??? 摘 要： 著重研究用于汽車天窗馬達" title="天窗馬達">天窗馬達裝配和檢測的集成系統，從系統需要實現的功能著手，根據功能分析了系統的整體結構和硬件的選取。重點介紹了核心部分模擬負載部分的實現原理，簡要介紹了系統軟件的構成，數據的分析處理。
??? 關鍵詞： LabVIEW;? 數據采集" title="數據采集">數據采集;? PID控制;? 拉壓力傳感器
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??? 汽車天窗馬達作為車頂天窗的運動控制的核心部件，其生產和質量的檢測是保證天窗是否完好的最重要步驟。目前，國內使用的設備絕大部分都是國外進口的，不僅價格非常昂貴，而且不能擁有自主知識產權。因此，自主開發將具有深遠的意義。Webasto車頂供暖系統有限公司是全球著名的專業車頂供暖系統設備商之一，本系統設備是為Webasto上海有限公司設計開發的。與常用的檢測扭矩的設備裝置不同，該系統采用拉壓力傳感器" title="拉壓力傳感器">拉壓力傳感器來檢測控制扭矩的大小，使得系統結構緊湊精巧。同時操作簡單，測試過程自動完成。
1 系統簡介
本系統集裝配、通信、模擬和檢測于一體。系統主要由運動控制、負載模擬和數據采集三部分組成。其中負載模擬是為了模擬天窗馬達的實際工作情況：當馬達帶動軸運轉時，磁粉制動器產生一定的扭矩（通過拉壓力傳感器的反饋而得到扭矩）來模擬馬達負載，并實時監測速度、轉距、扭矩、電流等各項指標參數。這需要實現多輸入輸出信號的集成控制和采集，涉及到多功能數據采集卡、信號調理卡、磁粉制動器、拉壓力傳感器、轉速/轉距傳感器以及電流電壓傳感器等硬件。鑒于虛擬儀器技術在數據處理和信號操作中的優勢以及直觀仿真的用戶界面的特點，以LabVIEW作為開發工具，設計的測試控制系統高度集成，穩定可靠，具有友好、直觀的用戶界面。測試時操作簡單，自動化程度高，并且對馬達的質量判定指標能同步生成數據庫記錄和實時圖形顯示，便于隨時查詢采集結果。
2 系統功能
待測天窗馬達放到支撐夾具上，夾具上有三個圓柱定位銷，與馬達三個定位孔一致，馬達旋轉齒輪與支撐夾具齒輪座相吻合，確保馬達在支撐夾具上放置平穩；ECU(電子控制單元)放到裝配馬達上面，手按自動測試開始按鈕，放置馬達與ECU的夾具進入測試裝置內，到達正確位置后，三個下壓氣缸自動下壓，使ECU夾緊卡片進入馬達鎖緊卡扣內，通過傳感器檢測三個卡片到位，并且能檢測是否斷裂、損壞；對馬達進行自動檢測，完成自動檢測后，支撐夾具退出回到原位。
所有測試動作都可以進行分步、單獨操作，通過選擇手動/自動切換按鈕完成。自動檢測步驟如下：
①進行短路檢測（檢查馬達與ECU內部金屬連接處是否有短路）;
②讀取ID數據并判斷所檢測ECU軟件、硬件版本是否與所用參數文件一致;
③測試馬達接地是否完好;
④從參數文件中自動讀取參數并寫入ECU；
⑤測試所寫參數是否與參數文件中參數一致;
⑥帶動馬達向前后各旋轉4圈（在旋轉過程中測試平均運行電流、齒輪圓周位移、齒輪轉速是否在規定公差范圍內），判斷檢測是否合格。
在自動測試過程中發生以下現象為檢測不合格：
①短路檢測不合格；
②ECU硬件或軟件版本與參數文件不一致；
③測試馬達接地不合格；
④所寫入參數文件與提供參數文件不一致；
⑤旋轉測試中馬達旋轉運行平均電流（去除開啟瞬間電流）、平均轉速或齒輪位移超過設定標準。
產品檢測合格，在顯示屏上自動顯示綠色合格圖標，并自動打印合格標簽，標簽上包括所裝配ECU信息（軟件版本、硬件版本、ID數據、產品名稱、生產日期、產品序列號等）。產品檢測不合格，在顯示屏上自動顯示紅色不合格圖標，并有不合格原因描述，自動打印不合格標簽，標簽上有不合格原因描述。
3 系統設計
3．1 硬件選擇
此測試系統用于檢測天窗馬達生產線的設計，待測馬達為直流電源供電，測試要求輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓－16V～+16V(精度±0.1V)，輸出電流0～30A(精度±0.01A)，扭矩在0～10Nm(精度±0.1Nm)，轉動位移為4轉(精度±0.1mm)，轉速在300r/min以內。根據上述測試要求，選用了SM1540可編程電源作為馬達供電電源，ZX-1.2YN-24#磁粉制動器作為模擬負載，PCI－9112采集卡、H58編碼器、XFTC－101－M5M等傳感器以及信號調理模塊構成數據采集模塊。系統硬件原理結構如圖1所示。
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PCI－1762工業數字I/O板卡模擬0/12V 開關信號，有8路輸出。馬達接口共有10針腳，2個用于電源供電，1個是Webasto通信專用接口，1個授權接口，其余各針腳雖然不同型號的電機馬達定義各不相同，但是都是開關量信號，用于控制馬達的轉動角度。故馬達轉過的距離由驅動電源和PCI－1762共同來控制。磁粉制動器的輸出扭矩在本系統中與激勵電流有很好的線性關系，通過數據采集卡的模擬輸出通道傳遞電壓給驅動電路，驅動電路把電壓控制轉化并且放大為電流，用來控制磁粉制動器的輸出。檢測系統信號如轉速、轉距、電流等由相應的傳感器經過隔離變送后輸入到A/D。
3.2 負載模擬
負載模擬部分是測試系統的核心部分。圖2所示是負載模擬機構圖。
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該系統通過磁粉制動器模擬天窗負載，磁粉制動器的控制實現如下。
從相關文獻中，可以得到磁粉制動器的典型的傳遞函數為[1]：
式中：KM為扭矩與電流的增益；TN為扭矩過渡時間常數；τ為磁粉制動器滯后時間。
連續函數信號經過采樣開關后，其斷續信號頻譜中除了主頻譜分量外，會有附加頻譜分量，它們在系統中將起相當于高頻干擾信號的作用。為了去除這些高頻分量對系統輸出的影響，需要應用低通濾波器。通常應用中起低通濾波作用的是各階保持電路或保持器" title="保持器">保持器。零階保持器是最常用的一種保持器，它把采樣時刻的采樣值恒定不變地保持（或外推）到下一采樣時刻。也就是說，在t∈[nT,(n+1)T]區間內，零階保持器的輸出值一直保持為X(nT)。如圖3所示，零階保持器的輸出Xh(t)為階梯信號。
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根據Xh(kT)=x(kT)，（k=0,1,2,…）,Xh(t)與連續輸入信號x(t)之間的關系式
?? Xh(t)的拉式變換為:
比較式(3)與式(2)，可得零階保持器的傳遞函數為:
信號通過零階保持器有滯后相移，而且頻率成正比提高。所以保持器的引入，不利于閉環采樣系統的穩定性。負載模擬控制系統的整個系統模型如圖4所示。
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對整個系統而言，輸入量為電流I(s),輸出量為力矩N(s)。假設I(s)為幅值是30的階躍函數，在Matlab中可用命令ones等效任意寬度的單位階躍激勵。靜態誤差e(s)＝I(s)－N(s)，作為PID控制器的輸入。
在Kp＝1，Ki=Kd=0，無PID控制的情況下，取采樣周期T＝0.1s，系統的階躍響應如圖5所示。引入PID控制后，系統的階躍響應如圖6。
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由以上的仿真可見，引入PID控制，可以很好地改善制動器的曲線特性。
力傳感器兩端分別用螺紋與工作臺和連接件固定。傳感器兩端只受到水平力的作用。根據靜力平衡條件求出力的大小，選擇力傳感器的型號。
傳感器的信號實現原理如圖7所示。
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傳感元件由貼在圓筒內壁上的電橋電路構成。彈性體受力變形，導致電橋電路的半導體壓敏電阻R1、R2、R3、R4發生變化。
? 在圖7中，電橋電阻R1、R3 具有正增量，電阻R2、R4 具有負增量，當各個橋臂電阻相同且值為R時，公式簡化為：
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??? 從上式得知，電橋輸出電壓VO與輸入電壓Vin成正比關系，Vin是恒定電壓。當電橋受壓力時，電橋電阻發生變化電橋失去平衡，即輸出電壓分別與電流和壓敏電阻相關；當給定恒定電流Ip時，輸出電壓VO僅僅隨壓敏電阻變化而改變。得到線性化的輸入輸出關系。
??? 由于傳感器輸出的電壓信號較低，其輸出阻抗很高,所以需要放大電路。
3．3 數據采集[2]和處理
軟件系統啟動時首先需要連接ACCESS數據庫[3]，進行初始化操作，數據庫操作成功后，會顯示如圖8的操作界面。操作者只要選擇所需測試的型號就可以進入數據采集處理軟件主界面。
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??? 對ECU通信進行軟硬件版本驗證、讀取序列號、參數寫入與讀出等實現過程，詳見參考文獻[4]。圖9為進行數據采集處理的VI子框圖程序的部分截圖。
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3．4 實驗結果
??? 測試結果保存在ACCESS結果表中，其中包括測試日期、時間、馬達序列號、馬達型號、所有測試參數或測試不合格描述。對所有異常測試情況進行統計并以ACCESS方式保存在指定路徑下，其中包括測試日期、時間、馬達序列號、馬達型號、測試不合格描述、異常情況記錄。圖10為保存在數據庫中的文本數據，圖11為圖形化實時生成數據圖[5]。
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整個檢測系統開發涉及到多個物理量的控制和數據記錄、處理及存儲，結合虛擬儀器技術，采用圖形化的編程開發平臺構建出了本測試系統。由于舍棄了傳統的控制扭矩的方法，采用了力傳感器來反饋模擬負載，使得本設備的體積小，重量輕。
系統的開發不僅可以加快汽車天窗馬達檢測系統國產化的速度，自主掌握核心技術，降低了成本，而且對于國內汽車電子行業的發展具有深遠的意義。
參考文獻
[1] ?ANG K H, CHONG G, LI Y. PID?Control System Analysis, Design, and??Technoloy[J]. IEEE Trans-actions On?Control Systems Technology. 2005,13(4):559-576.
[2] ?雷振山. LabVIEW 7 Express實用技術教程. 北京：中國鐵道出版社,2004.
[3] ?求是科技.Access 2002 數據庫開發技術與工程實踐.北京：人民郵電出版社, 2004.
[4] ?李華剛, 殷躍紅, 徐文超,等.基于K線的汽車天窗馬達ECU通訊系統的設計.電子技術應用, 2007，33(1):77-80.
[5] ?BISHOP R H. LabVIEW 7實用教程. 喬瑞萍， 林欣譯.北京：電子工業出版社, 2006.