1、測試技術與 檢測設備步進電機可靠性測試儀的研制蘇紅娟 , 傅桂榮(上海交通大學工程訓練中心 , 上海 200 030 )摘 要 : 敘述了具有工作穩定 、測試準確和便于操作的步進電機可靠性測試系統的硬件系統構成及軟件的編制等工作 。經實際工作證明達到全部設計要求 。關鍵詞 : 步進電機 ; 可靠性測試 ; 掉電保護中圖分類號 : TM 306 TM 383. 6 文獻標識碼 : A 文章編號 : 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 言對步進電機進行可靠性測試 ,是步進電機質 量檢測的重要環節。本文討論的步進電機可靠性 測試儀以飛利浦公司出品的 P89C662 為核心研 制 而 成 。 P89C662 單 片 機 可 提 供 脈 寬 調 制 ( PWM ) 、高速 I/O

4、 口、加減計數等方面的功能 ,便 于研制穩定 、易用的步進電機可靠性測試儀。1 步進電機測試儀的硬件構成步進電機測試儀的系統構成如圖 1 所示 ,主 要 由控制器局域網 ( CAN ) 和 485通信模塊 、掉圖 1 步進電機測試儀系統構成框圖電保護模塊、可編程邏輯器件 ( PLD ) 與時序控制模塊、人機交互模塊 、步進電機驅動信號輸出模 塊 、AD 采樣模塊、電機驅動模塊等組成 。1. 1 CA N通信模塊通信模塊實現測試儀與上位機 PC 的通信 ,將測試過程中得到的數據存入上位機 PC ,便于日 后的管理和使用。本測試儀內置了 CAN 和 485兩種通信方式。CAN 是主要用于各種設備檢

5、測及控制的一種現場總線 。CAN 總線最初是由德 國 Bo sch公司為汽車的檢測、控制系統而設計的。 CAN 總線具有獨特的設計思想、良好的功能特性 ,其結構簡單、通信方式靈活、通信距離長 、可靠 性高 、現場抗干擾能力強 ,已廣泛應用于現場控制 中 。為了實現 CAN 通信功能 ,采用飛利浦公司的 SJA 1000芯片 。該芯片功能強大 , 只需少量的外 圍設備 ,硬件上即可實現。CAN 通信方式的硬件 原理如圖 2所示 。1. 2 掉電保護模塊步進電機做可靠性試驗時 ,根據實際的要求 ,有較多的參數需要設置。如果每一次測試時都需 要設置測試參數 ,將給用戶的測試使用帶來很大不便 , 因

6、此 需 要 將 上 一 次 測 試 的 參 數 設 置保 存下來 , 便于下次測試時使用 。M 2 4 C 0 2是 ST圖 2CAN 通信專用芯片 SJA1000外圍電路公司出品的一種使用 I2 C 通信協議的 EEPROM , 和 89C662單片機只需要 3個 I / O口就可以完成 系統所需要的掉電保護功能 ,方便測試 。1. 3 人機交互模塊人機交互模塊包括液晶顯示 (LCD )和鍵盤輸 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 字符。利用 5 個按鍵 (一鍵多用 ) 的輸入功能和LCD 的實時顯示 ,

7、可以進行兩級菜單操作和測試 數據的顯示 。1. 4 控制信號輸出和驅動模塊步進電機的控制信號輸出模塊用于產生步進 電機的控制信號。將該控制信號送入步進電機驅 動電路 ,即可驅動步進電機。步進電機控制信號包括輸出使能 (禁止或允許步進電機驅動電路輸 出驅動信號 ) 、正反轉控制信號、驅動脈沖控制信號 等。CPU 的輸入輸出端均采用了光耦隔離 ,以防止 外電路對 CPU 的干擾 ,從而提高系統的穩定性。步進 電 機 驅 動 模 塊 為 雙 極 性 脈 寬 調 制( PWM )恒流載波驅動、半步運行 ,適合 0. 5 2. 8A 的二相 /四相混合式 (永磁式 ) 步進電機 ; 電流 調節由驅動器中

8、間的電位調整 ,同時還有過熱保 護等保護功能。把步進電機控制信號輸入相應的 輸入引腳 ,即可驅動永磁式步進電機 ;在編程中采用相應的控制策略 ,即可滿足可靠性測試的要求。1. 5 AD 采樣模塊步進電機可靠性測試儀運行過程中 ,根據可 靠性測試的要求 ,需要測試步進電機的驅動電壓 和最小線性伸長力。同時 ,為了檢驗 AD 采樣模塊工作是否正常 ,在測試儀開機自檢時將一個標準電壓送入 AD 采樣模塊的一個通道 ,根據檢測 到的數值來判斷 AD 采樣模塊工作是否正常。因 此共有 3 個采樣信號需要采集。 TLC1549 是 T I公司出品的一個具有 10位采樣精度的芯片 ,具有 串 行 通 信 功

9、 能 , 只 要 3 個 I/O 口 就 可 以 和 P89C662 進行通信 , 將 AD 采樣的 數據 傳遞到 P89C662 中。由于有 3 個采樣信號 , 因此采用 CD 4051芯片來切換不同的采樣通道。CD 4051 是一個模擬開關 ,一共可以輸入 8 個不同的模擬信 號 ,只要輸入不同的通道選擇信號 ,即可以選擇哪 個輸入通道作為 CD4051 的輸出。CD4051 具有 內阻小、切換速度快等特點 。在 CD 4051 之后接 一個電壓跟隨器 ,可以保證輸出的精度 。以上述 兩個元件為核心 ,即可以構成 AD 采樣模塊。AD采樣模塊的硬件構成如圖 3所示。圖 3AD 采樣外圍電路

10、構成1. 6 PLD 邏輯與時序控制模塊PLD 能夠完成任何數字邏輯器件的功能 ,通 過原理圖輸入法或是硬件描述語言 ,均可以成功 設計一個數字邏輯系統。通過軟件仿真 ,可以事先驗證設計的正確性 。在印刷電路板完成以后 ,還可以利用 PLD 的在線編程能力 ,隨時修改邏輯 55 關系而不必更改硬件電路。由于單片機的輸入輸 出端口有限 , 系統又需要較多的控制信號 , 利用 PLD 來開發本測試系統 ,可以方便擴展控制信號 , 大大縮短設計時間 ,減少印刷電路板面積 ,提高系 統的可靠性和靈活性 。本測試儀中使用的 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成和測試儀功能的要求 ,軟 件編制采用了模塊化的設計思路 , 便于調試和 維護。2. 1 初始化過程步進電機測試儀啟動以后 , CPU 的寄存器、 輸入輸出端口、定時器等都是缺省值 ,需要根據實際運行的需要進行設置 。因此初始化過程非常重要。只有正確的初始化才能繼續執行后面的操 作。2. 2 菜單操作和顯示模塊整個系統的運行基于菜單操作 ,人機交互性 好 ,使用方便。按鍵用于根據 LCD 的顯示內容選 擇要進行的操作。軟件不斷掃描鍵盤的輸入值 , 同時 LCD 上根據不同狀態和工作階段以及按鍵 的輸入實時顯示相應的內容。用戶則根據 LCD 的顯示內容上下移動光標 ,并用

12、鍵盤選擇相應的 操作。通過這樣的人機交互 ,完全可以實現步進 電機的可靠性測試。2. 3 步進電機驅動信號輸出由于 P89C662芯片的 I/O 口數量有限 ,同時 為了防止 CPU 復位時 I/O 端口的復位過程中可能的誤輸出 ,本系統采用了 PLD 的端口作為步進電機驅動信號的輸出端口。由于可靠性測試過程 中 ,對步進電機的運行過程和狀態有嚴格的要求 , 因此需要根據可靠性測試的要求來提供不同的控 制策略 ,控制步進電機的運行狀態。2. 4 AD 采樣模塊測試儀運行時 ,需要根據系統不同運行時期 的需要 ,來控制 AD 采樣 。首先要控制 CD4051模 擬開關的狀態 ,包括使能信號 、不

13、同模擬通道的選 擇信號的控制等 ; 其次是根據 TLC1549 芯片串行通信的定義 , 利用 89C662 的三個輸入輸出端口 P1. 0 , P1. 1 , P1. 2 來和 TLC1549 進行通信 , 完成 AD 采樣。2. 5 通信模塊通信為 CAN 總線通信方式。CAN 總線為多 主工作方式 ,網絡上任一節點均可在任意時刻主動向網絡上其它節點發送信息 ,不分主從 ,通信方 式靈活 ,且無需占地址等節點信息。為禁止總線 沖突 , CAN 總線采用非破壞性總線仲裁技術 , 根 據需要將各個節點設定為不同的優先級 ,并以標 志符 ID 標定。其值越小 ,優先級越高。在本系統的實際應用中 ,

14、上位機 PC 負責整個網絡 ,向各個 步進電機測試儀發送各種控制命令 ; 各個步進電 機測試儀按照來自上位機 PC 的命令進行相應的 操作 。上位機 PC 可以選擇任意一個步進電機測 試儀交換數據信息。任一步進電機測試儀一旦被選中 ,即可以接收來自上位機 PC 的信息 ,也可以 依據測試儀自己的命令向上位機 PC 回送信息。 當某一步進電機測試儀發生故障時 ,可以主動向 上位機 PC 發送有關自己的信息。任一測試儀與 上位機 PC 交換信息時 , 必須帶上本測試儀的地址信息。2. 6 掉電保護模塊M 24C02 是一種使用 I2 C 通信協議的 EEP2ROM。根據 I2 C通信協議的定義和時序關系 ,利 用 89C662 的 3 個端口 P1. 5 , P1. 6 , P1. 7 來模擬I2 C通信所需要的波形和時序 , 從而產生必須的ACK、NO T ACK、STO P 等 信號 , 完成 89C662 和24C02的通信 , 將需要保存的參數存入 M 24C02或者將存入的參數讀出 ,以便進行測試和設置。3 結 語通過對上述硬件系統和軟件構思的實現 ,完 成了步進電機可靠性測試儀的