而機械裝置進入下一個循環周期，直至運行次數滿足要求。運行頻率/速度由伺服電機的速度運行模式實現。

2 系統組成框圖

3.1    傳感器及數據采集方案

光電開關是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的，一般情由發送器，接收器和檢測電路三部分構成。它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。本文選用的漫反射光電開關是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。

本文選用NI公司開發的USB-6251數據采集卡及Labview軟件的Express技術快速實現光電開關的實時電壓采集。USB-6251數據采集卡是NI公司最新推出的USB總線M系列數據采集產品，可提供高達16路模擬輸入通道，并達到1.25 MS/s數據采集速率，且增加了USB即插即用的簡單易用性以及全新高速信號流技術，可實時快速的采集各種物理信號。Express技術是Labview最新提供的一種快捷簡便搭建專業測試系統的技術^[1]。它將各種基本函數進一步打包為更加智能，功能更加豐富的函數；并對其中某些函數提供配置對話框，通過配置框可以對函數進行詳細的配置，因此其可以實現較少的步驟完成功能完善的測試系統，尤其對于復雜的采集系統，Express技術起到了極大的簡化作用。圖 3為光電開關電壓信號采集設置圖，電壓信號最大值及最小值設定為+10V及-10V，采集率及待讀取采樣均設定為1，即1秒采集1個并實時的傳到上位機，采集模式設為連續采樣。

3 光電開光電壓信號采集

3.2    Labview控制程序

采集到的光電開關信號將輸入到程序中執行控制策略。如圖 4所示，DAQ助手為采用Express技術建立的光電開關電壓信號采集，信號實時輸入到循環結構中執行判定，這里閾值選定為5V，即電壓信號大于5V(此時電機正常運行)時，不執行任何操作；當電壓信號低于5V時(此時電機運行到上/下極限位置)時，首先當前次數增加0.5(電機在上/下極限位置間運行一個來回定義為1)并比較當前次數是否等于循環次數，等于則程序停止；不等于則電機反轉，程序繼續運行。

4 光電開關信號的判斷與計數

3.3    Modbus協議控制伺服電機方案

圖 5為Labview程序采用Modbus協議控制伺服電機反轉。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協議控制器相互之間、控制器和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準^[2,3]。Modbus協議有兩種傳輸模式：ASCII(American standard code for information interchange)或RTU(Remote terminal unit)，兩種方式均須指定串口通信參數（如波特率、校驗方式等）。伺服電機預先設定以下參數：站號：1；傳輸模式：RTU；數據位：8；校驗：偶校驗；停止位：1；通訊超時：5000ms；串口號：Com4。并將電機內部寄存器20B(16進制)位置設定為命令輸入反向控制，即此寄存器變化時(即由106變為006，或者由006變為106)電機反轉；缺省為106，電機按先指定方向運行。圖 5中程序首先提取內部寄存器20B位置的當前值，通過與給定值對比判斷后再輸入新值，從而實現電機反轉的操作。

5 Modbus協議控制電機反轉

3.4    極限位置反轉保護方案

在電機實際運行中采用兩個光亮的金屬鐵片觸出發光電開關，由于鐵片的寬度和電機慣性，電機往往要超過鐵片內側邊緣一部分后再執行反轉操作，電機反轉初期光電開關仍處于低電平，這極易讓程序認為電機已經到達另一個界限位置，而造成電機在一個極限位置附近反復運行，不能正常工作。圖 6為程序新增加的極限位置反轉保護功能。即在電機運行到極限位置后，關閉NI數據采集功能2秒，2秒后數據采集再次開啟，而此時光電開關已經遠離觸發鐵片，不會再次發生以上問題。

6 極限位置反轉保護

4、軟件實現

4.1    人機交互界面

人機交互界面編輯的可見即可得是Laview的一個重要的優勢^[4]。Labview的前面板包含大量形象逼真的控件，用戶還可以創建自定義控件。前面板的窗口形式可以以不同的方式顯示以滿足不同的需求，用戶可以通過按鈕、對話框、聲音、菜單及鍵盤輸入等不同方式與程序進行交互。圖 7為程序設計界面，其中清零按鈕可以將當前次數歸零；按下設定按鈕將有一個對話框彈出，用戶可以通過鍵盤輸入要求的循環次數；再按下開始按鈕程序將開始運行，同時開始按鈕將保持按下狀態，開始命令變為暫停功能，可以隨時按下暫停程序；停止按鈕將退出整個程序。

 7 換擋桿耐久試驗臺人機交互界面

4.2    未來擴展能力

現在設計的方案僅滿足耐久試驗的循環次數要求和指定速度(通過伺服電機)的參數設定，通過電壓和電流傳感器將電機運行電流電壓信號轉變為模擬電壓信號輸入到NI-6251采集前端，并在軟件中設定相應的換算參數，即可實現對電機參數的實施監控。在以上平臺上的建立基礎上，可盡快的搭建以上平臺,并建立數據保存及報警功能。

5、結論

本文通過光電開關發出模擬電壓信號，NI數據采集卡采集電壓信號并輸入到上位機，上位機中運行使用Labview軟件編制的人機接口界面及數據處理程序，根據判斷結果通過Modbus協議控制交流伺服電機實現往復動作，最后增加極限位置電機反轉程序，解決電機運行過程中出現的極限位置控制策略失效的問題。實踐證明這種搭建的試驗臺的技術路線及控制策略是可行的，同時這也是一種用較為通用方法，不僅能滿足換擋桿耐久試驗的要求，對其他零部件耐久試驗臺的開發也有參考意義。