步进电机可靠性测试仪的研制

1、测试技术与 检测设备步进电机可靠性测试仪的研制苏红娟 , 傅桂荣(上海交通大学工程训练中心 , 上海 200 030 )摘 要 : 叙述了具有工作稳定 、测试准确和便于操作的步进电机可靠性测试系统的硬件系统构成及软件的编制等工作 。经实际工作证明达到全部设计要求 。关键词 : 步进电机 ; 可靠性测试 ; 掉电保护中图分类号 : TM 306 TM 383. 6 文献标识码 : A 文章编号 : 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 言对步进电机进行可靠性测试 ,是步进电机质 量检测的重要环节。本文讨论的步进电机可靠性 测试仪以飞利浦公司出品的 P89C662 为核心研 制 而 成 。 P89C662 单 片 机 可 提 供 脉 宽 调 制 ( PWM ) 、高速 I/O

4、 口、加减计数等方面的功能 ,便 于研制稳定 、易用的步进电机可靠性测试仪。1 步进电机测试仪的硬件构成步进电机测试仪的系统构成如图 1 所示 ,主 要 由控制器局域网 ( CAN ) 和 485通信模块 、掉图 1 步进电机测试仪系统构成框图电保护模块、可编程逻辑器件 ( PLD ) 与时序控制模块、人机交互模块 、步进电机驱动信号输出模 块 、AD 采样模块、电机驱动模块等组成 。1. 1 CA N通信模块通信模块实现测试仪与上位机 PC 的通信 ,将测试过程中得到的数据存入上位机 PC ,便于日 后的管理和使用。本测试仪内置了 CAN 和 485两种通信方式。CAN 是主要用于各种设备检

5、测及控制的一种现场总线 。CAN 总线最初是由德 国 Bo sch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。 CAN 总线具有独特的设计思想、良好的功能特性 ,其结构简单、通信方式灵活、通信距离长 、可靠 性高 、现场抗干扰能力强 ,已广泛应用于现场控制 中 。为了实现 CAN 通信功能 ,采用飞利浦公司的 SJA 1000芯片 。该芯片功能强大 , 只需少量的外 围设备 ,硬件上即可实现。CAN 通信方式的硬件 原理如图 2所示 。1. 2 掉电保护模块步进电机做可靠性试验时 ,根据实际的要求 ,有较多的参数需要设置。如果每一次测试时都需 要设置测试参数 ,将给用户的测试使用带来很大不便 , 因

6、此 需 要 将 上 一 次 测 试 的 参 数 设 置保 存下来 , 便于下次测试时使用 。M 2 4 C 0 2是 ST图 2CAN 通信专用芯片 SJA1000外围电路公司出品的一种使用 I2 C 通信协议的 EEPROM , 和 89C662单片机只需要 3个 I / O口就可以完成 系统所需要的掉电保护功能 ,方便测试 。1. 3 人机交互模块人机交互模块包括液晶显示 (LCD )和键盘输 入两部分 。使用的液晶是香港精电公司的字符型 液晶显示模块 MDL S40468R1 ,能够显示 4 ×20 个 字符。利用 5 个按键 (一键多用 ) 的输入功能和LCD 的实时显示 ,

7、可以进行两级菜单操作和测试 数据的显示 。1. 4 控制信号输出和驱动模块步进电机的控制信号输出模块用于产生步进 电机的控制信号。将该控制信号送入步进电机驱 动电路 ,即可驱动步进电机。步进电机控制信号包括输出使能 (禁止或允许步进电机驱动电路输 出驱动信号 ) 、正反转控制信号、驱动脉冲控制信号 等。CPU 的输入输出端均采用了光耦隔离 ,以防止 外电路对 CPU 的干扰 ,从而提高系统的稳定性。步进 电 机 驱 动 模 块 为 双 极 性 脉 宽 调 制( PWM )恒流载波驱动、半步运行 ,适合 0. 5 2. 8A 的二相 /四相混合式 (永磁式 ) 步进电机 ; 电流 调节由驱动器中

8、间的电位调整 ,同时还有过热保 护等保护功能。把步进电机控制信号输入相应的 输入引脚 ,即可驱动永磁式步进电机 ;在编程中采用相应的控制策略 ,即可满足可靠性测试的要求。1. 5 AD 采样模块步进电机可靠性测试仪运行过程中 ,根据可 靠性测试的要求 ,需要测试步进电机的驱动电压 和最小线性伸长力。同时 ,为了检验 AD 采样模块工作是否正常 ,在测试仪开机自检时将一个标准电压送入 AD 采样模块的一个通道 ,根据检测 到的数值来判断 AD 采样模块工作是否正常。因 此共有 3 个采样信号需要采集。 TLC1549 是 T I公司出品的一个具有 10位采样精度的芯片 ,具有 串 行 通 信 功

9、 能 , 只 要 3 个 I/O 口 就 可 以 和 P89C662 进行通信 , 将 AD 采样的 数据 传递到 P89C662 中。由于有 3 个采样信号 , 因此采用 CD 4051芯片来切换不同的采样通道。CD 4051 是一个模拟开关 ,一共可以输入 8 个不同的模拟信 号 ,只要输入不同的通道选择信号 ,即可以选择哪 个输入通道作为 CD4051 的输出。CD4051 具有 内阻小、切换速度快等特点 。在 CD 4051 之后接 一个电压跟随器 ,可以保证输出的精度 。以上述 两个元件为核心 ,即可以构成 AD 采样模块。AD采样模块的硬件构成如图 3所示。图 3AD 采样外围电路

10、构成1. 6 PLD 逻辑与时序控制模块PLD 能够完成任何数字逻辑器件的功能 ,通 过原理图输入法或是硬件描述语言 ,均可以成功 设计一个数字逻辑系统。通过软件仿真 ,可以事先验证设计的正确性 。在印刷电路板完成以后 ,还可以利用 PLD 的在线编程能力 ,随时修改逻辑 55 关系而不必更改硬件电路。由于单片机的输入输 出端口有限 , 系统又需要较多的控制信号 , 利用 PLD 来开发本测试系统 ,可以方便扩展控制信号 , 大大缩短设计时间 ,减少印刷电路板面积 ,提高系 统的可靠性和灵活性 。本测试仪中使用的 PLD 为 LA TT ICE公司的 M 4A 5 232 /32 25VC。2

11、 软件编制基于上述硬件构成和测试仪功能的要求 ,软 件编制采用了模块化的设计思路 , 便于调试和 维护。2. 1 初始化过程步进电机测试仪启动以后 , CPU 的寄存器、 输入输出端口、定时器等都是缺省值 ,需要根据实际运行的需要进行设置 。因此初始化过程非常重要。只有正确的初始化才能继续执行后面的操 作。2. 2 菜单操作和显示模块整个系统的运行基于菜单操作 ,人机交互性 好 ,使用方便。按键用于根据 LCD 的显示内容选 择要进行的操作。软件不断扫描键盘的输入值 , 同时 LCD 上根据不同状态和工作阶段以及按键 的输入实时显示相应的内容。用户则根据 LCD 的显示内容上下移动光标 ,并用

12、键盘选择相应的 操作。通过这样的人机交互 ,完全可以实现步进 电机的可靠性测试。2. 3 步进电机驱动信号输出由于 P89C662芯片的 I/O 口数量有限 ,同时 为了防止 CPU 复位时 I/O 端口的复位过程中可能的误输出 ,本系统采用了 PLD 的端口作为步进电机驱动信号的输出端口。由于可靠性测试过程 中 ,对步进电机的运行过程和状态有严格的要求 , 因此需要根据可靠性测试的要求来提供不同的控 制策略 ,控制步进电机的运行状态。2. 4 AD 采样模块测试仪运行时 ,需要根据系统不同运行时期 的需要 ,来控制 AD 采样 。首先要控制 CD4051模 拟开关的状态 ,包括使能信号 、不

13、同模拟通道的选 择信号的控制等 ; 其次是根据 TLC1549 芯片串行通信的定义 , 利用 89C662 的三个输入输出端口 P1. 0 , P1. 1 , P1. 2 来和 TLC1549 进行通信 , 完成 AD 采样。2. 5 通信模块通信为 CAN 总线通信方式。CAN 总线为多 主工作方式 ,网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息 ,不分主从 ,通信方 式灵活 ,且无需占地址等节点信息。为禁止总线 冲突 , CAN 总线采用非破坏性总线仲裁技术 , 根 据需要将各个节点设定为不同的优先级 ,并以标 志符 ID 标定。其值越小 ,优先级越高。在本系统的实际应用中 ,

14、上位机 PC 负责整个网络 ,向各个 步进电机测试仪发送各种控制命令 ; 各个步进电 机测试仪按照来自上位机 PC 的命令进行相应的 操作 。上位机 PC 可以选择任意一个步进电机测 试仪交换数据信息。任一步进电机测试仪一旦被选中 ,即可以接收来自上位机 PC 的信息 ,也可以 依据测试仪自己的命令向上位机 PC 回送信息。 当某一步进电机测试仪发生故障时 ,可以主动向 上位机 PC 发送有关自己的信息。任一测试仪与 上位机 PC 交换信息时 , 必须带上本测试仪的地址信息。2. 6 掉电保护模块M 24C02 是一种使用 I2 C 通信协议的 EEP2ROM。根据 I2 C通信协议的定义和时序关系 ,利 用 89C662 的 3 个端口 P1. 5 , P1. 6 , P1. 7 来模拟I2 C通信所需要的波形和时序 , 从而产生必须的ACK、NO T ACK、STO P 等 信号 , 完成 89C662 和24C02的通信 , 将需要保存的参数存入 M 24C02或者将存入的参数读出 ,以便进行测试和设置。3 结 语通过对上述硬件系统和软件构思的实现 ,完 成了步进电机可靠性测试仪的