仲光宇，馬朝永，楊佳樂，于 航

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

0 引言

汽車制動性能對行車安全有著至關(guān)重要的作用，因此制動零部件研發(fā)過程中必須嚴(yán)格按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗證試驗。EPB（Exhaust Back Pressure，排氣背壓）制動鉗是汽車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其耐久、溫度、過載等性能需要科學(xué)精確的檢測[1]。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計一臺符合要求且具有較高通用性的汽車EPB綜合性能檢測裝置，有重要現(xiàn)實意義。

課題組在企業(yè)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，完成了檢測裝置硬件的設(shè)計、下位機(jī)PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）程序以及基于LabVIEW的上位機(jī)測控軟件的編寫，實現(xiàn)了上位機(jī)下位機(jī)數(shù)據(jù)交互，完成了對試件實時數(shù)據(jù)的采集、分析處理、顯示及儲存，成功研制了EPB制動鉗綜合性能檢測裝置。

1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，需要把技術(shù)先進(jìn)性、架構(gòu)合理、低成本、低維護(hù)量等多方面進(jìn)行綜合考慮，同時結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和廠商需求，以保證其高效、有序、可靠的發(fā)揮管理職能。本裝置控制系統(tǒng)采用開放的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加上流行的 Lab－VIEW人機(jī)友好界面及可靠通用的PLC模塊。如圖1所示，控制系統(tǒng)中上位機(jī)是研華IPC-610L型工控機(jī)，LabVIEW作為上位機(jī)編程軟件，貝加萊PLC作下位機(jī)。其中，UDP是UserDatagram Protocol的縮寫，為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。工控機(jī)完成對測試過程的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和分組、統(tǒng)計分析和經(jīng)以太網(wǎng)口與PLC通信等工作。PLC完成對16個現(xiàn)場開/關(guān)量檢測、21個模擬量輸入信號采集、2個模擬量輸出信號及2路脈沖輸入信號的處理。

圖1 自動控制系統(tǒng)原理

2 硬件設(shè)計

2.1 工控機(jī)和PLC選型

工控機(jī)是自動控制系統(tǒng)的核心，經(jīng)常處在24 h連續(xù)工作的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下，所以首先從可靠性出發(fā)，了解工控機(jī)的工作指標(biāo)，如工作溫度、耐振動、抗沖擊等。其次從性能比較，主板、CPU技術(shù)參數(shù)、外部接口配置等。服務(wù)也是選擇工控機(jī)的一個重要參考，工控機(jī)經(jīng)常用在比較重要的場合，出現(xiàn)故障需要及時排除。綜合以上條件，選擇研華IPC-610L型工控機(jī)。

自動控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，控制器的選型至關(guān)重要，貝加萊X20系列PLC，有相對高速的指令處理器能力和浮點運(yùn)算能力，能兼容大部分主流現(xiàn)場總線。CPU模塊標(biāo)準(zhǔn)配置3個接口，分別為 ETH，POWERLINK 和 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）接口。它們相比國產(chǎn)PLC成本高，但是編程軟件容易上手、穩(wěn)定性較好，軟硬件靈活性較高。并且，X20系列PLC帶有一套實時的操作系統(tǒng)，能實現(xiàn)毫秒級高速通信控制，響應(yīng)速率快，符合系統(tǒng)要求。

2.2 MGU控制

直流電機(jī)在工業(yè)自動化設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛，針對不同的應(yīng)用場合和電機(jī)特性，采用的控制方式也不盡相同。MGU是Motor Gear Unit的縮寫，即電機(jī)齒輪控制單元。對MGU穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制，模擬駐車制動狀態(tài)，是實現(xiàn)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[2]。本裝置通過PLC DO輸出模塊直接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊，實現(xiàn)了EPB制動鉗的夾緊與釋放。

直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊是一個執(zhí)行器，根據(jù)PLC輸出電平信號實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換。如圖2所示：1、2位置接程控電源，程控電源與上位的機(jī)通信保證了系統(tǒng)在恒壓狀態(tài)下工作，3、4位置接電機(jī)齒輪控制單元。A+、A-、B+、B-控制信號位置接到PLC DO信號輸出模塊，A+、A-接通電機(jī)正轉(zhuǎn)，B+、B-接通電機(jī)反轉(zhuǎn)，A+、A-、B+、B-同時接通或斷開電機(jī)處于非工作狀態(tài)。程控電源與正反轉(zhuǎn)模塊之間接電壓傳感器，電機(jī)正極通過霍爾電流傳感器，電壓和電流傳感器連接到PLC模擬量輸入模塊，將系統(tǒng)的電壓和電流隨時反饋到上位機(jī)。

圖2 MGU控制原理

2.3 增量式編碼的應(yīng)用

傳感器包括每個工位的電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、扭矩傳感器，液壓回路的壓力傳感器及1、2工位的增量式編碼器。增量式編碼器是一種采用光電等方法將軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出的精密傳感器，在電機(jī)測速中應(yīng)用廣泛[3]。增量式編碼器分為單通道增量式編碼器、AB相編碼器和三通道增量式編碼器，本試驗臺將三通道增量式編碼器與貝加萊PLC相結(jié)合，即時、準(zhǔn)確地測出電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高了系統(tǒng)實時性。

三通道增量式編碼器可利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A，B兩組脈沖相位差90°，能夠判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每一圈輸出一個脈沖，用于基點定位。實際運(yùn)用中使用了A，B兩路脈沖，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時兩路脈沖的超前、滯后關(guān)系剛好相反（圖3）。在B相脈沖的上升沿，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時A相脈沖的電平高低剛好相反，PLC可以很容易地識別出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向。為了增加測量的精度，采用4倍頻方式，即分別在A，B相波形的上升沿和下降沿計數(shù)，分辨率可以提高4倍，由1024變?yōu)?096，但是被測信號的最高頻率降低。

根據(jù)脈沖計數(shù)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有M法測速、T法測速和M/T法測速。本編碼器分辨率較高，優(yōu)先采用M法測量電機(jī)轉(zhuǎn)速[4]。設(shè)定檢測時間為T（單位為s），編碼器分辨率為P，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n，根據(jù) PLC檢測到的脈沖數(shù)m計算電機(jī)轉(zhuǎn)速（圖 4）[5]，則電機(jī)轉(zhuǎn)速測量值為

圖3 編碼器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)模型

圖4 M法測速原理

2.4 氣動液壓系統(tǒng)

氣動液壓系統(tǒng)為4個工位EPB制動鉗提供液壓，模擬卡鉗工作狀態(tài)，系統(tǒng)由氣動回路、液壓回路和傳感器3部分組成。氣壓回路由空氣壓縮機(jī)提供（0.5～0.8）MPa的壓縮空氣，經(jīng)由三聯(lián)件進(jìn)入回路，減壓閥控制系統(tǒng)壓力，兩位五通電磁閥控制氣流通道通斷或改變。

液壓系統(tǒng)以汽車制動液為工作介質(zhì)，制動液儲存在儲液罐，為整個液壓回路供油，氣液增壓器為試件提供制動液壓，氣控球閥控制每個工位油路的通斷。

氣液增壓器為試件提供的液壓最大可達(dá)20 MPa，是液壓回路的核心部件。氣液增壓器將氣缸與油缸結(jié)合到一起，使用純氣壓作為原動力，具有以下特點：有多重安裝方式，可以在不同工作場合，出力調(diào)整容易，使用保養(yǎng)方便；缸體沒有油壓系統(tǒng)升溫的困擾，故障率?。粍幼魉俣容^液壓傳動快且較氣壓傳動穩(wěn)定。

圖5 氣液原理

氣液增壓器利用氣缸活塞和活塞桿受力相同，把活塞受到的氣壓力傳遞到油缸活塞上，該力施加到油缸的油液上，設(shè)氣缸端活塞面積為A1，所受氣壓為P1，油缸端活塞面積為A2，所受液壓為P2，根據(jù)帕斯卡液壓傳遞定律，得到P1×A1=P2×A2，故P2=A1/A2×P1，即輸出液壓壓力值與輸入氣壓壓力值的比值等于氣缸活塞面積與液壓缸活塞面積的比值。由兩位五通換向閥控制加壓和泄壓，DT1通電時，利用氣源壓力P1）推動大面積活塞A1，由小面積A2推動另一端的液壓油，從而使高壓達(dá)到增壓目的，P2為作用于EPB卡鉗的液壓力。

圖6 氣液增壓器原理

3 軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議

NI提供了相對簡單的TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）函數(shù)庫，但是相對于UDP，TCP協(xié)議的程序流程相對復(fù)雜，尤其是數(shù)據(jù)包組成方面。試驗設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場24 h運(yùn)行，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大。UDP通信的特點：可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大、不需要建立連接且傳輸效率高[6]。根據(jù)工程實際應(yīng)用，選用UDP協(xié)議實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信和服務(wù)。

通信的基本過程大致如下（圖7）：創(chuàng)建打開UDP函數(shù)，建立連接；指定偵聽網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.106，通過字符串至IP地址轉(zhuǎn)換函數(shù)可獲取當(dāng)前計算機(jī)的IP網(wǎng)絡(luò)地址；指定端口為15051、15061和15060，即要創(chuàng)建UDP套接字的本地端口。15051端口得到4個工位傳感器的數(shù)據(jù)包，解碼后顯示在前面板中，包括壓力傳感器、夾持力傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器和電壓傳感器，該通信是下位機(jī)向上位機(jī)的單向數(shù)據(jù)傳輸。156061和156060是雙向傳輸數(shù)據(jù)端口，需要上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令，也需要下位機(jī)的反饋[7-8]。在程序中創(chuàng)建2個UDP簇，UDPS和UDPR。函數(shù)簇包含電磁閥狀態(tài)、電子卡鉗狀態(tài)、按鈕及接近開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)。

3.2 PLC程序

作為檢測裝置的控制核心，PLC完成了整個裝置的動作過程控制、電磁閥開關(guān)量輸出控制以及電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器等模擬信號的輸入[9]。根據(jù)檢測裝置工作原理繪制出PLC主程序流程（圖8）。

3.3 LabVIEW人機(jī)界面設(shè)計

圖7 UDP通信過程

圖8 PLC程序流程

LabVIEW語言是面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言，使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其他應(yīng)用程序通信的VI庫。故基于Lab－VIEW平臺開發(fā)人機(jī)界面和上位機(jī)下位機(jī)數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，增加了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[10]。LabVIEW與PLC通信以后，主要實現(xiàn)了以下功能：檢測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置界面和檢測界面集成在一起；檢測系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)的采集，接近開關(guān)、輸出端口等狀態(tài)的顯示；檢測數(shù)據(jù)的管理。

系統(tǒng)主界面如圖9所示。界面左上方設(shè)置了系統(tǒng)檢測界面按鈕，工作模式選擇按鈕及數(shù)據(jù)管理入口，可以在各個工作界面自由切換。

系統(tǒng)調(diào)試界面能實時反映傳感器參數(shù)變化，反映電磁閥、電子卡鉗、接近開關(guān)的工作狀態(tài)，同時可以調(diào)節(jié)程控電源電壓值和比例閥電壓值（圖10）。

系統(tǒng)檢測界面和參數(shù)設(shè)計界面可以實時顯示不同工作模式的數(shù)據(jù)變化曲線，對不同工作模式下的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（圖11）。如溫度梯度工況下，在檢測界面可以對PLC參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可對溫度梯度數(shù)組、溫度梯度次數(shù)等試驗參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖9 系統(tǒng)主頁面

圖11 系統(tǒng)檢測界面

檢測完成后數(shù)據(jù)會儲存到數(shù)據(jù)庫中，可以通過參數(shù)管理界面選擇想要查看的數(shù)據(jù)，添加后數(shù)據(jù)后顯示相應(yīng)工作狀態(tài)的參數(shù)曲線（圖12），應(yīng)用于試件研發(fā)的數(shù)據(jù)分析。

圖12 數(shù)據(jù)管理界面

4 實驗結(jié)果

根據(jù)不同性能的檢測標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定EPB制動鉗具有多種工作模式，以工位3、工位4的不帶液壓性能測試工況和加液壓性能測試工況為例。不帶液壓性能測試工況需要得到加持力、電壓、電流4個參數(shù)實時數(shù)據(jù)曲線。加液壓性能測試工況還要求得到液壓力的實時數(shù)據(jù)曲線，如圖13、圖14所示。

不帶液壓性能測試工況中，在試驗參數(shù)設(shè)置界面中設(shè)置電壓參數(shù)，使系統(tǒng)在（9～16）V恒壓工作，同時設(shè)置試驗次數(shù)、溫度達(dá)到后等待時間等參數(shù)。如圖13，電壓曲線穩(wěn)定在9 V，執(zhí)行機(jī)構(gòu)剛通電時，電流曲線出現(xiàn)第一個峰值，此時為最大駐車啟動電流，隨后為電機(jī)空轉(zhuǎn)時間，空轉(zhuǎn)電流≤3 A，當(dāng)制動塊開始接觸制動盤時，電流曲線出現(xiàn)第2個峰值，駐車電流為（17±2）A，駐車期間，最大制動力穩(wěn)定在18 kN左右。同理，解除制動力時電流曲線出現(xiàn)反向峰值，第1個峰值為最大釋放啟動電流，第2個峰值為釋放電流，釋放電流為（9±2）A。

5 結(jié)語

EPB綜合性能檢測裝置結(jié)合了企業(yè)檢測要求和通用技術(shù)條件，是涉及電、氣、液和計算機(jī)技術(shù)一體化的綜合檢測系統(tǒng)。裝置加載系統(tǒng)的氣液增壓器為EPB制動鉗提供液壓，實現(xiàn)制動鉗的夾緊和松夾，有出力大、速度快、能耗低等特點?？刂葡到y(tǒng)基于UDP通信協(xié)議的通信方式，能滿足試驗裝置數(shù)據(jù)量大、傳輸效率高的要求。提出了PLC和電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊相結(jié)合的控制方式，實現(xiàn)了對MGU正反轉(zhuǎn)的控制。應(yīng)用表明，試驗裝置的硬件設(shè)計合理，軟件自動化程度高、測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖13 工位3-4不帶液壓性能測試工況

圖14 工位3-4加帶液壓性能測試工況