包佳東，韓 強(qiáng)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，我國(guó)機(jī)動(dòng)車的數(shù)量也在逐年遞增，并且汽車上較普遍地采用了電動(dòng)搖窗系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)搖窗玻璃的電動(dòng)升降，提高汽車的舒適性、方便性和安全性。故此作為電動(dòng)車窗升降器核心的搖窗電機(jī)，其市場(chǎng)需求量也越來(lái)越大。電動(dòng)車窗升降器的好壞很大程度上取決于搖窗電機(jī)的性能，因此搖窗電機(jī)的性能測(cè)試必不可缺。

搖窗電機(jī)是一種渦輪蝸桿減速直流電機(jī)，需測(cè)試的性能繁多，其中有機(jī)械特性、起動(dòng)性能、齒間隙、自鎖性能、反向起動(dòng)、轉(zhuǎn)速同步性、耐久性等。為了實(shí)現(xiàn)高效、便捷的自動(dòng)化測(cè)試，在此提出了一種搖窗電機(jī)性能測(cè)控方案。該測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足搖窗電機(jī)多項(xiàng)性能測(cè)試，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

—搖窗電機(jī)電流為0～30 A，精度誤差為±0.2%FS（full scale，滿量程）；

—搖窗電機(jī)供電電壓為0～30 V，精度誤差為±0.3%FS；

—旋轉(zhuǎn)角度的精度誤差為±0.02%FS；

—搖窗電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～200 r/min；精度誤差為±0.25%FS；

—負(fù)載轉(zhuǎn)矩為-20～20N·m，精度誤差為±0.2%FS。

1.2 系統(tǒng)組成

搖窗電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)需要檢測(cè)電機(jī)的多項(xiàng)性能，系統(tǒng)組成如圖1所示，由PC，恒溫箱、嵌入式測(cè)控單元、搖窗電機(jī)電源、搖窗電機(jī)、各類傳感器、負(fù)載、負(fù)載驅(qū)動(dòng)器、正反轉(zhuǎn)控制模塊等組成。如實(shí)現(xiàn)多臺(tái)搖窗電機(jī)的耐久測(cè)試，則需在CAN總線和RS485并聯(lián)相同的設(shè)備過(guò)程。

測(cè)試過(guò)程中，需要檢測(cè)電流、電壓、角度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，圖中各類傳感器主要包括霍爾電流傳感器、絕對(duì)式光電編碼器、扭矩傳感器、霍爾非接觸式開(kāi)關(guān)。

PC通過(guò)RS232或者RS485實(shí)現(xiàn)對(duì)搖窗電機(jī)供電電源（單臺(tái)用 RS232，多臺(tái)用 RS485），用 RS485對(duì)恒溫箱溫濕度進(jìn)行讀寫。搖窗電機(jī)采用AN50400SV1型號(hào)電源，其輸出電壓為0～35 V，電流為0～50 A，具有最大4 V的引線壓降補(bǔ)償。因?yàn)檎u窗電機(jī)在12 V供電下，堵轉(zhuǎn)最大電流為20～30 A，線損電壓非常嚴(yán)重，會(huì)明顯影響搖窗電機(jī)的測(cè)試情況。

對(duì)比磁粉離合器在空載的測(cè)試中會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的空載力矩，而且在搖窗電機(jī)齒間隙和自鎖測(cè)試中，需要把負(fù)載切換成主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)使用。為避免機(jī)械裝置的拆卸，負(fù)載采用力矩電機(jī)，其具有低速運(yùn)行特性穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，線性度好等優(yōu)點(diǎn)[1]。

在測(cè)試過(guò)程中，需要對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)試。由于正反轉(zhuǎn)切換頻繁，為保證正反切換壽命，采用了LSD-50P75FID2型全隔離直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊，其使用壽命長(zhǎng)，導(dǎo)通壓降小，有短路和過(guò)載保護(hù)功能，能很好保證測(cè)試需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式測(cè)控板總體設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)控板的主要功能是對(duì)各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)負(fù)載驅(qū)動(dòng)器和正反轉(zhuǎn)控制模塊控制以及信息通訊。其設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 嵌入式結(jié)構(gòu)控制框圖Fig.2 Embedded structure control block diagram

測(cè)控板以STM32F103ZET6作為主控芯片，分別由A/D模塊、DI模塊、DO模塊、SSI采集模塊、RS232和CAN通訊模塊、高速計(jì)數(shù)模塊組成。

2.2 DO/DI模塊

DO模塊用于控制正反轉(zhuǎn)控制模塊的信號(hào)通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖窗電機(jī)正反轉(zhuǎn)的隔離控制；DI模塊用來(lái)接受固定位置的霍爾行程開(kāi)關(guān)信號(hào)。其模塊電路如圖3所示。

圖3 DO/DI模塊電路Fig.3 DO/DI module circuit

因MCU的I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力不夠，一般需要光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離和功率放大[2]。其中，為了保護(hù)主控芯片，在DO模塊與MCU接入74HC245芯片，不僅添加了緩沖器，又可增強(qiáng)MCU引腳的驅(qū)動(dòng)能力。DI模塊與MCU用2個(gè)74HC14施密特觸發(fā)器連接，其不僅作為電平轉(zhuǎn)換單元，亦能起到防抖濾波的作用。

2.3 電流/電壓檢測(cè)

為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，模擬信號(hào)在送至A/D轉(zhuǎn)換之前，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理，其中采用運(yùn)算放大器，以提高電路的輸入阻抗能力。電流信號(hào)采集采用TBC25D的霍爾電流傳感器，該元件具有線性好，精準(zhǔn)度高，不損耗被測(cè)電路能量，頻帶寬，可以測(cè)直流、交流脈沖電流等一系列優(yōu)點(diǎn)[3]，其電路如圖4所示。

圖4 電流采集及信號(hào)調(diào)理Fig.4 Current acquisition and signal conditioning circuit

為保證的檢測(cè)電路的高分辨，A/D轉(zhuǎn)化電路選用通道同步采樣芯片MAX125作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。MAX125是2×4通道14位同步采樣轉(zhuǎn)換芯片，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為3 μs，可實(shí)現(xiàn)2×4通道同時(shí)采樣。單通道工作時(shí)采樣速率可達(dá)250 kS/s（千次采樣每秒），雙通道工作時(shí)采樣速率可達(dá)142 kS/s，三通道工作時(shí)同步采樣速率可達(dá)100 kS/s，四通道工作時(shí)同步采樣速率可達(dá)76 kS/s[4-5]。

2.4 高速計(jì)數(shù)模塊

扭矩檢測(cè)由型號(hào)為JN338-20AE的智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。該扭矩檢測(cè)的原理是采用應(yīng)變電測(cè)原理，當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變片阻值發(fā)生相應(yīng)變化，將具有相同應(yīng)變特性的應(yīng)變片組成測(cè)量電橋，應(yīng)變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的變化[6]。

由于扭矩傳感器的扭矩信號(hào)是周期性幅值為±5 V方波，測(cè)得的扭矩與方波頻率存在正比關(guān)系，其中隨著扭矩正向增大，其脈沖頻率會(huì)變大，而扭矩反向增大，脈沖頻率會(huì)變小。由于脈沖頻率的范圍在（5～15）kHz。 在圖 5 所示電路中，通過(guò) 6N137 高速光耦再經(jīng)2個(gè)74HC14施密特觸發(fā)器反相器對(duì)信號(hào)處理，然后傳到MCU。

圖5 高速計(jì)數(shù)電路Fig.5 High speed counter circuit

圖6 SSI208P硬件連接Fig.6 SSI208P hardware connection

2.5 SSI模塊

角度傳感器采用AFS60A型18位絕對(duì)式編碼器。MCU通過(guò)SSI208P并行接口模塊與編碼器，實(shí)現(xiàn)SSI高速通訊，如圖6所示。其中，SSI208P接口轉(zhuǎn)換模塊將同步串行接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)，其內(nèi)部集成SSI同步時(shí)鐘發(fā)生器、脈沖計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換、接口控制邏輯、輸出控制以及收發(fā)驅(qū)動(dòng)器（TTL-RS422電平轉(zhuǎn)換）等功能單元，通過(guò)該模塊將至多32位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4個(gè)8位并行數(shù)據(jù)[7]。

該模塊D0—D7作為數(shù)據(jù)總線；START，END，CS，A0，A1 作為控制總線，其中以 A0，A1 的電平變化來(lái)選擇高低的4組8位數(shù)據(jù)。

通過(guò)CLKMD1和CLKMD2外接電平進(jìn)行通信速率配置，00 為 250kHz，01 為 500kHz，10 為1 MHz，11 為 2 MHz。

2.6 通訊模塊

嵌入式測(cè)控板帶有2個(gè)通訊模塊，一個(gè)是RS232模塊，另一個(gè)是CAN模塊。其中，RS232模塊主要用于對(duì)負(fù)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通訊控制，CAN模塊用于與PC進(jìn)行通訊。其電路如圖7所示。

由于在實(shí)際測(cè)試中，有些電機(jī)測(cè)試項(xiàng)目需要穩(wěn)定的實(shí)時(shí)性，在保證CAN高速通信速率上，需要在CAN模塊需要并聯(lián)120 Ω的終端電阻來(lái)作為阻抗匹配，以減少回波反射[8]。

圖7 RS232&CAN電路Fig.7 RS232&CAN circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、定時(shí)程序、AD采集子程序、輸入捕獲中斷程序、SSI子程序、通訊子程序等組成。

程序設(shè)計(jì)在Keil uVision集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。主程序包括對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘配置、各個(gè)模塊的初始化。主程序的主要內(nèi)容是對(duì)于霍爾開(kāi)關(guān)的信號(hào)采集，用來(lái)標(biāo)記當(dāng)引腳電平的下降沿，其他模塊程序都寫在中斷服務(wù)程序中。該測(cè)試板的控制流程受PC的指令進(jìn)行操作如圖8所示。MCU根據(jù)接受CAN通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，執(zhí)行應(yīng)用層協(xié)議中的功能操作，并進(jìn)行消息反饋。

圖8 測(cè)試板程序控制實(shí)現(xiàn)Fig.8 Test board program control implementation

通過(guò)該程序框架進(jìn)行編寫，易于在PC上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，搖窗電機(jī)多項(xiàng)性能測(cè)試項(xiàng)目可以根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行程序流程控制。

4 試驗(yàn)結(jié)果

基于該測(cè)控板開(kāi)發(fā)的上位機(jī)測(cè)試，由于搖窗電機(jī)其性能測(cè)試繁多，受篇幅所限，僅以機(jī)械特性和起動(dòng)性能測(cè)試為例，性能顯示界面如圖9，10所示。

圖9 搖窗電機(jī)機(jī)械特性顯示界面Fig.9 Mechanical characteristic display interface of window lifter motor

圖10 搖窗電機(jī)起動(dòng)性能顯示界面Fig.10 Starting performance display interface of window lifter motor

機(jī)械特性是指搖窗電機(jī)在固定電壓下，隨著外部負(fù)載扭矩增加下的轉(zhuǎn)速和電流關(guān)系。起動(dòng)性能是指上電瞬間的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速需要到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)需要的時(shí)間。測(cè)試情況如圖所示，可見(jiàn)該搖窗電機(jī)綜合性能測(cè)試測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行，并能滿足搖窗電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)試需求。

5 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的搖窗電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，程序模塊化，易在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)多變的測(cè)試流程，便于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。通過(guò)PC與下位機(jī)的控制策略，能很好的保證搖窗電機(jī)的測(cè)試過(guò)程，提高了搖窗電機(jī)各類測(cè)試的效率。在實(shí)際運(yùn)用中，能到達(dá)“一平臺(tái)，多應(yīng)用”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。應(yīng)用軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)難度，由于一定意義上的通用性、可維護(hù)、模塊化等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)具有可靠性好、穩(wěn)定性能好的特點(diǎn)。

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