李瑜芳

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 示范辦公室，福州 350003)

VIATT:一種用于角度傳感器智能測(cè)試的虛擬儀器

李瑜芳

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 示范辦公室，福州 350003)

基于虛擬儀器的概念，利用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及VB語(yǔ)言等技術(shù)將傳感器測(cè)試平臺(tái)、傳感器輸出信號(hào)采集及傳感器靜態(tài)特性分析相融合，改進(jìn)并提出了基于Sigmond型函數(shù)的升降速特性曲線用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。設(shè)計(jì)并制作了角度傳感器智能測(cè)試虛擬儀器(VIATT)以對(duì)角度傳感器的靜態(tài)特征進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該VIATT能夠?qū)嵌葌鞲衅魈匦赃M(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，可自動(dòng)保存并輸出線性度、遲滯和重復(fù)性等特性曲線，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的VIATT用于角度傳感器性能測(cè)試的可行性，具有重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

角度傳感器;虛擬儀器;智能測(cè)試;升降速曲線;人機(jī)界面

0 引言

虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)概念最初由美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument，NI公司)提出，由硬件和軟件兩部分組成，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。集成化的虛擬儀器與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)用信號(hào)相連，利用高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試及自動(dòng)化操作，得到了廣泛的應(yīng)用［1－3］。隨著人們對(duì)裝備的可靠性及精準(zhǔn)度要求的提高，伺服系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為過(guò)程參量獲取的傳感器受到日益的關(guān)注，傳感器產(chǎn)業(yè)也隨之迅猛發(fā)展。發(fā)展高度自動(dòng)化的傳感器生產(chǎn)及測(cè)試平臺(tái)，使我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)向著高精化、規(guī)?；l(fā)展，已成為一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

角度傳感器作為伺服系統(tǒng)中一種角度反饋方式，已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)及光電系統(tǒng)等重要領(lǐng)域，以獲取過(guò)程控制參量［4－5］。角度傳感器的性能特征直接影響著伺服系統(tǒng)的運(yùn)行，因此在角度傳感器的研制及應(yīng)用中，都必須進(jìn)行其相關(guān)性能參數(shù)的測(cè)試及標(biāo)定工作［6－7］。目前工業(yè)中廣泛應(yīng)用的測(cè)試方法中測(cè)試平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及特性分析系統(tǒng)各部分彼此獨(dú)立，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)及繪圖分析，自動(dòng)化程度低，存在著耗時(shí)長(zhǎng)，誤差大，且不易進(jìn)行計(jì)算機(jī)保存和后續(xù)數(shù)據(jù)分析等缺點(diǎn)［6－］。為克服該缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型角度傳感器智能測(cè)試虛擬儀器(Virtual Instrument for Angular Transducer Test，以下簡(jiǎn)稱為VIATT)，并提出了一種控制步進(jìn)電機(jī)升降速的Sigmond函數(shù)型曲線模型。

本文的后續(xù)內(nèi)容主要包括:第二部分給出了VIATT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理，詳細(xì)介紹了控制電路，改進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)升降速驅(qū)動(dòng)方式及人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn);第三部分給出了測(cè)試結(jié)果;最后第四部分給出了本文的主要結(jié)論。

1 VIATT設(shè)計(jì)與原理

常用的角度傳感器主要有感應(yīng)同步器、傾斜開(kāi)關(guān)和編碼器等，主要作用為將角度信號(hào)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在制作及應(yīng)用過(guò)程中，需要測(cè)試其靜態(tài)特性，主要包括線性度、靈敏度、遲滯性及重復(fù)性。本文設(shè)計(jì)的角度傳感器智能測(cè)試虛擬儀器的主要作用就是測(cè)試其輸出信號(hào)對(duì)輸入角度的依賴特征，以分析其靜態(tài)性能。

1.1 VIATT主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的VIATT由硬件及軟件組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1(a)所示，所制作樣機(jī)的實(shí)物圖如圖1(b)所示。硬件主要包括傳感器支架、步進(jìn)電機(jī)、控制電路及計(jì)算機(jī)四個(gè)部分;軟件包括單片機(jī)控制程序、傳感器支架角度自動(dòng)調(diào)節(jié)程序、待測(cè)傳感器輸出信號(hào)自動(dòng)采集程序及傳感器特性測(cè)試程序四個(gè)部分。

傳感器支架用于固定待測(cè)傳感器，并在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)傳感器按照程序設(shè)定的運(yùn)動(dòng)角度運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的變向，啟動(dòng)和停止等操作均由控制電路實(shí)現(xiàn)，控制電路作為下位機(jī)兼有信號(hào)采集及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)等功能，并通過(guò)1個(gè)USB口與上位計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)雙向通信。在上位機(jī)中，采用VB語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制、特性分析及儀器界面顯示等功能。

在工作過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)USB口向下位機(jī)發(fā)出傳感器旋轉(zhuǎn)角度的控制指令，控制電路根據(jù)控制指令，促使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的控制電流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，精確驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)預(yù)設(shè)角度，從而帶動(dòng)待測(cè)角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)該角度。同時(shí)，控制電路及時(shí)采集該待測(cè)角度傳感器輸出的電壓傳感信號(hào)，并通過(guò)USB口送入上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。上位機(jī)根據(jù)傳感器支架旋轉(zhuǎn)的角度(X軸)和待測(cè)角度傳感器的輸出電壓(Y軸)繪制工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。通過(guò)多點(diǎn)測(cè)試、正反行程測(cè)試及重復(fù)測(cè)試等，該VIATT直接給出該待測(cè)角度傳感器線性度、靈敏度、遲滯性和重復(fù)性等特性曲線。

圖1 VIATT結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路要實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)及利用USB接口進(jìn)行雙向通信等功能，因此核心硬件的選擇至關(guān)重要。本文采用32位單片機(jī)STM32PIN100和單軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THB7128 3A作為核心控制元件，實(shí)現(xiàn)控制電路的設(shè)計(jì)，以滿足功能要求。

所采用的單片機(jī)為基于ARM Cortex2M3內(nèi)核的STM32系列32位閃存微控制器，STM32具有自己獨(dú)特 的 優(yōu) 點(diǎn)，非 常 適 用 于 實(shí) 時(shí) 控 制［10－11］。STM32在Cortex2M3架構(gòu)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，可以選擇睡眠及待機(jī)模式，7個(gè)TIM可以產(chǎn)生最多28個(gè)精準(zhǔn)的PWM信號(hào)，同時(shí)豐富的通信模塊便于與上位機(jī)進(jìn)行通信。相對(duì)于ARM系列其他芯片，STM32具有運(yùn)行速度快，功耗低及功能全等優(yōu)點(diǎn)，可極為方便的用于步進(jìn)電機(jī)的控制。

圖2 控制電路主要電路圖

工作過(guò)程中，當(dāng)主控芯片STM32接收到上位機(jī)發(fā)送的控制指令后，將其轉(zhuǎn)化為用于控制步進(jìn)電機(jī)的PWM信號(hào)和方向控制信號(hào)，光電耦合隔離后經(jīng)三極管放大輸出。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，以增加步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。通過(guò)光電耦合隔離，控制電路具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具有很強(qiáng)的共模抑制能力。三極管放大器采用開(kāi)漏輸出，以方便邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)外接不同上拉電阻以增強(qiáng)外圍的驅(qū)動(dòng)能力?？刂齐娐凡糠种饕娐穲D如圖2所示。

1.3 改進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)升降速曲線

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的變換器，具有誤差不累積的優(yōu)勢(shì)，是用于精確控制傳感器旋轉(zhuǎn)角度的很好選擇。而解決步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行問(wèn)題，即合理選擇步進(jìn)電機(jī)的升降速運(yùn)行曲線使之不失步且不發(fā)生過(guò)沖，為其關(guān)鍵技術(shù)。常見(jiàn)的三種步進(jìn)電機(jī)升降速運(yùn)行曲線:階梯升降速方式，直線升降速方式及定時(shí)常數(shù)方式均具有不可避免的缺陷:階梯升降速方式下步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速躍升至臺(tái)階后將恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，未能充分利用步進(jìn)電機(jī)的加速性能，且在高頻段躍遷時(shí)，易于發(fā)生失步現(xiàn)象;直線升降速下加速度恒定，未充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨速度變化的特性，且在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將發(fā)生失步;定時(shí)常數(shù)遞減(遞加)升(降)速方式下，每遞減一個(gè)常數(shù)，升速曲線呈下凹型，在低頻時(shí)升速太慢，而高速時(shí)升速又太快［12］。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率與轉(zhuǎn)子的角加速度成正比關(guān)系，穩(wěn)定工作階段，轉(zhuǎn)子的角加速度α正比于驅(qū)動(dòng)頻率f對(duì)時(shí)間t的微分。

式中K為系統(tǒng)常數(shù)，A和B為待定常數(shù)。

對(duì)1式進(jìn)行Laplace變化，可解得驅(qū)動(dòng)頻率f(t)的頻域解F(s)為:

考慮變速以初值頻率f0開(kāi)始，對(duì)方程式(2)進(jìn)行逆拉氏變換及整理后得到:

由(4)式可知，常數(shù)τ決定驅(qū)動(dòng)脈沖頻率f隨t的變化規(guī)律，其值的大小由具體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所決定。為了充分發(fā)揮電機(jī)的快速性能，通常使電機(jī)在低于啟動(dòng)頻率下啟動(dòng)，然后逐步增加脈沖頻率直到所希望的速度，所選擇的變化速率要保證電機(jī)不發(fā)生失步，并盡量縮短啟動(dòng)加速時(shí)間。為了保證電機(jī)的定位精度，在停止以前必須使電機(jī)從最高速度逐步減小脈沖頻率降到能夠停止的速度(等于或稍大于啟動(dòng)速度)。

由以上分析可知，最優(yōu)矩頻特性的升速曲線應(yīng)為Sigmond函數(shù)類型。升速過(guò)程應(yīng)該分為三個(gè)階段，如圖3所示。0－t1階段是升速加速度曲線的第一段，速度曲線下凹;t1–t2階段是升速加速度曲線的第二段，速度曲線為直線;t2–t3階段是升速加速度曲線的第三段，速度曲線上凸。這種S型函數(shù)加減速在不同階段的加速度不同，且保證速度連續(xù)變化，使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)精度更高。

工作過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將按式(4)產(chǎn)生序列驅(qū)動(dòng)脈沖，脈沖方波由定時(shí)器產(chǎn)生，加速和減速過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)不斷修改定時(shí)器初值實(shí)現(xiàn)。假設(shè)以啟動(dòng)瞬時(shí)為時(shí)間零點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算脈沖數(shù)，加速階段0－t1的脈沖數(shù)為n，定時(shí)器初值為D1，f0為晶振頻率，f1為啟動(dòng)頻率，定時(shí)器初值減量為△。從加速階段的物理過(guò)程可知，第一個(gè)脈沖周期的啟動(dòng)頻率為f1=f0/D1，脈沖周期為T(mén)1=1/f1，定時(shí)寬度t1=0。由于定時(shí)器初值的修改，第二個(gè)脈沖周期為T(mén)2=(D1－△)/f0=T1－△/f0，脈沖定時(shí)t2=T1。在0－t1階段第n個(gè)脈沖的周期為

圖3 步進(jìn)電機(jī)最優(yōu)升速曲線示意圖

t1–t2階段和t2–t3階段的△將做相應(yīng)改變，在電機(jī)加速階段，從啟動(dòng)瞬時(shí)開(kāi)始，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，定時(shí)器初值減小某一定值，則相應(yīng)的脈沖周期減小，即脈沖頻率增加，加速度以指數(shù)增加，以保證啟動(dòng)時(shí)加速度平緩，隨之快速增加，這樣一方面使加速度平穩(wěn)過(guò)渡，有利于提高機(jī)器的運(yùn)行平穩(wěn)性及定位精度，另一方面可以縮短加速過(guò)程，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在減速階段，定時(shí)器初值不斷增加，則相應(yīng)的脈沖周期增大，脈沖頻率減小，且加速度為負(fù)，類似的加速度絕對(duì)值指數(shù)形式減小。采用這種S型函數(shù)的步進(jìn)電機(jī)升降速曲線能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，縮短升降速響應(yīng)時(shí)間，提高機(jī)器的運(yùn)行平穩(wěn)性及定位精度。

1.4 人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

本文采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果的可視化，該軟件適用性較強(qiáng)，適合于各種特性的分析。采用VB中Picture Box繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，并將繪制的統(tǒng)計(jì)圖以Bmp格式保存。筆者認(rèn)為在編寫(xiě)過(guò)程中，正確使用Picture Box控件必須注意以下幾點(diǎn):

(1)Auto Redraw屬性需要設(shè)置成True;

(2)Back Color屬性可以設(shè)置統(tǒng)計(jì)圖的圖紙顏色，本例中選擇白色;

(3)Picture的坐標(biāo)原點(diǎn)默認(rèn)為在圖象的左上角，水平X軸向右為正，垂直Y軸向下為正。

以下給出了顯示坐標(biāo)系的程序部分:

Picture6.Scale(－40，540)－(950，－40)

Picture6.Line(0，0)－(900，0) ＇畫(huà)出 X軸直線

Picture6.Line(0，0)－(0，500) ＇畫(huà)出 Y軸直線

Picture6.CurrentX=890

Picture6.CurrentY=10

Picture6.Print"角度(度)"

Picture6.CurrentX=0

Picture6.CurrentY=520

Picture6.Print"電壓(伏)"

Fori=1 To 16

Picture6.Line(0，0+i* 25) －(10，0+i* 25)

Picture1.DrawStyle=2

Picture6.Line(0，0+i* 50) －(900，0+i* 50)

Picture6.DrawStyle=1

Picture6.CurrentX= －30

Picture6.CurrentY=10+i* 50

s=Str$(i* 0.5)

Picture6.Print Format$(s，"0.00")

Nexti

For k=1 To 27

Picture6.Line(0+k* 30，0) －(k* 30，10)

Picture6.DrawStyle=2

Picture6.Line(0+k* 60，0) －(k* 60，500)

Picture6.DrawStyle=1

Picture6.CurrentX=k* 60 － 10

Picture6.CurrentY= －10

s=Str$(k* 6)Tn=T1－(n－1)△/f0，脈沖定時(shí)為:

Picture6.Print s

Next k

2 VIATT樣機(jī)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)制作了VIATT樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下為:(1)角度測(cè)量范圍為0°＜γ＜90°;(2)測(cè)試系統(tǒng)分辨率為ρ≤0.012°;(3)精度為ζ≤0.0007°。圖4(a)和圖4(b)分別示出了該VIATT數(shù)據(jù)測(cè)量可視化主界面及數(shù)據(jù)庫(kù)操作界面。針對(duì)某一角度傳感器，本文對(duì)其進(jìn)行了自動(dòng)測(cè)試，其線性度，遲滯特征及重復(fù)性測(cè)試結(jié)果分別如圖5(a)，圖5(b)及圖5(c)所示。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的VIATT用于角度傳感器性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的正確性及可行性。

為驗(yàn)證VIATT測(cè)試結(jié)果的精確性，本文采用一系列已知特性的角度傳感器作為被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，并將采用該VIATT獲得的測(cè)試結(jié)果與廠家給定的出廠測(cè)試參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。限于篇幅，本文僅以線性度作為測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知，測(cè)試結(jié)果均與廠家給定的參數(shù)值相符，說(shuō)明該VIATT測(cè)試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的用于角度傳感器性能的測(cè)試。

在測(cè)試過(guò)程中，從0－90°中每2o測(cè)量一次，采用VIATT測(cè)量，上述45個(gè)點(diǎn)的測(cè)試過(guò)程為1.5分鐘。如果采用傳統(tǒng)的手工測(cè)試方法，其所需完成的步驟為:第一步需手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)試臺(tái)角度;第二步傳感器信號(hào)采樣;第三步用儀器測(cè)試傳感器在該角度下的輸出;第四步記錄并手工繪出特性圖中的一個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)以上4步完成一個(gè)點(diǎn)的測(cè)試，如此反復(fù)。若完成上述45個(gè)點(diǎn)的測(cè)試工作，需重復(fù)測(cè)取45次，一個(gè)熟練工通常需要225分鐘。由此可見(jiàn)，采用該VIATT測(cè)試系統(tǒng)，極大的提高了檢測(cè)的自動(dòng)化程度，同時(shí)明顯提高了工作效率，降低了人力成本。

值得指出的是，在樣機(jī)制作中，采用的是低性能的廉價(jià)步進(jìn)電機(jī)，且為128細(xì)分驅(qū)動(dòng)，若采用256細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并選擇精度更高的步進(jìn)電機(jī)，則可進(jìn)一步提高測(cè)試分辨率和測(cè)試精度。

圖4 VIATT可視化界面

圖5 VIATT測(cè)試結(jié)果

表1 角度傳感器線性度測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器的概念，設(shè)計(jì)并制作了角度傳感器智能測(cè)試虛擬儀器(VIATT)，將傳感器測(cè)試平臺(tái)、傳感器輸出信號(hào)采集及傳感器靜態(tài)特性分析相融合，具有高度的自動(dòng)化程度。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)被測(cè)傳感器，為獲得平穩(wěn)及高精度的運(yùn)動(dòng)特征，改進(jìn)并提出了一種Sigmond函數(shù)型升降速曲線用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。采用32位單片機(jī)STM32PIN100設(shè)計(jì)了主控電路，并借助USB接口實(shí)現(xiàn)了其與上位機(jī)間的雙向通信，使用VB語(yǔ)言編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果的可視化。最后進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該VIATT能夠?qū)嵌葌鞲衅魈匦赃M(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，可自動(dòng)保存并輸出線性度、遲滯和重復(fù)性等特性曲線，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的VIATT用于角度傳感器性能測(cè)試的可行性，具有重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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VIATT:A Virtual Instrument for the Intelligent Testing of Angular Transducer

LI Yu-fang

(Normal Department，F(xiàn)ujian Polytechnic of Information Technology，F(xiàn)uzhou 350003，China)

Based on the concept of virtual instruments，this paper integrates the testing platform，output data acquisition and static character analysis of sensors by using the technologies of MCU，stepper motor and VB language and presents the method for improving the driving of a Sigmond function-based acceleration and deceleration curve to improve system running stability.It designs and makes the virtual instrument for intelligent testing of angular transducer(VIATT)to automatically detect the static character.The experiment results indicate that VIATT can automatically test the performances of angular sensors，and can also automatically output and save the characteristic curves such as the linearity，hysteresis and repeatability of the output，which verifies the feasibility of VIATT in testing performances of angular sensors，and it has significant values for engineering applications.

angular sensor;virtual instrument;intelligent testing;acceleration and deceleration curve;human-computer interface

TP333.96

A

1009－3907(2011)12－0036－05

2011-10-26

福建省教育廳科技A類資助項(xiàng)目(JA10286)

李瑜芳(1963-)，女，福建龍巖人，副教授，主要從事電子技術(shù)應(yīng)用，傳感器應(yīng)用技術(shù)方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云