1概述
　　許多汽車制動元件的檢測，例如液壓制動系中制動主缸助力器總成的檢測，氣壓制動系中氣制動閥的檢測，在測試系統(tǒng)中需要用到電機(jī)推動滾珠絲杠來模擬在實際汽車制動時踩下制動踏板進(jìn)行制動的過程，滾珠絲杠推動主缸或者制動閥使其達(dá)到汽車制動時所需要的各種工作狀態(tài)，以便來測試各種性能。而步進(jìn)電機(jī)由于角位移與輸入脈沖嚴(yán)格成正比關(guān)系，在其運動過程中沒有累計誤差，跟隨性良好，因此選擇步進(jìn)電機(jī)是汽車制動元件測試系統(tǒng)中性能較好的執(zhí)行元件。
2系統(tǒng)硬件構(gòu)成
　　汽車制動元件測試系統(tǒng)中，因為有氣壓或者液壓的壓力要測試，所以電磁閥、壓力表、壓力傳感器等是必不可少的，本文只討論步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件在制動元件在測試中的應(yīng)用，故略去壓力測試部分。系統(tǒng)硬件組成有位移傳感器，力傳感器，步進(jìn)電機(jī)；控制核心采用工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡。
2.1系統(tǒng)硬件選型
　　某氣制動閥檢測試驗臺一臺，步進(jìn)電機(jī)選用四通電機(jī)，型號57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進(jìn)電機(jī)，雙極恒流、相電流為15A、2相4線、轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒，步距角0．9°／1．8°；驅(qū)動器采用四通電機(jī)SH一20806N兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器；32控機(jī)配置為研祥工控機(jī)IPC一810A，C1I850以上，QT80G，HY256M以上，52X光驅(qū)、USB光電鼠標(biāo)、10M／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡。數(shù)據(jù)采集卡選用研祥公司PCL-812PG采集卡。位移傳感器量程為：（0～60）mm，精度為05％。輸入力傳感器量程為2500N，精度為1％。如圖1所示，為控制系統(tǒng)的基本組成。
　　步進(jìn)電機(jī)正常運行的關(guān)鍵指標(biāo)是其矩頻特性曲線要滿足系統(tǒng)的要求。因此需要對所選的型號為57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進(jìn)電機(jī)做必要的驗證工作。

估算步進(jìn)電機(jī)所需的運行轉(zhuǎn)矩：T=Te+Ta
式中：Te 一負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Ta一加速轉(zhuǎn)矩。
　　由于無法計算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此只能初步計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)需要克服制動元件彈簧力前進(jìn)，估測得彈簧壓縮力約為150N，因此，需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為：
（1）
式中：F-彈簧壓縮力；V一步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)速度。
　　估算步進(jìn)電機(jī)需克服起動摩擦、轉(zhuǎn)動慣量等所需的加速轉(zhuǎn)矩，機(jī)械部分的轉(zhuǎn)動慣量為：
（2）
式中：G一步進(jìn)電機(jī)機(jī)械部分重量；D 一直徑。
　　加速轉(zhuǎn)矩Ta為：
（3）
式中： Va一目標(biāo)速度；ta一加速時間。
　　根據(jù)式（3）計算結(jié)果可知Ta很小，可以忽略。步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩,故取最大靜轉(zhuǎn)矩
　　根據(jù)57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線（圖略），可以看出該電機(jī)滿足系統(tǒng)的要求。
2．2系統(tǒng)工作過程
　　具體的工作過程是，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動滾珠絲杠組成加力裝置，力傳感器安裝在絲杠頂桿前端，用于測量步進(jìn)電機(jī)輸出力暨“被測試件輸入力”的大小，數(shù)據(jù)經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換送工控機(jī)處理，工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動、前進(jìn)、后退、停止，并按測試程序控制前進(jìn)和后退的速度，同時由位移傳感器測量出步進(jìn)電機(jī)的位移量，并將力和位移的相應(yīng)數(shù)據(jù)通過顯示器表示出來，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷氣制動閥的合格與否。
3 主要控制程序
　　一般采用軟件延時的方法來對步進(jìn)電機(jī)的運行速度、步數(shù)及方向進(jìn)行控制，根據(jù)計算機(jī)所發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量所需的時間來設(shè)計一個子程序，該子程序包含一定的指令，設(shè)計者通常要對這些指令的執(zhí)行時間進(jìn)行嚴(yán)密的計算或者精確的測試，以便確定延時時間是否符合要求，每當(dāng)子程序結(jié)束后，可以執(zhí)l彳亍下面的操作。采用軟件延時方式時，CPU一直被占用，CPU利用率低，這在許多場合是非常不利的。因此需要重新設(shè)計對步進(jìn)電機(jī)的控制程序，這里采用研祥公司生產(chǎn)的PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡，利用812PG卡中自帶可編程計數(shù)／定時器8254及其他邏輯電路器件設(shè)計一種步進(jìn)電機(jī)控制方式，僅需要幾條簡單的指令就可以產(chǎn)生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號?？删幊痰挠布〞r器直接對系統(tǒng)時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值則由編程決定當(dāng)計數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時，給出定時時間到的信號，得到所需的延時時間或定時間隔，由于計數(shù)的初始值由編程決定，因而在不改動硬件的情況下，只通過程序的變化即可滿足不同的定時和計數(shù)要求，因此使用很方便。
3．1 對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制
　　在測試系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要由設(shè)定值來實現(xiàn)，這個設(shè)定值存放在PCL-812PG上的8254芯片的計數(shù)值設(shè)定位上。這個值的計算過程如下：
　　已知條件是電機(jī)的步進(jìn)角為1．8°，控制器選擇三十二細(xì)分，8254時鐘頻率是2MHZ，電機(jī)帶動的絲桿螺距為5ram。要求速度為￡秒前進(jìn)s毫米，即s／t（mm／s）。8254工作在方波發(fā)生模式，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作原理可知，每給步進(jìn)電機(jī)一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度為每個脈沖轉(zhuǎn)動的角度為1．8°，由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用了32細(xì)分模式，因此8254每發(fā)送32個脈沖步進(jìn)電機(jī)才轉(zhuǎn)過1jBo，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖為：（360／1．8）32=6400，電機(jī)絲桿螺距為5ram，8254時鐘頻率是2MHz，如設(shè)N為分頻數(shù)（寫入8254計數(shù)器0的值），故步進(jìn)電機(jī)的速度V應(yīng)為：
（4）
式中：N一為分頻數(shù)，即寫入8254計數(shù)器0的值。
根據(jù)式（4）可以推導(dǎo)出：
（5）

　　式（5）中對8254計數(shù)器寫入的分頻值N只能為正整數(shù)，而通過計算得出的分頻值N不一定為正整數(shù)，因此要對輸入8254計數(shù)器0的分頻值進(jìn)行四舍五人，故應(yīng)取：N=｛mund 1562．5×t／s｝在程序中改變N的值的大小，即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
　　分別向PCL-812PG基地址Base+0（也就是計數(shù)器0寄存器）中先低八位、后高八位寫入，程序語句為：
　　OutPortb（Base+0，N mod 256）；
　　OutPortb（Base+0，N div 256）；
3．2步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)、后退、使能控制
　　PCL一812PG提供16路數(shù)字輸入通道和16路數(shù)字輸出通道的數(shù)字I／O寄存器。地址Base+6和Base+7都用于數(shù)字輸入，地址Base+13和Base+14用于數(shù)字輸出通道。
　　在測試系統(tǒng)中，使用地址Base+13數(shù)字I／O寄存器，寄存器八位二進(jìn)制意義，如圖2所示。

　　D0位：脈沖信號輸入線路選擇，1為CW輸入，0為CWW輸入；
　　D1位：步進(jìn)電機(jī)使能狀態(tài)控制，0為FREE位（步進(jìn)電機(jī)軸懸浮狀態(tài)），1為使能狀態(tài)；
　　D2位：方向控制，1為順時針（前進(jìn)），0為逆時針（后退）；
　　D3位：Gate位，1為方波輸出，0為低電平輸出；
　　步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)寄存器寫入的二進(jìn)制數(shù)，如圖3所示。

　　程序語句為：OutPortb（Base+13，$0E）；步進(jìn)電機(jī)后退寄存器寫入的二進(jìn)制數(shù)，如圖4所示。

　　程序語句為：OutPortb（Base+13，$0A）；
　　步進(jìn)電機(jī)懸浮寄存器寫入的二進(jìn)制數(shù)，如圖5所示。

　　程序語句為：OutPoflb（Base+13，$08）。
4 結(jié)語
　　伴隨著科技的發(fā)展，計算機(jī)硬件成本越來越低，并且其通用性和使用簡便，決定了計算機(jī)作為控制核心部分，越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)是一種常用的動力驅(qū)動設(shè)備，工控機(jī)對其具有良好的控制能力。該系統(tǒng)已實踐運用，操作簡單、方便，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，效果良好。