楊佳樂，馬朝永，黃國興，仲光宇

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124）

0 引言

隨著中國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車零部件的性能檢測要求也越來越高，特別是關(guān)乎汽車駕乘安全的制動零部件的性能檢測。本課題中，為了更好的地還原實際制動工況，選用電動主缸作為比例閥檢測裝置的壓力輸入源。在傳統(tǒng)檢測臺中，液壓加載裝置通常會選用氣缸或者液壓缸作為執(zhí)行裝置，但是由于選用氣缸或者液壓缸作為液壓加載裝置難以實現(xiàn)加載力大小、加載位移、加載速度的精確控制，所以檢測臺選用可控性更好、精度更高的伺服電機(jī)作為輸入力加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在汽車比例閥液壓密封性、急加壓工作特性、緩加壓工作特性等檢測項目中，要求電動主缸以一定的工作方式運行，針對伺服電機(jī)的控制采用專用控制器控制，提高了控制靈活性和檢測精度。

1 電動主缸簡介

電動主缸由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、制動主缸和3個限位開關(guān)構(gòu)成（圖1），伺服電機(jī)工作通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠絲母和套筒法蘭連接，使得推桿前進(jìn)，推動制動主缸活塞。直線軸承和導(dǎo)軌起到導(dǎo)向的作用，防止套筒發(fā)生周向運動。伺服電機(jī)工作，推桿推動制動主缸活塞使得整個液壓系統(tǒng)加壓，通過控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)保證精確控制加載壓力大小和加壓速度，以此滿足急加壓和緩加壓試驗條件下比例閥制動力分配特性曲線的檢測。限位開關(guān)保證伺服電機(jī)的位置限制，避免出現(xiàn)復(fù)位過度、過分加載，發(fā)生安全事故。

2 檢測臺功能以及工作原理

比例閥是汽車制動系統(tǒng)中制動力分配調(diào)節(jié)裝置，它能使前后輪的制動力實際分配比更接近理想的分配特性曲線。根據(jù)汽車比例閥產(chǎn)品要求，針對檢測比例閥性能測試設(shè)計開發(fā)了檢測臺的6個功能：①液壓密封性；②耗液量檢測；③常溫緩/急加壓工作特性；④高/低溫緩加壓工作特性；⑤失效保護(hù)性能；⑥泄壓性能。

圖1 電動主缸

整體檢測系統(tǒng)可分為液壓檢測和氣動控制兩大部分（圖2）。液壓系統(tǒng)檢測介質(zhì)為制動液，使用標(biāo)準(zhǔn)按照GB 12981—2012的規(guī)定使用。DT1，DT2通電，對應(yīng)的氣控球閥通氣打開，伺服電機(jī)工作帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲母帶動推桿推動制動主缸活塞產(chǎn)生制動壓力，壓力傳感器C1，C2監(jiān)測被測比例閥輸入壓力，通過被測比例閥產(chǎn)生的輸出壓力由壓力傳感器C3，C4監(jiān)測。DT3，DT4電磁閥通電相應(yīng)的氣控球閥通氣打開，可調(diào)模擬負(fù)載1、可調(diào)模擬負(fù)載2接入，可以測得比例閥接入負(fù)載后制動力分配特性曲線。感載控制系統(tǒng)是由感載伺服電機(jī)，3個限位開關(guān)（XK4，XK5，XK6）、位移傳感器 C5 組成，執(zhí)行單元通過滾珠絲杠拉動感載比例閥的感載彈簧伸長、收縮，模擬出比例閥空載、滿載的情況。從而保證檢測得到空載、滿載情況下感載比例閥的制動力分配特性曲線。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力過高超過允許壓力時，安全閥AF1，AF2自動工作，對整個液壓系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

（1）高壓密封特性檢測。電磁閥DT1，DT2先開始通電，相應(yīng)的氣控球閥打開，電動主缸工作，比例閥輸入通道產(chǎn)生壓力。高壓密封特性檢測，當(dāng)輸入壓力達(dá)到試件額定工作壓力Pe，電磁閥DT1，DT2關(guān)閉切斷壓力源，C3，C4開始檢測30 s內(nèi)被測比例閥各腔出液口的壓力泄漏情況。

（2）耐壓性能檢測。當(dāng)輸入壓力達(dá)到130%Pe，電磁閥DT1、DT2關(guān)閉，保持5 s，檢測被測比例閥各腔出液口的壓力泄露情況。

（3）泄壓性能。比例閥工作特性檢測完成后，電磁閥DT1、DT同時斷電，相應(yīng)的氣控球閥關(guān)閉，電動主缸復(fù)位，電磁閥DT1，DT2通電，相應(yīng)的氣控球閥打開，比例閥開始快速泄壓，泄壓0.5 s后被測比例閥各進(jìn)液口壓力值應(yīng)≤0.4 MPa。

3 加載系統(tǒng)硬件組成

加載系統(tǒng)硬件組成：工控機(jī)、伺服電機(jī)控制器（CP3000）、伺服電機(jī)驅(qū)動器、絕對值編碼器、伺服電機(jī)等。伺服電機(jī)選用埃斯頓公司的EMG-20DSB22，額定功率2 kW，電源電壓三相AC 380 V，配選的驅(qū)動器PRONET-20DMA。編碼器采用絕對式編碼器，絕對值編碼器有固定的零點，標(biāo)識位置信息代碼唯一，抗干擾能力強(qiáng)，斷電后零點位置不會丟失，無累計誤差等優(yōu)點。電機(jī)控制器采用步科公司CP3000進(jìn)行控制，此款PLC具有16路開關(guān)量光電隔離輸入，8路開關(guān)量光電隔離輸出接口。CAN總線接口，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，卡式導(dǎo)軌固定，安裝簡單等優(yōu)點。

圖2 檢測臺試驗原理

電機(jī)控制器CP3000作為伺服電機(jī)控制的核心，通過輸入端采集接近開關(guān)的零點位置信息、極限位置信息，工控機(jī)通過上位機(jī)軟件對電機(jī)控制器進(jìn)行讀寫操作，并向控制器發(fā)送位移、速度、加速度等命令。電機(jī)控制器與電機(jī)驅(qū)動器之間采用CANopen通信，通過進(jìn)程數(shù)據(jù)對象（PDO）對小型的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。1個PDO最大可傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，通過存儲在對象字典中的PDO映射結(jié)構(gòu)，可以對應(yīng)用對象到PDO對象的分配進(jìn)行調(diào)整，這可以保證設(shè)備對不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。PDO的傳輸方式打破了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)問答式傳輸理念，采用全新的數(shù)據(jù)交換模式，設(shè)備雙方在傳輸前先在各個設(shè)備定義好數(shù)據(jù)接收和發(fā)送區(qū)域，在數(shù)據(jù)交換時直接發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)到對方的數(shù)據(jù)接收區(qū)即可，減少了問答式的詢問時間，從而極大的提高了總線通信的效率，從而得到了極高的總線利用率。

電機(jī)驅(qū)動器通過控制器PDO映射的控制參數(shù)，發(fā)送脈沖的頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)驅(qū)動器采用位置控制模式（脈沖列指令），脈沖輸入信號形態(tài)設(shè)定為90°相位差2相脈沖（正邏輯），90°相位差2相脈沖指令形態(tài)可設(shè)定輸入倍增（1倍、2倍、4倍）脈沖最大頻率400 kpps?？刂芇ULS，SIGN不取反。絕對值編碼器是伺服電機(jī)的典型反饋元件，通過輸出的格雷碼進(jìn)行反饋。伺服加載系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 伺服加載系統(tǒng)硬件構(gòu)成原理

4 Modbus通信協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中廣泛使用的公開協(xié)議、支持傳統(tǒng)的PS-232，RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，許多工業(yè)設(shè)備都使用Modbus協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，這樣不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備就可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中控制。

根據(jù)伺服電機(jī)的選型，使用的通信協(xié)議為Modbus-RTU通信協(xié)議，Modbus詳細(xì)的定義了校驗碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。數(shù)據(jù)通信采用主從方式，允許一個主設(shè)備和一個從設(shè)備或者多個從設(shè)備之間通信。首先，主機(jī)的信號尋址到一臺唯一的終端設(shè)備（從機(jī)），終端設(shè)備發(fā)出的信號以相反的方向傳輸給主機(jī)。Modbus協(xié)議只允許主設(shè)備和終端設(shè)備之間通信，而不允許獨立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各個終端設(shè)備不會在初始化時占據(jù)通信線路，而僅限于相應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號。在一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，所有的設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。其特點是檢錯能力強(qiáng)，花費CPU開銷小。表1是RTU傳輸模式的消息格式。CP3000電機(jī)控制器站號51，COM口采用RS232接口，波特率設(shè)定38400，校驗方式采用無校驗，停止位為1。

表1 信息幀格式

5 軟件設(shè)計

此檢測臺軟件采用Delphi語言編制，代碼效率高、執(zhí)行速度快。Delphi編程環(huán)境包括：編譯器、匯編器、事實操作系開發(fā)環(huán)境。上位機(jī)軟件作為整個系統(tǒng)的大腦，其程序包括初始化模塊、主控程序模塊、手動調(diào)試模塊、通信模塊、故障報警模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

汽車比例閥檢測臺軟件部分總體可分為兩部分，以菜單形式區(qū)分調(diào)用，分別是系統(tǒng)調(diào)試界面（圖5）和檢測界面（圖6）。系統(tǒng)調(diào)試界面中以指示燈的形式進(jìn)行各種按鈕狀態(tài)、電磁閥通斷狀態(tài)、傳感器初值、電機(jī)限位的狀態(tài)顯示，可以通過點擊按鈕或者改變參數(shù)等方式改變伺服電機(jī)、電磁閥等工作狀態(tài)。檢測界面根據(jù)試驗項目要求設(shè)定加壓速度滿足急加壓、緩加壓試驗要求（0～40）MPa/s自動繪制出被測試件輸入“—— ”輸出特性曲線，并求出拐點值。

圖5 系統(tǒng)調(diào)試界面

圖6 檢測界面

主控程序中加載系統(tǒng)控制主要是針對伺服電機(jī)的電機(jī)使能、左右限位、和脈沖輸入輸出、方向進(jìn)行編寫，同時通過光耦讀取伺服電機(jī)的報警信號。將伺服電機(jī)工作狀態(tài)，輸入輸出脈沖、有無報警等在調(diào)試界面顯示。伺服加載系統(tǒng)控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程

6 試驗結(jié)果

通過人為設(shè)定不同的加壓速度，測得比例閥輸入輸出特性曲線。如圖8所示，加壓速度為3.43 MPa/s（緩加壓）；如圖9所示，加壓速度為40 MPa/s。

圖8 緩加壓輸入—輸出力特性

圖9 急加壓輸入—輸出力特性

快速泄壓性能檢測結(jié)果如圖10所示，比例閥快速泄壓0.5 s后各進(jìn)液口壓力值≤0.4 MPa。高壓密封特性檢測、耐壓性能檢測試驗結(jié)果如圖11所示，高壓密封檢測中被測比例閥各出液口壓力泄漏≤0.35 MPa，耐壓性能檢測中各出液口壓力泄漏≤0.6 MPa。

圖10 泄壓性能檢測

圖11 高壓密封特性和耐壓性能

通過輸入—輸出液壓特性、快速泄壓性能、耐壓性能以及高壓密封特性實驗結(jié)果表明，電動主缸完全可以作為此檢測臺液壓力輸入裝置，滿足實驗對于所需加壓速度和壓力值大小的要求。

7 結(jié)論

本課題結(jié)合目前汽車比例閥檢測現(xiàn)狀以及遇到的問題，設(shè)計研發(fā)全新的汽車比例閥綜合性能檢測臺，采用電動主缸作為被測比例閥壓力輸入裝置，電機(jī)控制器控制伺服電機(jī)動作，試驗結(jié)果證明，設(shè)計符合試驗要求、檢測效率高、通用性好，檢測數(shù)據(jù)精確、可靠性能高，具有很好的推廣價值和應(yīng)用價值。

［1］王收軍，解寧，劉增麗，等.復(fù)式汽車比例閥綜合性能試驗臺［J］.液壓與氣動，2003（5）：16-18.

［2］王收軍，解寧，宗升發(fā)，等.汽車比例閥綜合性能試驗臺［J］.液壓與氣動，2002（4）：23-25.

［3］沈軍民，沈詠軍.汽車感載比例閥測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報，2006（6）：169-172.

［4］姜繼海，蘇文海，陳宏鈞，等.汽車液壓感載比例閥性能試驗臺的研制［J］.汽車技術(shù)，2006（12）：34-36.

［5］康向軍.基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)讀寫［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（2）：191-192.

［6］桂啟發(fā)，徐素明.基于CAN總線的交流伺服電機(jī)控制技術(shù)［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2007（20）：11-12.