汽車空調(diào)碳膜式伺服電機(jī)線性度測(cè)試分析

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(jí)，自動(dòng)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(jī)作為一個(gè)執(zhí)行器已被廣泛應(yīng)用，碳膜式伺服電機(jī)輸出軸結(jié)構(gòu)直接或者通過連桿、齒輪等機(jī)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(huì)造成角度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系不準(zhǔn)，導(dǎo)致輸出臂偏位，從而導(dǎo)致風(fēng)門閉合不嚴(yán)、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(jī)輸出線性度決定了伺服電機(jī)整個(gè)性能的好壞，也影響著整個(gè)HVAC空調(diào)性能及舒適性。

從碳膜式伺服電機(jī)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(jì)出一套檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)伺服電機(jī)的線性度，并判斷是否滿足要求，防止不良品流入市場(chǎng)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

2 碳膜式伺服電機(jī)原理

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)的位置精度非常準(zhǔn)確，能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)部分：渦輪、蝸桿、大小傳動(dòng)齒輪、輸出齒輪、連桿；殼體部分：上殼體、下殼體；驅(qū)動(dòng)部分：直流電機(jī)［3］。

本汽車空調(diào)采用的某型號(hào)碳膜式伺服電機(jī)電氣原理圖如圖1所示。當(dāng)引腳5接正極，引腳6接負(fù)極，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，直流電機(jī)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(gè)滑動(dòng)變阻器，即PCB板上鍍一層碳膜，反饋電壓0～5V，直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過連接電機(jī)軸上的滑片在碳膜上滑動(dòng)，用來反饋滑片所處的位置電壓，來判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。本電機(jī)對(duì)應(yīng)的反饋電壓區(qū)間為0～5V，相對(duì)應(yīng)的角度范圍為0°～180°。

圖1 碳膜式伺服電機(jī)電氣原理圖

3 伺服電機(jī)線性度測(cè)試方法分析

3.1 測(cè)試設(shè)備

本設(shè)備由3部分組成：電機(jī)固定裝置、編碼器、控制部分。編碼器采用歐姆龍?jiān)隽啃D(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C，分辨率3600P／R，輸出角度精度可達(dá)0.1°，電機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)編碼器，通過編碼器反饋的脈沖來計(jì)算電機(jī)旋轉(zhuǎn)的實(shí)際角度。測(cè)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(jì)

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

圖3 主程序設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)算。

由于采集到伺服電機(jī)反饋電壓會(huì)存在波動(dòng)，需要對(duì)電壓值進(jìn)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(gè)90°的相位差，因此可以判斷編碼器旋轉(zhuǎn)方向；在進(jìn)行波形采集的時(shí)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(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。

編碼器旋轉(zhuǎn)一周會(huì)產(chǎn)生3600個(gè)脈沖，故一個(gè)脈沖代表旋轉(zhuǎn)360／3600=0.1°，因此可以計(jì)算出編碼器旋轉(zhuǎn)的角度，即伺服電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)的角度。

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，以被測(cè)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(zhǔn)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(jìn)行程序編程，并設(shè)計(jì)出檢測(cè)設(shè)備，某型號(hào)模式伺服電機(jī)要求線性度誤差為±2%，測(cè)試結(jié)果見表1。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此測(cè)試方法比傳統(tǒng)的角度傳感器測(cè)試方法更精確，誤差更小。通過MATLAB軟件采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，線性曲線圖如圖4所示，實(shí)測(cè)曲線均在誤差±2%之內(nèi)。

表1 數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

圖4 線性曲線圖

4 總結(jié)

伺服電機(jī)中PCB板中的碳膜線性度存在一定誤差，再加上齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等裝配誤差，造成伺服電機(jī)的輸出線性度誤差增加，因此針對(duì)伺服電機(jī)的輸出線性度提出了一種測(cè)試方法。此方法檢測(cè)精度高，能夠有效、快速地檢測(cè)出不符合標(biāo)準(zhǔn)的伺服電機(jī)，避免不良品流入市場(chǎng)，并且該方法簡(jiǎn)單可行，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。