劉富品,樊 棟,張小亞

（1.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京,100071；2.西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限責(zé)任公司，西安,710065）

基于超聲電機(jī)驅(qū)動的電位器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

劉富品1,樊 棟2,張小亞2

（1.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京,100071；2.西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限責(zé)任公司，西安,710065）

根據(jù)GJB1865-94《非線繞精密電位器總規(guī)范》中電位器壽命的試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了一種基于PIC18F4431作為控制核心、以超聲電機(jī)驅(qū)動的電位器壽命試驗(yàn)控制器，同時采用LM2678和MC33063作為調(diào)壓主模塊，上位機(jī)軟件為主操作界面，實(shí)現(xiàn)電位器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的預(yù)設(shè)置、運(yùn)行情況的實(shí)時監(jiān)控，具有操作方便、加載電壓、旋轉(zhuǎn)速度精度高等優(yōu)點(diǎn)。

電位器壽命試驗(yàn)控制器；PIC18F4431；LM2678；MC33063

0 引言

現(xiàn)有的電位器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)采用硬件控制，手動電壓加載，對于加載電壓的時機(jī)、時間、幅值，以及旋轉(zhuǎn)速度均無法進(jìn)行精確控制，無法滿足GJB1865-94《非線繞精密電位器總規(guī)范》中電位器壽命試驗(yàn)的要求。并且每次壽命試驗(yàn)只能裝夾一個電位器，如需多個產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)時，試驗(yàn)周期很長，將耗費(fèi)大量的時間人力，為了解決以上問題，設(shè)計(jì)并制造了可同時裝夾8只電位器進(jìn)行壽命試驗(yàn)的全自動電位器壽命控制系統(tǒng)。

1 控制器總體設(shè)計(jì)

電位器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)以超聲電機(jī)作為驅(qū)動源，進(jìn)行精確速度的輸出。控制器采用24v直流供電，主要分為四部分：

（1）超聲電機(jī)硬件驅(qū)動部分

（2）升壓部分（輸出電壓≥20v）

（3）降壓部分（輸出電壓＜20v）

（4）RS232串行通信部分

控制器需提供給超聲電機(jī)相位差為π/2的A，B兩相正弦波，旋轉(zhuǎn)方向由A,B兩相的相位關(guān)系確定，如果A相超前B相，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果B相超前A相，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。

控制器為適應(yīng)不同型號電位器的要求，設(shè)計(jì)為電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)和負(fù)載電壓可調(diào)（其調(diào)節(jié)范圍如表1）；系統(tǒng)運(yùn)行時每5000轉(zhuǎn)換向一次；定期存儲試驗(yàn)參數(shù)；設(shè)計(jì)系統(tǒng)掉電保護(hù)功能，重新上電后，系統(tǒng)按照前一次存儲的試驗(yàn)參數(shù)自動重啟。

表1

控制器總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 控制器總體設(shè)計(jì)框圖

控制器主要工作過程如下：PC端上位機(jī)通過發(fā)送串行數(shù)據(jù)設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)，MCU(PIC18f4431)根據(jù)設(shè)定參數(shù)啟動電機(jī)工作，系統(tǒng)默認(rèn)電機(jī)每5000轉(zhuǎn)換相一次，并輸出設(shè)定電壓。

圖2 升壓電路設(shè)計(jì)

圖3 降壓電路設(shè)計(jì)

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲電機(jī)硬件驅(qū)動設(shè)計(jì)

通過MCU控制HEF4046進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換，經(jīng)過分頻器分頻后產(chǎn)生滿足超聲電機(jī)正常工作的頻率范圍35Khz~45Khz,再通過IRS2109半橋驅(qū)動功率電路，產(chǎn)生相位差為π/2的A,B兩相信號。MCU可通過I/O引腳直接控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)動方向。

2.2 升壓電路設(shè)計(jì)

當(dāng)要求輸出電壓大于20V時采用MC33063進(jìn)行升壓，而MC33063自身驅(qū)動輸出小于40V，因此采用圖2電路設(shè)計(jì)，突破了40V的限制，可產(chǎn)生系統(tǒng)需求的100v輸出電壓。

圖中VH為電壓輸出端，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：VH=1.25[1+R1/ (Rmax5483+R12)]

其中R1=158kΩ，R12=560Ω，Rmax5483為max5483輸出電阻，其調(diào)節(jié)范圍為（70Ω~10070Ω）

因此，VH兩個極限值為:

VHmin=1.25*[1+158000Ω/(10070Ω+560Ω)]=19.829V

VHmax=1.25*[1+158000Ω/(70Ω+560Ω)]=314.742V

調(diào)節(jié)范圍滿足控制器升壓電路20V~100V輸出的要求。

2.3 降壓電路設(shè)計(jì)

當(dāng)要求輸出電壓小于20v時采用LM2678進(jìn)行降壓，電路如

圖3所示。

圖中VL為電壓輸出端，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：VL=1.21[1+R23/ (Rmax5483+R22)]

其中R23=10kΩ,R22=560Ω,Rmax5483為max5483輸出電阻，其調(diào)節(jié)范圍為（70Ω~10070Ω）

故VH兩個極限值為:

VHmin=1.21*[1+10000Ω/(10070Ω+560Ω)]=2.348V

VHmax=1.21*[1+10000Ω/(70Ω+560Ω)]=20.416V

調(diào)節(jié)范圍滿足控制器降壓電路2.5V~20V輸出的要求。

2.4 數(shù)字電位器芯片

控制器升壓電路和降壓電路均采用了MAXIM公司的max5483數(shù)字電位器芯片。該芯片為1024步高精度低功耗數(shù)字芯片，可用2.5vDC雙電源供電或5vDC單電源供電，溫度特性好，阻值調(diào)節(jié)范圍為70Ω~10070Ω。

控制器中采用了兩片max5483，均與MCU采用3線SPI串行接口通信，為了節(jié)省MCU的I/O資源，兩芯片的時鐘線SCK,數(shù)據(jù)線DIN,接相同的I/O引腳，而控制器工作時通過片選CS端選擇不同的芯片。max5483芯片SPI通信時序如圖4。

3 軟件設(shè)計(jì)

PIC單片機(jī)內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有指令執(zhí)行速度快，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在控制器中由于MCU要處理光電編碼器返回的電機(jī)實(shí)時信息，故選取PIC18F4431作為主控芯片，其內(nèi)部集成QEI(Quadrature Encoder Interface)正交編碼器接口，通過簡單的軟件算法即可得到電機(jī)的位置和速度信息。

3.1 控制器軟件結(jié)構(gòu)

軟件部分按功能可劃分為四個模塊：系統(tǒng)初始化模塊，EEPROM讀寫模塊，串行通信模塊，命令執(zhí)行模塊。

各模塊主要功能如下：

（1）系統(tǒng)初始化模塊完成系統(tǒng)初次上電時各硬件資源的配置

（2） EEPROM模塊完成在電機(jī)換相時將系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行參數(shù)寫入MCU內(nèi)部EEPROM中，并在系統(tǒng)重新上電時將前一次寫入的系統(tǒng)參數(shù)讀出。

圖4 max5483芯片SPI通信時序

（3）串行通信模塊完成接收上位機(jī)所發(fā)的命令，并在接收到遙測命令時將當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和加載狀況等系統(tǒng)參數(shù)返回給上位機(jī)，方便上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時信息監(jiān)測。

（4）命令執(zhí)行模塊執(zhí)行系統(tǒng)接收到的命令，采用PID算法穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)速度控制，并在系統(tǒng)完成工作周期時自動停止運(yùn)行，告訴上位機(jī)當(dāng)前工作已完成。

3.2 軟件執(zhí)行流程如圖5

圖5 軟件流程圖

本控制器具有掉電保護(hù)參數(shù)功能，系統(tǒng)初始化完畢后首先判斷是否重新上電，如果重新上電則讀取MCU的EEPROM模塊中存儲的斷電前系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，接著斷電前的狀態(tài)繼續(xù)工作。串口接收模塊具有高級中斷優(yōu)先級，能夠及時響應(yīng)上位機(jī)的請求，命令類型分為：啟動電機(jī)命令，停止系統(tǒng)工作命令，暫停運(yùn)行命令，繼續(xù)運(yùn)行命令，遙測返回命令，電壓加載命令，電壓卸載命令。其中遙測返回命令需要相上位機(jī)返回當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行總?cè)?shù)，當(dāng)前轉(zhuǎn)速，設(shè)置工作圈數(shù)，設(shè)置轉(zhuǎn)速，當(dāng)前加載狀態(tài)，當(dāng)前負(fù)載電壓大小等信息。

4 系統(tǒng)概況

電位器壽命試驗(yàn)（也稱耐磨試驗(yàn)）系統(tǒng)由控制器、上位機(jī)軟件和超聲電機(jī)驅(qū)動裝置組成。

控制器實(shí)物如圖6所示

圖6 電位器壽命試驗(yàn)控制器

整體尺寸為22 cm*13.5cm* 5.5cm , 使用時需配套：PC機(jī)、上位機(jī)軟件（電位器負(fù)荷耐磨壽命系統(tǒng).exe）、電機(jī)驅(qū)動裝置、DB9數(shù)據(jù)線，24V電源線。

上位機(jī)軟件（電位器負(fù)荷耐磨壽命系統(tǒng).exe）采用LabVIEW編寫，LabVIEW是一門廣泛應(yīng)用的編程語言和開發(fā)環(huán)境，依靠其豐富的函數(shù)和子程序庫，采用圖形化編程語言，提高了軟件開發(fā)效率，其開發(fā)的應(yīng)用程序可以運(yùn)行在Windows、Mac、Linux、WinCE以及多種嵌入式平臺上。圖7中，系統(tǒng)工作界面是與西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)公司聯(lián)合開發(fā)的上位機(jī)軟件。

圖7 系統(tǒng)工作界面

從上圖可以看出系統(tǒng)電機(jī)當(dāng)前已旋轉(zhuǎn)13145周，轉(zhuǎn)速為300RPM與設(shè)定轉(zhuǎn)速一致（表明控制器速度調(diào)節(jié)精度高），當(dāng)前處于加載狀態(tài)，加載電壓為23.7V。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)“13145”增到設(shè)定圈數(shù)“10000000”則系統(tǒng)自動停止運(yùn)行，系統(tǒng)本次工作完成。

5 結(jié)語

電位器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)控制器采用PIC18F4431、MAX5483、MC33063、LM2678等集成芯片作為硬件設(shè)計(jì)平臺，與上位機(jī)協(xié)調(diào)工作的方式，實(shí)現(xiàn)了電位器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的全自動化精確控制，并可長時間穩(wěn)定工作?？朔艘酝娢黄髟囼?yàn)中人工操作的精度差、數(shù)據(jù)難于處理和記錄、反復(fù)調(diào)節(jié)等諸多問題，通過上位機(jī)軟件直觀地反映當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。

[1] 林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2013

[2] PICmicro中檔單片機(jī)系列參考手冊.Microchip Technology INC,2004

[3] MAX5483 datasheet.Maxim Integrated Products,2007

[4] PIC18F4431 datasheet. Microchip Technology INC,2005 [5] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003

Design of test system of ultrasonic motor drive controller potentiometer life based on

Liu Fupin1,Fan Dong2,Zhang Xiaoya2
(1.Chinese aerospace standards and Product Assurance Institute,Beijing,100071; 2.Xi'an Chuanglian Ultrasonic Technology Co.,Ltd.,Xi'an,710065)

According to the requirement of test GJB1865-94 "non wire-wound precision potentiometer general specification" in life,we design a potentiometer life test device,it is driven by ultrasonic motor and controlled by PIC18F4431 as controlling core using LM2678 and MC33063 as voltage regulating main module, using host computer as operation interface,it has function for parameter pre-setup and real-time monitoring etc.it is convenient to operate,and it is high accuracy to control the output voltage and rotation speed.

potentiometer life-test controller;PIC18F4431;LM2678;MC33063

劉富品（1970-），女，碩士，多年來一直從事航天行業(yè)電子產(chǎn)品質(zhì)量保證、檢測評價及機(jī)理分析、標(biāo)準(zhǔn)研制工作。