步進電機可靠性測試儀的研制

1、測試技術(shù)與 檢測設(shè)備步進電機可靠性測試儀的研制蘇紅娟 , 傅桂榮(上海交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心 , 上海 200 030 )摘 要 : 敘述了具有工作穩(wěn)定 、測試準確和便于操作的步進電機可靠性測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)構(gòu)成及軟件的編制等工作 。經(jīng)實際工作證明達到全部設(shè)計要求 。關(guān)鍵詞 : 步進電機 ; 可靠性測試 ; 掉電保護中圖分類號 : TM 306 TM 383. 6 文獻標識碼 : A 文章編號 : 1673 26540 ( 2006) 1220054 203Re sea rch on Re l ia b il ity Te st In strum en t of S tep M o torSU

2、H ong 2juan, FU Gu i2rong( Enginee ring Tra in ing Cen te r, Shangha i J iao tong U n ive rsity, Shangha i 200030 , Ch ina)A b stra c t: The re sea rch on re liab ility te st in strum en t of step mo to r w ith wo rk stab ility, te st p rec ision and op e ra te ea sily, inc lud ing softwa re and ha

3、rdwa re ba sed on P89C662, wa s de sc ribed. The good p e rfo rm ance s we re te stified by its wo rk.Key word s: step m o tor; re l ia b il ity te st; power fa il sa fegua rd0 引 言對步進電機進行可靠性測試 ,是步進電機質(zhì) 量檢測的重要環(huán)節(jié)。本文討論的步進電機可靠性 測試儀以飛利浦公司出品的 P89C662 為核心研 制 而 成 。 P89C662 單 片 機 可 提 供 脈 寬 調(diào) 制 ( PWM ) 、高速 I/O

4、 口、加減計數(shù)等方面的功能 ,便 于研制穩(wěn)定 、易用的步進電機可靠性測試儀。1 步進電機測試儀的硬件構(gòu)成步進電機測試儀的系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1 所示 ,主 要 由控制器局域網(wǎng) ( CAN ) 和 485通信模塊 、掉圖 1 步進電機測試儀系統(tǒng)構(gòu)成框圖電保護模塊、可編程邏輯器件 ( PLD ) 與時序控制模塊、人機交互模塊 、步進電機驅(qū)動信號輸出模 塊 、AD 采樣模塊、電機驅(qū)動模塊等組成 。1. 1 CA N通信模塊通信模塊實現(xiàn)測試儀與上位機 PC 的通信 ,將測試過程中得到的數(shù)據(jù)存入上位機 PC ,便于日 后的管理和使用。本測試儀內(nèi)置了 CAN 和 485兩種通信方式。CAN 是主要用于各種設(shè)備檢

5、測及控制的一種現(xiàn)場總線 。CAN 總線最初是由德 國 Bo sch公司為汽車的檢測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的。 CAN 總線具有獨特的設(shè)計思想、良好的功能特性 ,其結(jié)構(gòu)簡單、通信方式靈活、通信距離長 、可靠 性高 、現(xiàn)場抗干擾能力強 ,已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場控制 中 。為了實現(xiàn) CAN 通信功能 ,采用飛利浦公司的 SJA 1000芯片 。該芯片功能強大 , 只需少量的外 圍設(shè)備 ,硬件上即可實現(xiàn)。CAN 通信方式的硬件 原理如圖 2所示 。1. 2 掉電保護模塊步進電機做可靠性試驗時 ,根據(jù)實際的要求 ,有較多的參數(shù)需要設(shè)置。如果每一次測試時都需 要設(shè)置測試參數(shù) ,將給用戶的測試使用帶來很大不便 , 因

6、此 需 要 將 上 一 次 測 試 的 參 數(shù) 設(shè) 置保 存下來 , 便于下次測試時使用 。M 2 4 C 0 2是 ST圖 2CAN 通信專用芯片 SJA1000外圍電路公司出品的一種使用 I2 C 通信協(xié)議的 EEPROM , 和 89C662單片機只需要 3個 I / O口就可以完成 系統(tǒng)所需要的掉電保護功能 ,方便測試 。1. 3 人機交互模塊人機交互模塊包括液晶顯示 (LCD )和鍵盤輸 入兩部分 。使用的液晶是香港精電公司的字符型 液晶顯示模塊 MDL S40468R1 ,能夠顯示 4 ×20 個 字符。利用 5 個按鍵 (一鍵多用 ) 的輸入功能和LCD 的實時顯示 ,

7、可以進行兩級菜單操作和測試 數(shù)據(jù)的顯示 。1. 4 控制信號輸出和驅(qū)動模塊步進電機的控制信號輸出模塊用于產(chǎn)生步進 電機的控制信號。將該控制信號送入步進電機驅(qū) 動電路 ,即可驅(qū)動步進電機。步進電機控制信號包括輸出使能 (禁止或允許步進電機驅(qū)動電路輸 出驅(qū)動信號 ) 、正反轉(zhuǎn)控制信號、驅(qū)動脈沖控制信號 等。CPU 的輸入輸出端均采用了光耦隔離 ,以防止 外電路對 CPU 的干擾 ,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。步進 電 機 驅(qū) 動 模 塊 為 雙 極 性 脈 寬 調(diào) 制( PWM )恒流載波驅(qū)動、半步運行 ,適合 0. 5 2. 8A 的二相 /四相混合式 (永磁式 ) 步進電機 ; 電流 調(diào)節(jié)由驅(qū)動器中

8、間的電位調(diào)整 ,同時還有過熱保 護等保護功能。把步進電機控制信號輸入相應(yīng)的 輸入引腳 ,即可驅(qū)動永磁式步進電機 ;在編程中采用相應(yīng)的控制策略 ,即可滿足可靠性測試的要求。1. 5 AD 采樣模塊步進電機可靠性測試儀運行過程中 ,根據(jù)可 靠性測試的要求 ,需要測試步進電機的驅(qū)動電壓 和最小線性伸長力。同時 ,為了檢驗 AD 采樣模塊工作是否正常 ,在測試儀開機自檢時將一個標準電壓送入 AD 采樣模塊的一個通道 ,根據(jù)檢測 到的數(shù)值來判斷 AD 采樣模塊工作是否正常。因 此共有 3 個采樣信號需要采集。 TLC1549 是 T I公司出品的一個具有 10位采樣精度的芯片 ,具有 串 行 通 信 功

9、 能 , 只 要 3 個 I/O 口 就 可 以 和 P89C662 進行通信 , 將 AD 采樣的 數(shù)據(jù) 傳遞到 P89C662 中。由于有 3 個采樣信號 , 因此采用 CD 4051芯片來切換不同的采樣通道。CD 4051 是一個模擬開關(guān) ,一共可以輸入 8 個不同的模擬信 號 ,只要輸入不同的通道選擇信號 ,即可以選擇哪 個輸入通道作為 CD4051 的輸出。CD4051 具有 內(nèi)阻小、切換速度快等特點 。在 CD 4051 之后接 一個電壓跟隨器 ,可以保證輸出的精度 。以上述 兩個元件為核心 ,即可以構(gòu)成 AD 采樣模塊。AD采樣模塊的硬件構(gòu)成如圖 3所示。圖 3AD 采樣外圍電路

10、構(gòu)成1. 6 PLD 邏輯與時序控制模塊PLD 能夠完成任何數(shù)字邏輯器件的功能 ,通 過原理圖輸入法或是硬件描述語言 ,均可以成功 設(shè)計一個數(shù)字邏輯系統(tǒng)。通過軟件仿真 ,可以事先驗證設(shè)計的正確性 。在印刷電路板完成以后 ,還可以利用 PLD 的在線編程能力 ,隨時修改邏輯 55 關(guān)系而不必更改硬件電路。由于單片機的輸入輸 出端口有限 , 系統(tǒng)又需要較多的控制信號 , 利用 PLD 來開發(fā)本測試系統(tǒng) ,可以方便擴展控制信號 , 大大縮短設(shè)計時間 ,減少印刷電路板面積 ,提高系 統(tǒng)的可靠性和靈活性 。本測試儀中使用的 PLD 為 LA TT ICE公司的 M 4A 5 232 /32 25VC。2

11、 軟件編制基于上述硬件構(gòu)成和測試儀功能的要求 ,軟 件編制采用了模塊化的設(shè)計思路 , 便于調(diào)試和 維護。2. 1 初始化過程步進電機測試儀啟動以后 , CPU 的寄存器、 輸入輸出端口、定時器等都是缺省值 ,需要根據(jù)實際運行的需要進行設(shè)置 。因此初始化過程非常重要。只有正確的初始化才能繼續(xù)執(zhí)行后面的操 作。2. 2 菜單操作和顯示模塊整個系統(tǒng)的運行基于菜單操作 ,人機交互性 好 ,使用方便。按鍵用于根據(jù) LCD 的顯示內(nèi)容選 擇要進行的操作。軟件不斷掃描鍵盤的輸入值 , 同時 LCD 上根據(jù)不同狀態(tài)和工作階段以及按鍵 的輸入實時顯示相應(yīng)的內(nèi)容。用戶則根據(jù) LCD 的顯示內(nèi)容上下移動光標 ,并用

12、鍵盤選擇相應(yīng)的 操作。通過這樣的人機交互 ,完全可以實現(xiàn)步進 電機的可靠性測試。2. 3 步進電機驅(qū)動信號輸出由于 P89C662芯片的 I/O 口數(shù)量有限 ,同時 為了防止 CPU 復(fù)位時 I/O 端口的復(fù)位過程中可能的誤輸出 ,本系統(tǒng)采用了 PLD 的端口作為步進電機驅(qū)動信號的輸出端口。由于可靠性測試過程 中 ,對步進電機的運行過程和狀態(tài)有嚴格的要求 , 因此需要根據(jù)可靠性測試的要求來提供不同的控 制策略 ,控制步進電機的運行狀態(tài)。2. 4 AD 采樣模塊測試儀運行時 ,需要根據(jù)系統(tǒng)不同運行時期 的需要 ,來控制 AD 采樣 。首先要控制 CD4051模 擬開關(guān)的狀態(tài) ,包括使能信號 、不

13、同模擬通道的選 擇信號的控制等 ; 其次是根據(jù) TLC1549 芯片串行通信的定義 , 利用 89C662 的三個輸入輸出端口 P1. 0 , P1. 1 , P1. 2 來和 TLC1549 進行通信 , 完成 AD 采樣。2. 5 通信模塊通信為 CAN 總線通信方式。CAN 總線為多 主工作方式 ,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息 ,不分主從 ,通信方 式靈活 ,且無需占地址等節(jié)點信息。為禁止總線 沖突 , CAN 總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù) , 根 據(jù)需要將各個節(jié)點設(shè)定為不同的優(yōu)先級 ,并以標 志符 ID 標定。其值越小 ,優(yōu)先級越高。在本系統(tǒng)的實際應(yīng)用中 ,

14、上位機 PC 負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò) ,向各個 步進電機測試儀發(fā)送各種控制命令 ; 各個步進電 機測試儀按照來自上位機 PC 的命令進行相應(yīng)的 操作 。上位機 PC 可以選擇任意一個步進電機測 試儀交換數(shù)據(jù)信息。任一步進電機測試儀一旦被選中 ,即可以接收來自上位機 PC 的信息 ,也可以 依據(jù)測試儀自己的命令向上位機 PC 回送信息。 當(dāng)某一步進電機測試儀發(fā)生故障時 ,可以主動向 上位機 PC 發(fā)送有關(guān)自己的信息。任一測試儀與 上位機 PC 交換信息時 , 必須帶上本測試儀的地址信息。2. 6 掉電保護模塊M 24C02 是一種使用 I2 C 通信協(xié)議的 EEP2ROM。根據(jù) I2 C通信協(xié)議的定義和時序關(guān)系 ,利 用 89C662 的 3 個端口 P1. 5 , P1. 6 , P1. 7 來模擬I2 C通信所需要的波形和時序 , 從而產(chǎn)生必須的ACK、NO T ACK、STO P 等 信號 , 完成 89C662 和24C02的通信 , 將需要保存的參數(shù)存入 M 24C02或者將存入的參數(shù)讀出 ,以便進行測試和設(shè)置。3 結(jié) 語通過對上述硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)思的實現(xiàn) ,完 成了步進電機可靠性測試儀的