齊 盛

（浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310053）

1 引言

電機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家需要在產(chǎn)品組裝完成后對(duì)電機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的出廠(chǎng)性能測(cè)試。國(guó)內(nèi)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)一般從國(guó)外引進(jìn)電機(jī)性能測(cè)試裝置[1]。這些裝置可靠性高、穩(wěn)定性好、性能測(cè)試準(zhǔn)確，但存在著操作不夠簡(jiǎn)潔直觀(guān)、價(jià)格昂貴和維修困難等問(wèn)題。而國(guó)產(chǎn)高精度電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)一般用于電機(jī)研究所以及鑒定機(jī)構(gòu)，其可靠性、穩(wěn)定性難以在復(fù)雜的電機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)上滿(mǎn)足要求。本文針對(duì)管狀電機(jī)出廠(chǎng)性能測(cè)試的特點(diǎn)，選擇高性能處理器STM32，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了管狀電機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)是由多個(gè)相同功能的測(cè)試子系統(tǒng)，通過(guò)CAN總線(xiàn)在一個(gè)測(cè)試車(chē)間內(nèi)構(gòu)成的一個(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)是一個(gè)單獨(dú)的測(cè)試臺(tái)，可獨(dú)立完成電機(jī)的測(cè)試任務(wù)。每個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)對(duì)電機(jī)測(cè)試完成的數(shù)據(jù)都上傳至測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的主控機(jī)。主控機(jī)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)車(chē)間內(nèi)所有電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、測(cè)試員工作量的記載以及測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表的生成、打印等功能。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

根據(jù)電機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)需求以及調(diào)查總結(jié)，每個(gè)單獨(dú)的測(cè)試子系統(tǒng)的具體功能重點(diǎn)包括以下幾方面[2]：

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）針對(duì)不同型號(hào)的電機(jī)，測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后能夠保存下來(lái)，方便用戶(hù)以后測(cè)試使用。

（2）子系統(tǒng)所能測(cè)試的8個(gè)項(xiàng)目分別包括電機(jī)的冷態(tài)電阻及溫升、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、泄漏電流、剎車(chē)轉(zhuǎn)角和限位精度，用戶(hù)可根據(jù)需要具體制定測(cè)試項(xiàng)目。

（3）子系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)需要，將測(cè)試結(jié)果通過(guò)LCD和系統(tǒng)指示燈顯示出來(lái)。同時(shí)也將測(cè)試電機(jī)的具體測(cè)試參數(shù)以及測(cè)試人員、電機(jī)型號(hào)等信息通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)上傳到測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的主控機(jī)，以備生產(chǎn)廠(chǎng)家日后查詢(xún)。測(cè)試子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

本測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中子測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路主要分為三大部分。系統(tǒng)主控板：負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信運(yùn)轉(zhuǎn)、液晶顯示以及保證跟上位機(jī)進(jìn)行CAN通信；繼電器控制及電機(jī)參數(shù)測(cè)量板：負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)主控板的命令，對(duì)控制電機(jī)的繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，讓電機(jī)作出相應(yīng)的動(dòng)作，以配合系統(tǒng)的測(cè)試需要，并且此模塊還包括對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流電壓溫升的監(jiān)測(cè)測(cè)量模塊；按鍵及指示燈控制板：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的人工輸入以及將測(cè)試結(jié)果通過(guò)LED系統(tǒng)指示燈顯示出來(lái)的功能。

3.1 電機(jī)電阻的測(cè)試電路

本測(cè)試系統(tǒng)中電機(jī)電阻的測(cè)試方法是伏安法，系統(tǒng)電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)10mA的恒流源，采用MEGA16單片機(jī)自帶的10位A/D進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化[3]。由于電機(jī)是感性負(fù)載，電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈在斷開(kāi)電源的瞬間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的反向感生電壓[4]。所以在測(cè)試電阻的時(shí)候一定要加保護(hù)電路，本系統(tǒng)保護(hù)電路中的熱敏電阻PTC1和PTC2在消耗瞬間的感生電壓方面取得很好的效果，系統(tǒng)中恒流源電路及系統(tǒng)保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)電阻測(cè)試中恒流源以及保護(hù)電路

3.2 STM32處理器及主要接口電路

STM32F103VC是一款以Cortex-M3為內(nèi)核的ARM微控制器，集32位RISC處理器、低功耗、高速DMA通道、CAN、靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器（FSMC它能夠與同步或異步的存儲(chǔ)器接口）以及SDIO接口等豐富片上外設(shè)于一體，它的時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz[5]。設(shè)計(jì)中利用芯片的外設(shè)接口FSMC連接液晶，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，采用FSMC方式較普通的IO驅(qū)動(dòng)液晶快3倍左右。在性能方面，該微控制器能夠提供強(qiáng)大的計(jì)算和控制力，它具備32位硬件除法和單周期乘法，實(shí)現(xiàn)了Tail-Chaining中斷技術(shù)，將中斷之間的延遲降6個(gè)CPU周期，在實(shí)際應(yīng)用中可減少70%的中斷，這樣可以大大加快系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可快35%且代碼最多可節(jié)省45%[6]。

3.2.1 系統(tǒng)的CAN模塊設(shè)計(jì)

CAN通信電路由電源、微控制芯片STM32、STM32上的集成CAN控制器、CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器82C250、光電耦合器6N137組成。CAN數(shù)據(jù)通過(guò)82C250傳輸?shù)紺AN控制器上，STM32處理后再傳送出去。CAN通信結(jié)構(gòu)框圖及其硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 CAN 通信結(jié)構(gòu)框圖

3.2.2 SD卡接口電路

由于SD卡具有存儲(chǔ)容量大、價(jià)格低、訪(fǎng)問(wèn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在正成為儀器儀表的存儲(chǔ)主流，SD卡的接口分SPI模式和SDIO模式，SDIO模式具有四根數(shù)據(jù)線(xiàn)，時(shí)鐘速度最大可達(dá)50MHz，顯然SDIO模式下數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI模式快得多[7]。STM32F103VC系統(tǒng)芯片具備SPI及SDIO接口，本系統(tǒng)中選用了SDIO接口模式，接口電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的存儲(chǔ)接口電路

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

4.1 子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送程序

本測(cè)試系統(tǒng)中用到功能模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)中主要涉及到兩個(gè)功能模式，第一個(gè)是手動(dòng)模式，第二個(gè)是自動(dòng)模式。系統(tǒng)通過(guò)CanShu_flag來(lái)判斷是否讀取存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖6為系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試模式程序流程圖。

圖6 自動(dòng)測(cè)試模式程序流程圖

4.2 上位機(jī)界面的軟件程序

經(jīng)過(guò)處理后的測(cè)試結(jié)果通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)上傳到主控機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)可以通過(guò)主控機(jī)的上位機(jī)界面查看工位的測(cè)試信息以及車(chē)間的測(cè)試報(bào)表等信息。上位機(jī)界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)界面圖

上位機(jī)管理軟件的開(kāi)發(fā)是使用Visual C++6.0完成的。VC++與Windows操作系統(tǒng)密切結(jié)合，有一套功能強(qiáng)大的可視化類(lèi)庫(kù)（MFC），采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒╗8]。上位機(jī)主要分為以下幾個(gè)部分：

（1）CAN接口卡的接口程序，完成數(shù)據(jù)的正常傳輸；

（2）測(cè)試結(jié)果在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)根據(jù)需要導(dǎo)入到EXCEL中；

（3）車(chē)間測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表的生成及打印；

（4）用戶(hù)可以根據(jù)需要，查看各個(gè)工位的實(shí)際測(cè)試情況。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試完成后將測(cè)試結(jié)果在液晶上顯示出來(lái)，TFT-LCD只顯示測(cè)試結(jié)果。如果測(cè)試電機(jī)合格的話(huà)，在合格的臺(tái)數(shù)加1，蜂鳴器會(huì)長(zhǎng)響一聲；如果不合格的話(huà)可以在不合格的臺(tái)數(shù)加1，蜂鳴器會(huì)短響一聲。測(cè)試結(jié)果的LCD實(shí)物顯示如圖8所示。

圖8 測(cè)試完成界面

從子系統(tǒng)測(cè)試完成界面看到測(cè)試電流電壓參數(shù)的精度分別為0.01A、0.1V，電機(jī)電阻的精度為0.1Ω，行程、剎車(chē)距離精度及限位誤差精度為0.1°，在系統(tǒng)中測(cè)量電流電壓的傳感器CS5460為24位的AD，電機(jī)電阻測(cè)試電壓用到10位AD以及旋轉(zhuǎn)編碼器最小分辨率為0.09°，但結(jié)合電機(jī)出廠(chǎng)檢驗(yàn)參數(shù)并不需要很高精度的實(shí)際情況以及系統(tǒng)保證處理數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單性要求，液晶顯示精度明顯低于實(shí)際測(cè)試精度。所以系統(tǒng)的測(cè)試精度誤差主要來(lái)源于軟件過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理。

子系統(tǒng)測(cè)試完成后，會(huì)自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果更新到主控機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)在主控機(jī)中查看測(cè)試報(bào)表，報(bào)表信息如圖9所示。

圖9 測(cè)試1車(chē)間數(shù)據(jù)報(bào)表

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)充分利用STM32F103VC芯片豐富的外設(shè)以及高效的數(shù)據(jù)處理能力。經(jīng)車(chē)間實(shí)際安裝調(diào)試后，所有控制功能均能正常實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的測(cè)試儀表相比具有性能穩(wěn)定、反映靈敏、精度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。實(shí)踐證明，本方案設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，不僅保證了電機(jī)的測(cè)試精度，并且提高了測(cè)試人員的工作效率，為電機(jī)的生產(chǎn)提供了優(yōu)良的質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)。隨著類(lèi)似測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)需求的不斷提高，相關(guān)的智能化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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