谷中昌，高衛(wèi)杰，岳秀麟

（豫新汽車熱管理科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 引言

隨著科技不斷的發(fā)展，汽車的配置也在不斷升級，自動空調(diào)已經(jīng)普及［1］。在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，碳膜式伺服電機作為一個執(zhí)行器已被廣泛應(yīng)用，碳膜式伺服電機輸出軸結(jié)構(gòu)直接或者通過連桿、齒輪等機構(gòu)連接來切換風(fēng)門，使風(fēng)門停留在理想位置，來保證風(fēng)量分配的要求，如執(zhí)行器碳膜線性度不好，則會造成角度與電壓的對應(yīng)關(guān)系不準，導(dǎo)致輸出臂偏位，從而導(dǎo)致風(fēng)門閉合不嚴、開啟不完全或者風(fēng)量分配不合理等缺陷，因此，碳膜式伺服電機輸出線性度決定了伺服電機整個性能的好壞，也影響著整個HVAC空調(diào)性能及舒適性。

從碳膜式伺服電機原理分析，提出了采用編碼器采集輸出數(shù)據(jù)，通過算法優(yōu)化，設(shè)計出一套檢測設(shè)備，用于檢測伺服電機的線性度，并判斷是否滿足要求，防止不良品流入市場，對實際生產(chǎn)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

2 碳膜式伺服電機原理

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機的位置精度非常準確，能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出［2］。

汽車空調(diào)風(fēng)門伺服電機的組成可分為四大部分，即控制部分：微控制器及相關(guān)控制元器件；傳動部分：渦輪、蝸桿、大小傳動齒輪、輸出齒輪、連桿；殼體部分：上殼體、下殼體；驅(qū)動部分：直流電機［3］。

本汽車空調(diào)采用的某型號碳膜式伺服電機電氣原理圖如圖1所示。當引腳5接正極，引腳6接負極，直流電機正轉(zhuǎn)，反之，直流電機反轉(zhuǎn)，可以用來切換不同的模式狀態(tài)。引腳1、2、3組成一個滑動變阻器，即PCB板上鍍一層碳膜，反饋電壓0～5V，直流電機旋轉(zhuǎn)時，通過連接電機軸上的滑片在碳膜上滑動，用來反饋滑片所處的位置電壓，來判斷電機旋轉(zhuǎn)的角度。本電機對應(yīng)的反饋電壓區(qū)間為0～5V，相對應(yīng)的角度范圍為0°～180°。

圖1 碳膜式伺服電機電氣原理圖

3 伺服電機線性度測試方法分析

3.1 測試設(shè)備

本設(shè)備由3部分組成：電機固定裝置、編碼器、控制部分。編碼器采用歐姆龍增量旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C，分辨率3600P／R，輸出角度精度可達0.1°，電機輸出軸直接驅(qū)動編碼器，通過編碼器反饋的脈沖來計算電機旋轉(zhuǎn)的實際角度。測試系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

3.2 程序設(shè)計

結(jié)合碳膜式伺服電機的原理及測試設(shè)備，主程序設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 主程序設(shè)計流程圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要包含三方面：伺服電機反饋電壓數(shù)據(jù)的處理、編碼器波形的數(shù)據(jù)處理、線性度誤差的計算。

由于采集到伺服電機反饋電壓會存在波動，需要對電壓值進行優(yōu)化處理。

歐姆龍編碼器有兩相產(chǎn)生PWM波，A相和B相存在一個90°的相位差，因此可以判斷編碼器旋轉(zhuǎn)方向；在進行波形采集的時候，可以充分采集A相和B相的波形數(shù)量，如果相同區(qū)間采集到的波形數(shù)一致，則說明編碼器工作正常，否則異常，從而達到監(jiān)測的目的。

編碼器旋轉(zhuǎn)一周會產(chǎn)生3600個脈沖，故一個脈沖代表旋轉(zhuǎn)360／3600=0.1°，因此可以計算出編碼器旋轉(zhuǎn)的角度，即伺服電機實際旋轉(zhuǎn)的角度。

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標，以被測輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)為前提。在規(guī)定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比稱為線性度，該值越小，表明線性特性越好。擬合直線一般是通過最小二乘法繪制出來的直線。

根據(jù)上述流程圖進行程序編程，并設(shè)計出檢測設(shè)備，某型號模式伺服電機要求線性度誤差為±2%，測試結(jié)果見表1。通過測試發(fā)現(xiàn)，此測試方法比傳統(tǒng)的角度傳感器測試方法更精確，誤差更小。通過MATLAB軟件采用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，線性曲線圖如圖4所示，實測曲線均在誤差±2%之內(nèi)。

表1 數(shù)據(jù)采集測試結(jié)果

圖4 線性曲線圖

4 總結(jié)

伺服電機中PCB板中的碳膜線性度存在一定誤差，再加上齒輪傳動機構(gòu)等裝配誤差，造成伺服電機的輸出線性度誤差增加，因此針對伺服電機的輸出線性度提出了一種測試方法。此方法檢測精度高，能夠有效、快速地檢測出不符合標準的伺服電機，避免不良品流入市場，并且該方法簡單可行，具有很強的實用性。