手制動裝調(diào)系統(tǒng)中運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

黃細(xì)旺

摘 要：為克服手制動拉索人工裝調(diào)一致性差所導(dǎo)致的安全隱患及燃油消耗量偏高的問題，開發(fā)了手制動拉索自動裝調(diào)系統(tǒng)。應(yīng)用NI公司的Cseries Modules與Kollmorgen公司的伺服電機(jī)與驅(qū)動器，構(gòu)造成一個硬件結(jié)構(gòu)，采用“PC+運動控制卡”的模式，利用以太網(wǎng)串行通信方式實現(xiàn)PC與伺服電機(jī)設(shè)備之間的連接，位置控制模式實現(xiàn)對電機(jī)的實時控制，開發(fā)了基于LabVIEW的伺服電機(jī)運動控制系統(tǒng)。結(jié)合手制動裝調(diào)系統(tǒng)實驗驗證了該運動控制系統(tǒng)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：裝調(diào)； LabVIEW；運動控制

中圖分類號：U260.358 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0078-05

Abstract： To overcome the potential safety hazard which is caused by the poor consistent regulating hand breaking cable， and avoid causing high fuel consumption， hand brake automatically install the system was developed..Application of NI company' C series Modules and kollemorgen' Servo motor and drive to Constructed as a hardware structure， Adopt the pattern of "PC + motion control card"， using Ethernet serial communication mode to realize the connection between the PC and the servo motor equipment， to realize the real-time control of the motor position control mode， the design of the servo motor movement control system is realized. Combining with the experiment of hand braking system verified the feasibility and rationality of the motion control system.

Key Words： adjusting system； LabVIEW； motion control

手制動系統(tǒng)（又稱駐車制動系統(tǒng)）是在汽車停駐時，用于穩(wěn)定車輛，防止汽車滑行的制動裝置[1]。車輛制動系統(tǒng)的可靠性是評價汽車性能的主要指標(biāo)，其使用性能直接影響著汽車駐車制動時的安全性。手制動裝置是汽車重要的裝配組件，裝配質(zhì)量不高也是制動系阻滯力的主要來源，直接影響汽車的動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性。因此整車裝配過程中裝配質(zhì)量的好壞十分重要。然而，現(xiàn)階段大多數(shù)汽車總裝線上手制動系統(tǒng)的裝配與調(diào)整采用的是人工操作方式，這種方式不僅操作繁瑣，降低生產(chǎn)效率，而且裝調(diào)的質(zhì)量不穩(wěn)定，受人為因素影響較大。因此，新型手制動裝調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)，對汽車性能的保證起到舉足輕重的作用。

近年來，虛擬儀器以其獨特的優(yōu)勢得到了非常廣泛的應(yīng)用，LabVIEW作為虛擬儀器語言之一，主要用于數(shù)據(jù)采集及控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集卡和運動控制卡等儀器，具有實時性[2]。伺服電機(jī)運動控制系統(tǒng)是手制動裝調(diào)系統(tǒng)的主要部分，本文應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)和設(shè)計運動控制系統(tǒng)。

1 手制動裝調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 手制動裝調(diào)系統(tǒng)的組成

根據(jù)某車企提出的“手制動裝調(diào)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)要求”，以及考慮到該系統(tǒng)的使用環(huán)境，最終確定了由伺服電機(jī)調(diào)節(jié)手制動手柄，電動扳手調(diào)整螺母的方案。因此系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要有工控機(jī)、伺服驅(qū)動器（包括無刷伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、運動控制器）、電動扳手、電控機(jī)箱組件、各種相關(guān)夾具，手持終端設(shè)備及其他輔助設(shè)備，其各自性能見下表1：

1.2 手制動裝調(diào)系統(tǒng)的原理及流程

手制動裝調(diào)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，其工作原理是：利用LabVIEW程序?qū)λ欧姍C(jī)的實時控制，操縱制動手柄，將制動手柄調(diào)到一定的位置后，安裝在手柄上電動扳手?jǐn)Q緊調(diào)整螺母，伺服驅(qū)動器再次調(diào)整手柄后，反饋某一特定位置時的手柄力矩，根據(jù)這一力矩判斷調(diào)整的拉索預(yù)緊力是否合格。

該系統(tǒng)的具體工作流程是：

（1）開啟手制動裝調(diào)測試系統(tǒng)，讀取汽車車型條碼，將由伺服電機(jī)驅(qū)動的制動手柄操縱裝置安裝到手制動手柄后臂上，電動扳手安裝在拉索調(diào)整螺母上，棘爪釋放套裝到手制動手柄頂部；

（2）按下啟動按鈕（Start）開始運行工作循環(huán)，設(shè)備歸零。制動手柄操縱裝置驅(qū)動手制動手柄拉到設(shè)定齒位，電動扳手按設(shè)定的擰緊力矩預(yù)擰緊調(diào)整螺母；

（3）制動手柄操縱裝置驅(qū)動手制動手柄拉到設(shè)定的最大角度，往復(fù)3次，然后將手制動手柄回到零位；

（4）制動手柄操縱裝置驅(qū)動手制動手柄拉到設(shè)定的拉索調(diào)整位置；電動扳手再次按設(shè)定的擰緊力矩自動擰緊調(diào)整螺母；

（5）再將手柄拉到某指定角度下通過伺服電機(jī)反饋此位置的力矩，經(jīng)過程序完成指定角度下拉力值的檢測，并將最終信息儲存在工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，最后電機(jī)完成復(fù)位，裝調(diào)工序結(jié)束。

2 電機(jī)運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

運動控制是對物體位置和速度進(jìn)行精確控制的技術(shù)[3]。文章著重研究在NI Compact RIO硬件環(huán)境上執(zhí)行高精度運動控制的復(fù)雜運動。

2.1 運動控制系統(tǒng)的硬件選型

文章采用“PC+運動控制卡”模式對電機(jī)運動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。采用這種模式的運動控制系統(tǒng)根據(jù)伺服驅(qū)動器這一被控制對象的控制要求，在LabVIEW軟件環(huán)境中設(shè)計符合要求的程序，進(jìn)行精確控制。該系統(tǒng)硬件由PC上位機(jī)機(jī)，運動控制卡、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，PC機(jī)和運動控制卡通過PCI總線進(jìn)行通信。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理示意如圖2所示：

2.1.1 控制部分

運動控制器是運動控制系統(tǒng)的主要部分。本系統(tǒng)的運動控制部件選用的是NI公司的NI C series Modules中cRIO-9068運動控制器。9068能夠較好的與后面所選用的伺服電機(jī)和驅(qū)動器配合。NI cRIO-9068配置雙核處理器、8個C系列I/O模塊的插槽，滿足系統(tǒng)中安裝多個開關(guān)和指示燈的需求。同時，該控制器配備的Artix-7 FPGA的667 MHz雙核ARM Cortex-A9處理器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于嵌入式檢測和控制。其嵌入式操作的256 MB DDR3內(nèi)存能夠非易失性存儲大量數(shù)據(jù)信息，還有千兆以太網(wǎng)、USB設(shè)備、USB主機(jī)和串行端口，提供多種通訊的方式。

2.1.2 驅(qū)動部分

驅(qū)動部分包括電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器兩部分。本系統(tǒng)的電機(jī)采用的是無刷伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的運行需要一個電子裝置驅(qū)動，即電機(jī)驅(qū)動器。在手制動裝調(diào)系統(tǒng)中選用的電機(jī)型號為Kollmorgen AKM43H，相配套的電機(jī)驅(qū)動器是AKD-P00606。AKM43H電機(jī)可輸出的轉(zhuǎn)矩為4.82Nm，

T=Tmoter×i

i=25為減速比，Tmoter為電機(jī)輸峰值轉(zhuǎn)矩可計算出輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩為180 N·m，而目前說有乘用車手剎拉到最大位置的轉(zhuǎn)矩最大為90 N·m，上述電機(jī)滿足要求。

2.2 運動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在運動控制系統(tǒng)中使用LabVIEW開發(fā)平臺，能極大地簡化編程，縮短開發(fā)時間。

2.2.1 前面板

運動控制系統(tǒng)的前面板界面如圖3所示：

2.2.2 控制程序

控制制動手柄操縱裝置的方式有三種，分別是轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制。本系統(tǒng)沒有應(yīng)用速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部設(shè)定模擬量或固定地址來對外輸出轉(zhuǎn)矩的大小，當(dāng)實際轉(zhuǎn)矩大于這一值時，電機(jī)停止運轉(zhuǎn)；位置控制模式一般是通過設(shè)定輸入脈沖的頻率來控制轉(zhuǎn)動速度，設(shè)定脈沖個數(shù)控制轉(zhuǎn)角[4]。

手制動裝調(diào)過程中，要頻繁控制制動手柄操縱裝置往復(fù)運動，控制程序采用LabVIEW層疊式順序結(jié)構(gòu)，部分程序見圖4：

為避免上一次裝調(diào)帶來的影響，在系統(tǒng)每一次運行時，電機(jī)首先復(fù)位然后再進(jìn)行下一步操作，應(yīng)用轉(zhuǎn)矩控制模式可以實現(xiàn)電機(jī)復(fù)位，程序圖如下圖6所示：

2.2.3 系統(tǒng)通信

在對系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計時要建立各設(shè)備之間的良好通訊，并對各單元模塊進(jìn)行配置，使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（直線）跳接線，直接將AKD電機(jī)驅(qū)動器連接到運動控制器，再用以太網(wǎng)跳接線將運動控制器與PC端相連，使得各設(shè)備之間能夠很好地進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)傳遞。

2.2.4 系統(tǒng)的存儲

手制動裝調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫程序是采用開源的數(shù)據(jù)庫訪問工具LabSQL編寫。將最終反饋的VIN，力矩等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲的程序結(jié)構(gòu)見下圖7：

3 實驗驗證

結(jié)合裝調(diào)系統(tǒng)，在實驗室中搭建電機(jī)運動控制系統(tǒng)，進(jìn)行驗證性實驗，實物連接圖見下圖8：

試驗時，實驗人員首先通過上位機(jī)設(shè)置電機(jī)參數(shù)啟動伺服電機(jī)，實現(xiàn)伺服電機(jī)的平穩(wěn)運行。伺服電機(jī)運行的過程中隨機(jī)的發(fā)送速度指令和正反轉(zhuǎn)指令，觀察電機(jī)的實時性及運行穩(wěn)定性。同時將儲存在LabVIEW數(shù)據(jù)庫中的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)導(dǎo)出，采用波形圖表的形式直觀的展示，波形圖如圖9所示。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的而數(shù)據(jù)取出1000組數(shù)據(jù)計算出其標(biāo)準(zhǔn)差為：

將n=1000，X0=15N·m，代入上式計算出標(biāo)準(zhǔn)差為S=0.532。而該系統(tǒng)所允許的波動范圍是（-2，2），波動范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差為S0=1.141，而0.532<1.414，該誤差在允許的范圍內(nèi)。可以分析出裝調(diào)的質(zhì)量很穩(wěn)定，間接的驗證了電機(jī)運動控制的可行性和合理性。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)試驗驗證，電機(jī)運動控制系統(tǒng)運用到裝調(diào)系統(tǒng)中，能克服人工調(diào)整手剎拉索后裝調(diào)結(jié)果一致性和重復(fù)性差的缺陷，具有較高的裝調(diào)質(zhì)量和效率。間接的驗證了電機(jī)運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

（2）該運動控制系統(tǒng)可以通過電機(jī)反饋實時力矩，具有穩(wěn)定性和可行性，能夠滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的需求，但是也仍有局限，即只能反饋電機(jī)的靜態(tài)實時力矩。后續(xù)需要在電機(jī)輸出軸上安裝一個力矩傳感器，直接測量包括動態(tài)實時力矩在內(nèi)各種狀態(tài)下的實時力矩。進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的精確性。

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