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电子工程世界网|基于?LABVIEW?和?交流?伺服?电机，如何解决车辆?换?挡?杆?系统?失效?问题？


挑战:
车辆换挡杆耐久试验要求车辆换挡杆在指定负载条件 ， 以一定速度在两个确定工作位置间运行大量次数(如40万次) ， 并对运行中的速度、次数等参数监控 ， 并希望预留对系统电流及电压等参数的监控扩展能力 。 常见的基于PLC的耐久试验台设计方案显然不能满足运行过程中的速度、次数、电流及电压的监控及可扩展能力的要求 。 基于LABVIEW和交流伺服电机的试验系统采用闭环控制策略 ， 通过系统位置信号的采集 ， 确定电机运行方向与速度的改变 ， 并对过程中的电压电流等监控 ， 为系统试验的智能监控和分析提供科学依据 。
解决方案:
基于NIUSB-6251的模拟量采集模块 ， 利用LABVIEW的DAQ助手的Express技术 ， 实时采集光电开关信号 ， 并输入到基于LABVIEW的开发系统中进行采集、比较及分析 ， 通过基于Modbus协议二次开发的程序控制交流伺服电机以指定的速度和方向运动 ， 并到达指定位置后及时返向运动及记数 ， 其中针对实际运行中出现的系统失效问题 ， 增加的极限位置反转保护方案也是本系统的一个创新 。
1引言
车辆各系统及零部件的疲劳耐久性能是评价汽车质量的重要指标 。 因此开发通用的耐久试验装置对各零部件进行测试是车辆开发过程中的极为重要的工作 。 本文以某款车型的换挡杆耐久试验台的搭建为例 ， 系统说明了光电开关作用原理、开关触发信号采集、LABVIEW编制控制程序及通过LABVIEW的Modbus协议控制伺服电机技术等关键问题 ， 并针对实际中可能出现的问题增加了优化程序—极限位置反转保护方案 ， 避免了试验台运行中可能出现的错误 。
2系统开发背景
车辆的换挡杆试验台用来考核换挡系统的耐久性能的专用设备 ， 也是车辆零部件试验中重要的试验之一 。 如某款车型试验要求如下：换挡杆经40万次试验后 ， 换挡杆各零部件无破裂 ， 操作灵活且无卡滞现象；换挡杆力载荷60N ， 频率要求0.5Hz 。 其中运行次数、换挡力载荷及运行频率均要求实时可变 。 图1为最终搭建的换挡杆耐久试验台 。 其中重块作为负载 ， 伺服电机带动转盘旋转 ， 通过与转盘连接的拉杆机构实现换挡杆动作 ， 换挡杆的两个极限位置分别通过两个铁片和一个光点开关确定 ， 并传输到USB-6251中 ， 由于伺服电机与转盘的传动比为10 ， 则电机转速设定为33rpm ， 满足试验要求 。

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本文插图

图1换挡杆耐久试验台

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本文插图

图2系统组成框图
3系统组成及总体设计方案
根据系统的功能要求本系统包括上位机、NI数据采集卡USB-6251、光电开关、交流伺服电机组成 ， 机械装置五部分 ， 系统组成框图如图2所示 。 本装置采用美国国家仪表公司（NationalInstruments ， 简称NI）开发的数据采集卡USB-6251实时采集光电开关的模拟电压信号 ， 当机械装置在运行行程中光电开光输出高电平 ， 上位机不动作；而机械装置运行到预先设置上/下极限位置时 ， 光电开关输出低电平 ， 上位机根据用Labview编订的程序完成计数、显示及判断等工作 ， 并通过Modbus协议控制伺服电机向反方向运行 ， 从而机械装置进入下一个循环周期 ， 直至运行次数满足要求 。 运行频率/速度由伺服电机的速度运行模式实现 。
3.1传感器及数据采集方案
光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的 ， 一般情由发送器 ， 接收器和检测电路三部分构成 。 它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射 ， 由同步回路选通而检测物体的有无 ， 其物体不限于金属 ， 对所有能反射光线的物体均可检测 。 本文选用的漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器 ， 当有被检测物体经过时 ， 将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器 ， 于是光电开关就产生了开关信号 。


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