基于LabVIEW的汽车天窗马达的检测系统
2008-07-29
作者：俞雪锋, 殷跃红
摘 要： 着重研究用于汽车天窗马达" title="天窗马达">天窗马达装配和检测的集成系统，从系统需要实现的功能着手，根据功能分析了系统的整体结构和硬件的选取。重点介绍了核心部分模拟负载部分的实现原理，简要介绍了系统软件的构成，数据的分析处理。
关键词： LabVIEW; 数据采集" title="数据采集">数据采集; PID控制; 拉压力传感器
汽车天窗马达作为车顶天窗的运动控制的核心部件，其生产和质量的检测是保证天窗是否完好的最重要步骤。目前，国内使用的设备绝大部分都是国外进口的，不仅价格非常昂贵，而且不能拥有自主知识产权。因此，自主开发将具有深远的意义。Webasto车顶供暖系统有限公司是全球著名的专业车顶供暖系统设备商之一，本系统设备是为Webasto上海有限公司设计开发的。与常用的检测扭矩的设备装置不同，该系统采用拉压力传感器" title="拉压力传感器">拉压力传感器来检测控制扭矩的大小，使得系统结构紧凑精巧。同时操作简单，测试过程自动完成。
1 系统简介
本系统集装配、通信、模拟和检测于一体。系统主要由运动控制、负载模拟和数据采集三部分组成。其中负载模拟是为了模拟天窗马达的实际工作情况：当马达带动轴运转时，磁粉制动器产生一定的扭矩（通过拉压力传感器的反馈而得到扭矩）来模拟马达负载，并实时监测速度、转距、扭矩、电流等各项指标参数。这需要实现多输入输出信号的集成控制和采集，涉及到多功能数据采集卡、信号调理卡、磁粉制动器、拉压力传感器、转速/转距传感器以及电流电压传感器等硬件。鉴于虚拟仪器技术在数据处理和信号操作中的优势以及直观仿真的用户界面的特点，以LabVIEW作为开发工具，设计的测试控制系统高度集成，稳定可靠，具有友好、直观的用户界面。测试时操作简单，自动化程度高，并且对马达的质量判定指标能同步生成数据库记录和实时图形显示，便于随时查询采集结果。
2 系统功能
待测天窗马达放到支撑夹具上，夹具上有三个圆柱定位销，与马达三个定位孔一致，马达旋转齿轮与支撑夹具齿轮座相吻合，确保马达在支撑夹具上放置平稳；ECU(电子控制单元)放到装配马达上面，手按自动测试开始按钮，放置马达与ECU的夹具进入测试装置内，到达正确位置后，三个下压气缸自动下压，使ECU夹紧卡片进入马达锁紧卡扣内，通过传感器检测三个卡片到位，并且能检测是否断裂、损坏；对马达进行自动检测，完成自动检测后，支撑夹具退出回到原位。
所有测试动作都可以进行分步、单独操作，通过选择手动/自动切换按钮完成。自动检测步骤如下：
①进行短路检测（检查马达与ECU内部金属连接处是否有短路）;
②读取ID数据并判断所检测ECU软件、硬件版本是否与所用参数文件一致;
③测试马达接地是否完好;
④从参数文件中自动读取参数并写入ECU；
⑤测试所写参数是否与参数文件中参数一致;
⑥带动马达向前后各旋转4圈（在旋转过程中测试平均运行电流、齿轮圆周位移、齿轮转速是否在规定公差范围内），判断检测是否合格。
在自动测试过程中发生以下现象为检测不合格：
①短路检测不合格；
②ECU硬件或软件版本与参数文件不一致；
③测试马达接地不合格；
④所写入参数文件与提供参数文件不一致；
⑤旋转测试中马达旋转运行平均电流（去除开启瞬间电流）、平均转速或齿轮位移超过设定标准。
产品检测合格，在显示屏上自动显示绿色合格图标，并自动打印合格标签，标签上包括所装配ECU信息（软件版本、硬件版本、ID数据、产品名称、生产日期、产品序列号等）。产品检测不合格，在显示屏上自动显示红色不合格图标，并有不合格原因描述，自动打印不合格标签，标签上有不合格原因描述。
3 系统设计
3．1 硬件选择
此测试系统用于检测天窗马达生产线的设计，待测马达为直流电源供电，测试要求输出电压" title="输出电压">输出电压－16V～+16V(精度±0.1V)，输出电流0～30A(精度±0.01A)，扭矩在0～10Nm(精度±0.1Nm)，转动位移为4转(精度±0.1mm)，转速在300r/min以内。根据上述测试要求，选用了SM1540可编程电源作为马达供电电源，ZX-1.2YN-24#磁粉制动器作为模拟负载，PCI－9112采集卡、H58编码器、XFTC－101－M5M等传感器以及信号调理模块构成数据采集模块。系统硬件原理结构如图1所示。
PCI－1762工业数字I/O板卡模拟0/12V 开关信号，有8路输出。马达接口共有10针脚，2个用于电源供电，1个是Webasto通信专用接口，1个授权接口，其余各针脚虽然不同型号的电机马达定义各不相同，但是都是开关量信号，用于控制马达的转动角度。故马达转过的距离由驱动电源和PCI－1762共同来控制。磁粉制动器的输出扭矩在本系统中与激励电流有很好的线性关系，通过数据采集卡的模拟输出通道传递电压给驱动电路，驱动电路把电压控制转化并且放大为电流，用来控制磁粉制动器的输出。检测系统信号如转速、转距、电流等由相应的传感器经过隔离变送后输入到A/D。
3.2 负载模拟
负载模拟部分是测试系统的核心部分。图2所示是负载模拟机构图。
该系统通过磁粉制动器模拟天窗负载，磁粉制动器的控制实现如下。
从相关文献中，可以得到磁粉制动器的典型的传递函数为[1]：
式中：KM为扭矩与电流的增益；TN为扭矩过渡时间常数；τ为磁粉制动器滞后时间。
连续函数信号经过采样开关后，其断续信号频谱中除了主频谱分量外，会有附加频谱分量，它们在系统中将起相当于高频干扰信号的作用。为了去除这些高频分量对系统输出的影响，需要应用低通滤波器。通常应用中起低通滤波作用的是各阶保持电路或保持器" title="保持器">保持器。零阶保持器是最常用的一种保持器，它把采样时刻的采样值恒定不变地保持（或外推）到下一采样时刻。也就是说，在t∈[nT,(n+1)T]区间内，零阶保持器的输出值一直保持为X(nT)。如图3所示，零阶保持器的输出Xh(t)为阶梯信号。
根据Xh(kT)=x(kT)，（k=0,1,2,…）,Xh(t)与连续输入信号x(t)之间的关系式
Xh(t)的拉式变换为:
比较式(3)与式(2)，可得零阶保持器的传递函数为:
信号通过零阶保持器有滞后相移，而且频率成正比提高。所以保持器的引入，不利于闭环采样系统的稳定性。负载模拟控制系统的整个系统模型如图4所示。
对整个系统而言，输入量为电流I(s),输出量为力矩N(s)。假设I(s)为幅值是30的阶跃函数，在Matlab中可用命令ones等效任意宽度的单位阶跃激励。静态误差e(s)＝I(s)－N(s)，作为PID控制器的输入。
在Kp＝1，Ki=Kd=0，无PID控制的情况下，取采样周期T＝0.1s，系统的阶跃响应如图5所示。引入PID控制后，系统的阶跃响应如图6。
由以上的仿真可见，引入PID控制，可以很好地改善制动器的曲线特性。
力传感器两端分别用螺纹与工作台和连接件固定。传感器两端只受到水平力的作用。根据静力平衡条件求出力的大小，选择力传感器的型号。
传感器的信号实现原理如图7所示。
传感元件由贴在圆筒内壁上的电桥电路构成。弹性体受力变形，导致电桥电路的半导体压敏电阻R1、R2、R3、R4发生变化。
在图7中，电桥电阻R1、R3 具有正增量，电阻R2、R4 具有负增量，当各个桥臂电阻相同且值为R时，公式简化为：
从上式得知，电桥输出电压VO与输入电压Vin成正比关系，Vin是恒定电压。当电桥受压力时，电桥电阻发生变化电桥失去平衡，即输出电压分别与电流和压敏电阻相关；当给定恒定电流Ip时，输出电压VO仅仅随压敏电阻变化而改变。得到线性化的输入输出关系。
由于传感器输出的电压信号较低，其输出阻抗很高,所以需要放大电路。
3．3 数据采集[2]和处理
软件系统启动时首先需要连接ACCESS数据库[3]，进行初始化操作，数据库操作成功后，会显示如图8的操作界面。操作者只要选择所需测试的型号就可以进入数据采集处理软件主界面。
对ECU通信进行软硬件版本验证、读取序列号、参数写入与读出等实现过程，详见参考文献[4]。图9为进行数据采集处理的VI子框图程序的部分截图。
3．4 实验结果
测试结果保存在ACCESS结果表中，其中包括测试日期、时间、马达序列号、马达型号、所有测试参数或测试不合格描述。对所有异常测试情况进行统计并以ACCESS方式保存在指定路径下，其中包括测试日期、时间、马达序列号、马达型号、测试不合格描述、异常情况记录。图10为保存在数据库中的文本数据，图11为图形化实时生成数据图[5]。
整个检测系统开发涉及到多个物理量的控制和数据记录、处理及存储，结合虚拟仪器技术，采用图形化的编程开发平台构建出了本测试系统。由于舍弃了传统的控制扭矩的方法，采用了力传感器来反馈模拟负载，使得本设备的体积小，重量轻。
系统的开发不仅可以加快汽车天窗马达检测系统国产化的速度，自主掌握核心技术，降低了成本，而且对于国内汽车电子行业的发展具有深远的意义。
参考文献
[1] ANG K H, CHONG G, LI Y. PID Control System Analysis, Design, and Technoloy[J]. IEEE Trans-actions On Control Systems Technology. 2005,13(4):559-576.
[2] 雷振山. LabVIEW 7 Express实用技术教程. 北京：中国铁道出版社,2004.
[3] 求是科技.Access 2002 数据库开发技术与工程实践.北京：人民邮电出版社, 2004.
[4] 李华刚, 殷跃红, 徐文超,等.基于K线的汽车天窗马达ECU通讯系统的设计.电子技术应用, 2007，33(1):77-80.
[5] BISHOP R H. LabVIEW 7实用教程. 乔瑞萍， 林欣译.北京：电子工业出版社, 2006.