步進(jìn)電機(jī)可靠性測(cè)試儀的研制

1、測(cè)試技術(shù)與 檢測(cè)設(shè)備步進(jìn)電機(jī)可靠性測(cè)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(cè)試準(zhǔn)確和便于操作的步進(jìn)電機(jī)可靠性測(cè)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(shí)際工作證明達(dá)到全部設(shè)計(jì)要求 。關(guān)鍵詞 : 步進(jìn)電機(jī) ; 可靠性測(cè)試 ; 掉電保護(hù)中圖分類(lèi)號(hào) : TM 306 TM 383. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行可靠性測(cè)試 ,是步進(jìn)電機(jī)質(zhì) 量檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)。本文討論的步進(jìn)電機(jī)可靠性 測(cè)試儀以飛利浦公司出品的 P89C662 為核心研 制 而 成 。 P89C662 單 片 機(jī) 可 提 供 脈 寬 調(diào) 制 ( PWM ) 、高速 I/O

4、 口、加減計(jì)數(shù)等方面的功能 ,便 于研制穩(wěn)定 、易用的步進(jìn)電機(jī)可靠性測(cè)試儀。1 步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀的硬件構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)測(cè)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(jìn)電機(jī)測(cè)試儀系統(tǒng)構(gòu)成框圖電保護(hù)模塊、可編程邏輯器件 ( PLD ) 與時(shí)序控制模塊、人機(jī)交互模塊 、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模 塊 、AD 采樣模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成 。1. 1 CA N通信模塊通信模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀與上位機(jī) PC 的通信 ,將測(cè)試過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)存入上位機(jī) PC ,便于日 后的管理和使用。本測(cè)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(cè)及控制的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) 。CAN 總線(xiàn)最初是由德 國(guó) Bo sch公司為汽車(chē)的檢測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。 CAN 總線(xiàn)具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想、良好的功能特性 ,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信方式靈活、通信距離長(zhǎng) 、可靠 性高 、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng) ,已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制 中 。為了實(shí)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(qiáng)大 , 只需少量的外 圍設(shè)備 ,硬件上即可實(shí)現(xiàn)。CAN 通信方式的硬件 原理如圖 2所示 。1. 2 掉電保護(hù)模塊步進(jìn)電機(jī)做可靠性試驗(yàn)時(shí) ,根據(jù)實(shí)際的要求 ,有較多的參數(shù)需要設(shè)置。如果每一次測(cè)試時(shí)都需 要設(shè)置測(cè)試參數(shù) ,將給用戶(hù)的測(cè)試使用帶來(lái)很大不便 , 因

6、此 需 要 將 上 一 次 測(cè) 試 的 參 數(shù) 設(shè) 置保 存下來(lái) , 便于下次測(cè)試時(shí)使用 。M 2 4 C 0 2是 ST圖 2CAN 通信專(zhuān)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(jī)只需要 3個(gè) I / O口就可以完成 系統(tǒng)所需要的掉電保護(hù)功能 ,方便測(cè)試 。1. 3 人機(jī)交互模塊人機(jī)交互模塊包括液晶顯示 (LCD )和鍵盤(pán)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(gè) 字符。利用 5 個(gè)按鍵 (一鍵多用 ) 的輸入功能和LCD 的實(shí)時(shí)顯示 ,

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

8、間的電位調(diào)整 ,同時(shí)還有過(guò)熱保 護(hù)等保護(hù)功能。把步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸入相應(yīng)的 輸入引腳 ,即可驅(qū)動(dòng)永磁式步進(jìn)電機(jī) ;在編程中采用相應(yīng)的控制策略 ,即可滿(mǎn)足可靠性測(cè)試的要求。1. 5 AD 采樣模塊步進(jìn)電機(jī)可靠性測(cè)試儀運(yùn)行過(guò)程中 ,根據(jù)可 靠性測(cè)試的要求 ,需要測(cè)試步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓 和最小線(xiàn)性伸長(zhǎng)力。同時(shí) ,為了檢驗(yàn) AD 采樣模塊工作是否正常 ,在測(cè)試儀開(kāi)機(jī)自檢時(shí)將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓送入 AD 采樣模塊的一個(gè)通道 ,根據(jù)檢測(cè) 到的數(shù)值來(lái)判斷 AD 采樣模塊工作是否正常。因 此共有 3 個(gè)采樣信號(hào)需要采集。 TLC1549 是 T I公司出品的一個(gè)具有 10位采樣精度的芯片 ,具有 串 行 通 信 功

9、 能 , 只 要 3 個(gè) I/O 口 就 可 以 和 P89C662 進(jìn)行通信 , 將 AD 采樣的 數(shù)據(jù) 傳遞到 P89C662 中。由于有 3 個(gè)采樣信號(hào) , 因此采用 CD 4051芯片來(lái)切換不同的采樣通道。CD 4051 是一個(gè)模擬開(kāi)關(guān) ,一共可以輸入 8 個(gè)不同的模擬信 號(hào) ,只要輸入不同的通道選擇信號(hào) ,即可以選擇哪 個(gè)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(diǎn) 。在 CD 4051 之后接 一個(gè)電壓跟隨器 ,可以保證輸出的精度 。以上述 兩個(gè)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(shí)序控制模塊PLD 能夠完成任何數(shù)字邏輯器件的功能 ,通 過(guò)原理圖輸入法或是硬件描述語(yǔ)言 ,均可以成功 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字邏輯系統(tǒng)。通過(guò)軟件仿真 ,可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性 。在印刷電路板完成以后 ,還可以利用 PLD 的在線(xiàn)編程能力 ,隨時(shí)修改邏輯 55 關(guān)系而不必更改硬件電路。由于單片機(jī)的輸入輸 出端口有限 , 系統(tǒng)又需要較多的控制信號(hào) , 利用 PLD 來(lái)開(kāi)發(fā)本測(cè)試系統(tǒng) ,可以方便擴(kuò)展控制信號(hào) , 大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)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(cè)試儀功能的要求 ,軟 件編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路 , 便于調(diào)試和 維護(hù)。2. 1 初始化過(guò)程步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀啟動(dòng)以后 , CPU 的寄存器、 輸入輸出端口、定時(shí)器等都是缺省值 ,需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的需要進(jìn)行設(shè)置 。因此初始化過(guò)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行基于菜單操作 ,人機(jī)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(jìn)行的操作。軟件不斷掃描鍵盤(pán)的輸入值 , 同時(shí) LCD 上根據(jù)不同狀態(tài)和工作階段以及按鍵 的輸入實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的內(nèi)容。用戶(hù)則根據(jù) LCD 的顯示內(nèi)容上下移動(dòng)光標(biāo) ,并用

12、鍵盤(pán)選擇相應(yīng)的 操作。通過(guò)這樣的人機(jī)交互 ,完全可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn) 電機(jī)的可靠性測(cè)試。2. 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出由于 P89C662芯片的 I/O 口數(shù)量有限 ,同時(shí) 為了防止 CPU 復(fù)位時(shí) I/O 端口的復(fù)位過(guò)程中可能的誤輸出 ,本系統(tǒng)采用了 PLD 的端口作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出端口。由于可靠性測(cè)試過(guò)程 中 ,對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程和狀態(tài)有嚴(yán)格的要求 , 因此需要根據(jù)可靠性測(cè)試的要求來(lái)提供不同的控 制策略 ,控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。2. 4 AD 采樣模塊測(cè)試儀運(yùn)行時(shí) ,需要根據(jù)系統(tǒng)不同運(yùn)行時(shí)期 的需要 ,來(lái)控制 AD 采樣 。首先要控制 CD4051模 擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài) ,包括使能信號(hào) 、不

13、同模擬通道的選 擇信號(hào)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(gè)輸入輸出端口 P1. 0 , P1. 1 , P1. 2 來(lái)和 TLC1549 進(jìn)行通信 , 完成 AD 采樣。2. 5 通信模塊通信為 CAN 總線(xiàn)通信方式。CAN 總線(xiàn)為多 主工作方式 ,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息 ,不分主從 ,通信方 式靈活 ,且無(wú)需占地址等節(jié)點(diǎn)信息。為禁止總線(xiàn) 沖突 , CAN 總線(xiàn)采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù) , 根 據(jù)需要將各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為不同的優(yōu)先級(jí) ,并以標(biāo) 志符 ID 標(biāo)定。其值越小 ,優(yōu)先級(jí)越高。在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中 ,

14、上位機(jī) PC 負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò) ,向各個(gè) 步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀發(fā)送各種控制命令 ; 各個(gè)步進(jìn)電 機(jī)測(cè)試儀按照來(lái)自上位機(jī) PC 的命令進(jìn)行相應(yīng)的 操作 。上位機(jī) PC 可以選擇任意一個(gè)步進(jìn)電機(jī)測(cè) 試儀交換數(shù)據(jù)信息。任一步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀一旦被選中 ,即可以接收來(lái)自上位機(jī) PC 的信息 ,也可以 依據(jù)測(cè)試儀自己的命令向上位機(jī) PC 回送信息。 當(dāng)某一步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀發(fā)生故障時(shí) ,可以主動(dòng)向 上位機(jī) PC 發(fā)送有關(guān)自己的信息。任一測(cè)試儀與 上位機(jī) PC 交換信息時(shí) , 必須帶上本測(cè)試儀的地址信息。2. 6 掉電保護(hù)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(shí)序關(guān)系 ,利 用 89C662 的 3 個(gè)端口 P1. 5 , P1. 6 , P1. 7 來(lái)模擬I2 C通信所需要的波形和時(shí)序 , 從而產(chǎn)生必須的ACK、NO T ACK、STO P 等 信號(hào) , 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(jìn)行測(cè)試和設(shè)置。3 結(jié) 語(yǔ)通過(guò)對(duì)上述硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)思的實(shí)現(xiàn) ,完 成了步進(jìn)電機(jī)可靠性測(cè)試儀的