CN104215371A - 一种汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统，该测量系统包括：一机械装置、一控制装置和一分析装置；本测量系统能快速、精确的对汽车空调步进电机力矩输出特性参数进行检测，可用于研究单位的技术测量和生产流水线的质量测量，并基于该系统拓展、开发其它的性能参数测量功能。

Description

一种汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统

技术领域

本发明属机电一体化传感器电子测量技术领域，涉及一种汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统。

背景技术

汽车空调步进电机产品由塑料壳体、步进马达、塑料齿轮组及输出轴组成；通过汽车空调 ECU给汽车步进电机内的步进马达加电旋转带动减速齿轮组和输出轴旋转一定角度的开环控制角度输出的器件，常用于汽车空调风门位置的开度大小的执行驱动；步进电机的力矩输出特性的大小与汽车空调箱体传动机构扭矩的正确匹配，关系到汽车空调系统可靠性。汽车步进电机输出力矩特性主要包括：牵入力矩、牵出力矩、堵转力矩、矩频曲线。

汽车空调步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的器件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进马达中的转子按设定的方向转动一个固定的角度，转子带动塑料齿轮组及输出轴就转动一个角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度（步距角）一步一步运行的。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，即：运转角度=步距角×步进数。

带有汽车空调步进电机的车载电动空调和车载自动空调系统已成为满足驾乘舒适性的标准配置。当步进电机力矩输出特性小于空调箱体传动机构扭矩时，就会造成步进电机运转失步，即电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。空调箱体的风门就会关闭不到位出现漏风或达不到预定风门开度，从而影响空调系统舒适性；

以往的汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统是将被测步进电机固定在模拟特性力矩要求大小负载机上，根据其特性力矩参数定义去测试是否满足要求或手动绘制特征力矩曲线，如要测量具体的参数值，需手动多次重复测试，效率低，且因事后对模拟的负载还需用标准扭力计去核实具体的扭矩值，非实时状态环境的扭矩值，造成测量精度低，不能实现生产批量测量。

发明内容

一种汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统，其包括机械装置、控制装置和分析装置；所述机械装置与所述控制装置电连接；所述控制装置与所述分析装置电连接；

所述机械装置包括固定支架、扭矩传感器、负载机和角度传感器、联轴器；

所述扭矩传感器、负载机和角度传感器、联轴器均同轴固定于固定支架上；所述扭矩传感器通过所述联轴器与固定在固定支架上的被测件步进电机相连；所述扭矩传感器的另一端通过联轴器与负载机相连，所述负载机的另一端通过所述联轴器与所述角度传感器相连；所述机械装置用于接收所述控制装置的负载机控制信号和向所述控制装置发出扭矩传感器信号和角度传感器信号；

所述控制装置包括步进电机驱动器、扭矩传感器信号处理电路单元、角度传感器信号处理电路单元和负载机控制器；所述控制装置用于接收所述分析装置的被测步进电机驱动信号并将该信号发送到被测步进电机；还用于接收所述分析装置的负载机控制信号并将该信号发送到所述机械控制装置；还用于将所述机械装置的扭矩传感器信号和角度传感器信号分别转变为扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号并分别发送到所述分析装置；

所述分析装置包括标准通信接口、数据采集卡、测量程序软件单元、显示单元、存储单元、打印单元；所述分析装置用于分别向所述控制装置发送被测步进电机驱动信号和负载机控制信号，还用于接收所述控制装置发送的扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号，并对其分别加以分析、显示成被测步进电机力矩的输出特性参数：牵入力矩、牵出力矩、堵转力矩、矩频曲线。

本发明解决了以往需手动多次重复测试，效率低，且因事后对模拟的负载还需用标准扭力计去核实具体的扭矩值，非实时状态环境的扭矩值，造成测量精度低，不能实现生产批量测量的问题；提供了一种快速、精确的的汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统，可用于研究单位的技术测量和生产流水线的质量测量，并基于该系统拓展、开发其它的性能参数测量功能。

附图说明：

图1是汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统组成图

图2是图1中的机械装置部分结构图

图3是汽车空调步进电机力矩输出特性的测量方法总体流程图

图4是图3 中用于牵入力矩测量的流程图

图5 是图3中用于牵出力矩测量的流程图

图6是图3中用于堵转力矩测量的流程图

具体实施方式：

如图1所示，一种汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统系统，包括机械装置1、控制装置2和分析装置3；其总的检测方法在于按被测步进电机4特征力矩参数的定义，通过LABVIEW编程软件环境及基于该环境的汽车步进电机测量软件，控制被测步进电机4在负载机模拟的其特征力矩参数环境下工作，分析装置3内的数据采集卡34采集动态扭矩传感器11和角度传感器13的监测数据，通过程序统计分析完成其参数的测量，并将测量结果显示在显示装置32上。

如图2所示，所述机械装置1包括固定支架15、扭矩传感器11、负载机12和角度传感器13、联轴器14；所述扭矩传感器11、负载机12和角度传感器13、联轴器14均同轴固定于固定支架15上且同心度小于Φ0.05mm；所述扭矩传感器11的测量端通过联轴器14与固定在固定支架15上的被测件步进电机4相连；扭矩传感器11的另一端通过联轴器14与负载机12的相连，负载机12的另一端通过联轴器14与角度传感器13相连。

选取的扭矩传感器11，工作电压：DC ±12V,测量的扭矩以电压信号输出V:1V~5V，对应的扭矩为：-200 N.cm（正转） ~+200N.cm（反转），它们之间的关系为线性关系，F(N.cm)=（3-V）×100；其测量方法，动态的扭矩传感器11输出的电压信号与控制装置2的动态扭矩传感器11信号处理电路2输入端相连，输出与PCI-1711数据采集卡34电压模拟量输入端口（AI~0）相连，实际测量过程中采集的电压值，通过测量程序软件单元33将上述公式将电压值转换为扭矩值，从而实现动态扭矩的测量。

选取的角度传感器13，电压输出型，工作电压：DC 5V,电压输出信号：0.5~4.5V,对应0~340°，它的输出信号与PCI-1711数据采集卡34电压模拟量输入端口（AI~1）相连，实测过程中将采集电压值，通过测量程序软件单元33按公式：α＝（V-0.5）×90°将电压值转换为角度值，从而实现实时角度测量。

选取负载机12，另外选用磁粉离合器与之配套的负载控制器24组成；控制器的电压输入信号V：0~5V；磁粉离合器的输出扭矩F：0~200N.cm。其控制电压V与传达之转矩F关系：F（N.cm）=V×40。加载过程实现：PCI-1711数据采集卡34输出0~5V模拟电压（端口：AO~0）给控制盒内的负载控制器24电压端口，负载控制器24的输出端口与磁粉离合器输入端口连接，从而实现负载机12输出扭矩，实现预置扭矩的加载。

如图3所视，所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统通过以下总体步骤实现测量其步进电机力矩的输出特性参数（牵入力矩、牵出力矩、堵转力矩、矩频曲线）：

 S1、控制被测步进电机4在所述负载机12模拟的其特征力矩参数定义环境下工作：通过所述测量软件程序单元33编写控制被测步进电机4在所述负载机12模拟的其特征力矩参数定义环境下工作的程序，转换成信号后通过所述数据采集卡34与所述标准通信接口31发送到所述步进电机驱动器21，控制被测步进电机运转。

S2、采集扭矩传感器11和角度传感器13获得的对被测步进电机4的监测数据：通过所述数据采集卡34采集所述扭矩传感器信号处理电路单元22和角度传感器信号处理电路单元23的所述扭矩传感器处理信号和所述角度传感器处理信号。

S3、统计分析监测数据，以完成对被测步进电机4牵入力矩、牵出力矩、堵转力矩、矩频曲线的测量：通过所述测量程序软件单元33的程序编写，将所述数据采集卡34采集的所述扭矩传感器处理信号和所述角度传感器处理信号统计转换成被测步进电机4的扭矩值和角度值，从而获取被测步进电机的牵入力矩、牵出力矩、堵转力矩、矩频曲线数据。 

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性测量系统用于控制被测件步进电机4的运转姿态，则包括如下步骤：

将所述数据采集34卡的脉冲频率信号、数值信号输入给所述步进电机驱动器21。

进一步的，将被测步进电机4与所述步进电机驱动器21输出连接，从而控制被测件步进电机4的运转姿态。

通过测量软件程序单元33的LABVIEW步进电机测量软件程序的编写，PCI-1711数据采集卡34的端口：PACER_OUT输出脉冲频率信号、脉冲数，端口：DO~0/1输出数值信号，分别给控制装置2的步进电机驱动器21的步进脉冲输入（端口：CP）和方向电平输入（端口：DIR）、脱机电平输入（端口：FREE）端口，驱动器输出与被测件步进电机4相连，从而实现控制被测件进电机4按程序设置的条件运转。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于控制负载机12输出扭矩大小，则包括如下步骤：

将数据采集卡34的模拟电压输入给控制盒内的负载控制器24电压端口。

进一步的，将所述负载机控制器24与负载机12连接，从而控制所述负载机12输出扭矩大小。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于采集扭矩传感器11的对被测步进电机4的扭矩数据时，则包括如下步骤：

连接动态的扭矩传感器11输出端与控制装置2的动态扭矩传感器信号处理电路单元22。

进一步的，连接控制装置2的输出与PCI-1711数据采集卡34的电压模拟量输入端口。

进一步的，采集所述扭矩传感器11中的实际测量过程中的电压值。

进一步的，通过所述测量程序软件单元33将电压值转换为扭矩值，从而实现动态测量扭矩。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于采集角度传感器13的对被测电机4的角度数据时，则包括如下步骤：

连接角度传感器13与控制装置2的角度传感器信号处理电路单元23。

进一步的，连接控制装置2的输出与PCI-1711数据采集卡34的电压模拟量输入端口。

进一步的采集所述角度传感器13中的实际测量过程中的电压值。

进一步的，通过所述测量程序软件单元33将电压值转换为角度值，从而实现动态测量角度。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于测量被测电机的牵入力矩值时，则包括如下步骤：

给所述负载机12施加一个预制负载扭矩值。

进一步的，配置所述被测步进电机4牵入力矩测量参数，启动被测步进电机4运转，所述角度传感器13监控被测步进电机4的实际运转角度。

进一步的，对比所述角度传感器13监控的被测步进电机4的实际运转角度与理论运转角度：

如图4所示，给负载机12施加一个预置（标称牵入力矩值）负载扭矩值后，按被测步进电机4牵入力矩测量参数：一定的驱动电压、步进频率、步进数，启动电机运转，同时，角度传感器13监控实际运转的角度，并与理论运转角度比对：

（1）如果被测步进电机4实际运转与理论运转角度值相差小于5%，则程序在预置负载扭矩值的基础上递增一扭矩后，按上述方法再次启动被测步进电机4运转直至实际运转角度值与理论运转角度相差大于5%时，前一次动态的所述扭矩传感器11测量的扭矩值即为所述被测步进电机的实测牵入力矩值。

（2）如所述被测步进电机4实际运转与理论运转角度值相差大于5%，则程序在预置负载扭矩值的基础上递减一扭矩后，按上述方法再次启动被测步进电机4运转直至实际运转角度值与理论运转角度相差小于5%时，此时由动态的扭矩传感器11测量的值，即为该被测步进电机4的实测牵入力矩值。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于测量被测步进电机的牵出力矩值时，则包括如下步骤：

启动被测步进电机4运转，使程序进入一个执行循环。

进一步的，给负载机12施加一个预制负载，同时给被测步进电机4施加一定的步进数，所述角度传感器13监控被测步进电机的实际运转角度。

进一步的，比对角度传感器13的实际运行的角度与理论运转角度：

如图5所示，空载启动被测步进电机4运转后，程序进入一个执行循环，给负载机12施加一个预置（标称牵出力矩值）负载扭矩值的同时给步进电机施加一定的步进数，并检测角度传感器13的实际运行的角度，与理论运转角度比对：

（1）如被测步进电机4实际运转与理论运转角度值相差小于5%，则程序在初始负载扭矩值的基础上递增一扭矩后，程序继续执行直至实际运转角度值与理论运转角度相差大于5%时，前一次动态的所述扭矩传感器11测量的扭矩值即为所述被测步进电机4的实测牵出力矩值。

（2）如所述被测步进电机4实际运转与理论运转角度值相差大于5%，则程序在预置负载扭矩值的基础上递减一扭矩后，程序继续执行直至实际运转角度值与理论运转角度相差小于5%时，此时由动态的扭矩传感器11测量的值，即为所述被测步进电机4的实测牵出力矩值。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于测量堵转力矩时，则包括如下步骤：

配置被测步进电机4堵转力矩测量参数，并启动被测步进电机4运转。

进一步的，给负载机12施加一个最大负载扭矩值。

进一步的，检测角度传感器13角度值变化量，并分析计算：当所述值为0时，此时，动态的扭矩传感器11测量的扭矩值，即为该被测步进电机4的实测堵转力矩值。

如图6所示，被测步进电机4堵转力矩的测量流程，基于LABVIEW步进电机测量软件程序的编写，按被测步进电机4堵转力矩测量参数（一定的驱动电压、步进频率）启动被测电机4运转后，通过程序给负载机12施加一个最大负载扭矩值，当检测角度传感器13角度值变化量为0时，此时，动态的扭矩传感器11测量的扭矩值，即为该被测步进电机4的实测堵转力矩值。

当所述汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统用于测量矩频曲线时，则包括如下步骤：

根据被测步进电机4的步进频率工作范围，按一定的步频递增扫频，循环执行本步骤至该被测步进电机4的步进频率工作范围的上限。

进一步的，测量相应步进频率下的牵出力矩。

进一步的，绘制并生成步进频率与牵出力矩之间的变化关系曲线图表，即为步进电机4的矩频曲线。

被测步进电机4矩频曲线的测量流程，按上述牵出力矩的方法，被测步进电机4的步进频率从100Hz~400Hz扫频，步频10Hz递增，循环执行，测量相应步进频率下的牵出力矩，通过LABVIEW步进电机测量软件程序的编写，绘制并生成步进频率与牵出力矩之间的变化关系曲线图表，即为被测步进电机4的矩频曲线。

本发明解决了以往需手动多次重复测试，效率低，且因事后对模拟的负载还需用标准扭力计去核实具体的扭矩值，非实时状态环境的扭矩值，造成测量精度低，不能实现生产批量测量的问题；提供了一种快速、精确的的汽车空调步进电机力矩输出特性的测量系统，可用于研究单位的技术测量和生产流水线的质量测量，并基于该系统拓展、开发其它的性能参数测量功能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1. 一种汽车空调中步进电机的力矩输出特性的测量系统，其包括机械装置、控制装置和分析装置；所述机械装置与所述控制装置电连接；所述控制装置与所述分析装置电连接;

所述机械装置包括固定支架、扭矩传感器、负载机和角度传感器、联轴器；

所述扭矩传感器、负载机和角度传感器、联轴器均同轴固定于固定支架上；所述扭矩传感器通过所述联轴器与固定在固定支架上的被测件步进电机相连；所述扭矩传感器通过联轴器与负载机相连，所述负载机通过所述联轴器与所述角度传感器相连；所述机械装置用于接收所述控制装置的负载机控制信号和向所述控制装置发出扭矩传感器信号和角度传感器信号；

所述控制装置用于接收所述分析装置发送的被测步进电机驱动信号并将所述被测步进电机驱动信号发送到被测步进电机；并用于接收所述分析装置的负载机控制信号并将所述负载机控制信号发送到所述机械控制装置；还用于将所述机械装置的扭矩传感器信号和角度传感器信号分别转变为扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号并分别将所述扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号发送到所述分析装置；

所述分析装置用于分别向所述控制装置发送被测步进电机驱动信号和负载机控制信号，还用于接收所述控制装置发送的扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号，并通过所述分析装置中的程序编写将所述扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号转化为实际测量的扭矩值和角度值，进而对所述实际测量的扭矩值和角度值加以分析得出被测步进电机的牵入力矩、牵出力矩、堵转力矩、矩频曲线数据：

当分析获得所述被测步进电机的牵入力矩时：给所述负载机施加一个预置负载扭矩值后，按所述被测步进电机牵入力矩测量参数启动电机运转，同时，将所述角度传感器监控实际运转的角度与理论运转角度比对，获得所述被测步进电机的牵入力矩；

当分析获得所述被测步进电机的牵出力矩时：空载启动所述被测步进电机运转后，程序进入一个执行循环，给所述负载机施加一个预置负载扭矩值的同时给步进电机施加一定的步进数，并检测所述角度传感器的实际运行的角度，与理论运转角度比对获得所述被测步进电机的牵出力矩；

当分析获得所述被测步进电机堵转力矩时：配置所述被测步进电机堵转力矩测量参数，并启动所述被测步进电机运转；给所述负载机施加一个最大负载扭矩值；检测所述角度传感器角度值变化量，当所述变化量为零时，动态的所述扭矩传感器测量的扭矩值，即为所述被测步进电机的实测堵转力矩值；

当分析获得所述被测步进的矩频曲线时：根据所述被测步进电机的步进频率工作范围，按一定的步频递增扫频至所述被测步进电机的步进频率工作范围的上限；测量相应步进频率下的牵出力矩；绘制并生成步进频率与牵出力矩之间的变化关系曲线图表，即为步进电机的矩频曲线。

2.如权利要求1所述的汽车空调步进电机力矩输特性的测量系统，其特征在于；所述扭矩传感器与所述扭矩传感器信号处理电路单元电连接，所述扭矩传感器用于向所述扭矩传感器信号处理电路单元发送所述扭矩传感器信号；所述角度传感器与所述角度传感器信号处理电路单元电连接，所述角度传感器用于向所述角度传感器信号处理电路单元发送所述角度传感器信号；所述负载机与所述载机控制器电连接，用于接收所述负载机控制器发送的所述负载机控制信号。

3.如权利要求1所述的汽车空调步进电机力矩输特性的测量系统，其特征在于所述控制装置包括步进电机驱动器、扭矩传感器信号处理电路单元、角度传感器信号处理电路单元和负载机控制器；所述步进电机驱动器与被测步进电机电连接，其用于将所述步进电机驱动信号通过所述标准通信接口发送到被测步进电机；所述扭矩传感器信号处理电路单元分别与所述扭矩传感器和所述标准通信接口电连接，其用于将所述扭矩传感器信号转变成扭矩传感器处理信号并通过所述标准通信接口发送到所述数据采集卡；所述角度传感器信号处理电路单元分别与所述角度传感器和所述标准通信接口电连接，其用于将所述角度传感器信号转变为角度传感器处理信号并通过所述标准通信接口发送到所述数据采集卡；所述负载机控制器分别与所述负载机和所述标准通信接口电连接，其用于将所述负载机控制信号通过所述标准通信接口发送到所述负载机。

4.如权利要求1所述的汽车空调步进电机力矩输特性的测量系统，其特征在于所述分析装置包括标准通信接口、数据采集卡、测量程序软件单元、显示单元；所述数据采集卡分别与所述标准通信接口和所述测量程序软件单元电连接，用于通过所述标准通信接口分别向所述步进电机驱动器和所述负载机控制器发送所述步进电机驱动信号和所述负载机控制信号；并用于通过所述标准通信接口分别将所述扭矩传感器处理信号和所述角度传感器处理信号发送到所述测量程序软件单元；所述测量程序软件单元分别与所述数据采集卡和所述显示单元电连接，用于通过编程分别控制所述步进电机驱动信号和所述负载机控制信号；还用于将所述数据采集卡采集到的所述扭矩传感器处理信号和角度传感器处理信号处理成实际测量的扭矩值和角度值；所述显示单元用于显示所述实际测量的扭矩值和角度值。