CN111474424B - 微电机驱动阀响应时间测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微电机驱动阀响应时间测试系统及测试方法，本发明微型步进电机的电机轴从初始位置开始启动，单片机通过定时器/计数器模块分别捕获微型步进电机在启动时刻、目标位置时刻的计数器值与计数器溢出次数，依据两个计数器值与计数器溢出次数获取所述微电机驱动阀的响应时间。本发明在电机控制器上外接单片机，利用该单片机去测定电机启动时间，而非利用电机控制器既控制电机驱动又测定相应时间，有效避免了程序之间的干扰，避免了累计误差，提高了测量精度。

Description

微电机驱动阀响应时间测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于流体控制执行元件，涉及一种微电机驱动阀响应时间测试系统及测试方法。

背景技术

目前电磁阀在叉车、大型农用拖拉机、挖掘机等工程车辆上应用极其广泛，对电磁阀的响应时间和可控范围要求也日益提高。因此，如何提高电磁阀的响应时间和可控范围或寻求新型电磁阀替代品成为重要的研究方向。

传统电磁阀在实际工作时依靠线圈绕组产生的电磁力来驱动阀芯，而阀芯在流动的液体介质中来回移动，阀芯会受到液体流动时产生的液动力、阀套与阀芯之间的摩擦力、阀芯与复位弹簧之间的弹性力。因此，当外界环境温度改变时，会直接改变油液的粘度，阀芯的受力也会随之改变；而当油液中混入磨损的铁屑时，油液的清洁度会去改变，这时阀芯的实际运动位移并不是输入信号所给定的期望值，达不到期望的控制效果。由于这些问题的存在，导致阀芯实际上是处于临界平衡状态，当油液品质发生改变，而给定的电流大小没有改变，阀芯的位置就会在目标区域波动，影响控制精度以及阀芯达到平衡位置时的响应时间。采用微电机驱动阀替代电磁阀的方案，其结构为直线型步进电机驱动，相比较传统电磁阀，具有控制精度高、可控范围大、受油液品质影响较小的优势。

然而，如何简单、快速地测定微电机驱动阀的响应时间，进而从量上去评价微电机驱动阀的响应品质是目前急需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微电机驱动阀响应时间测试系统及测试方法，以期待通过测定响应时间来评价微电机驱动阀的响应品质。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微电机驱动阀响应时间检测测试系统，包括：

微电机驱动阀，包括电动驱动组件、阀功能组件和电机控制器，

所述电动驱动组件包括阀座，在所述阀座内置有一微型步进电机和一进给螺母，所述微型步进电机的电机轴与其转子螺纹连接，所述转子在旋转且所述电机轴转动受限时，所述电机轴与所述进给螺母一起轴向推动所述阀功能组件的阀芯，

所述电机轴贯穿所述阀座并朝向远离所述进给螺母侧延伸，并在所述电机轴的延伸段上设置一磁片，在电机轴的延伸段外部罩设一支架，在支架上正对所述磁片设置一位置传感器，所述电机控制器用于采集位置传感器的感应电压，以及控制微型步进电机的启停；

单片机，设有定时器/计数器模块，所述定时器/计数器模块与所述电机控制器的I/O接口相连，用于分别捕获所述微型步进电机启动时刻、达到目标位置时刻的计数器值与计数器溢出次数，以此得到所述微电机驱动阀的响应时间。

于本发明的一实施例中，所述磁片设于所述电机轴的延伸段的轴向端部。

于本发明的一实施例中，所述电机控制器外接第一控件和第二控件，所述第一控件用于控制所述微型步进电机的复位，所述第二控件用来控制所述微型步进电机的启动。

于本发明的一实施例中，所述阀座的内腔被隔板分隔成用于放置所述微型步进电机的第一空腔和用于放置所述电机控制器的第二空腔，所述隔板上开设有供所述微型步进电机的电机引脚端子露出的缺口。

于本发明的一实施例中，所述电机控制器包括，

微处理器，用于接收由所述位置传感器输出的位置检测信号，并在所述微型电机的启动时刻和到达目标位置时刻分别生成有效边沿，并从I/O接口输出由所述单片机捕获并获取计数器值与计数器溢出次数，

功率驱动模块，用于接收从控制信号引脚引入的外部控制信号，经数据处理后通过内部信号传输通道而来的控制指令，并根据所述控制指令控制所述微型步进电机动作。

于本发明的一实施例中，根据所述电机控制器分别捕获所述微型步进电机启动时刻、达到目标位置时刻的计数器值与计数器溢出次数，依据

CNT＝(2ⁿ-1)*(N₁-N₀)+(T₁-T₀)得到电机从启动时刻至达到目标位置时刻的总计数值，其中，n为所述定时器/计数器模块的数据宽度，T₀为启动时刻的计数器值，N₀为启动时刻的计数器溢出次数，T₁为达到目标位置时刻的计数器值，N₁为达到目标位置时刻的计数器溢出次数，再利用

得到所述微电机驱动阀的响应时间，其中，f为所述单片机的计数器时钟频率。

于本发明的一实施例中，所述位置传感器为线型霍尔传感器。

于本发明的一实施例中，所述微型步进电机是工作电压为12V的永磁式直线步进电机。

本发明还提供了一种所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统的测试方法，至少包括：

微型步进电机的电机轴从初始位置开始启动，单片机通过定时器/计数器模块捕获启动时刻的计数器值、以及所述微处理器的变量值作为启动时刻的计数器值T₀与计数器溢出次数N₀；

当所述电机轴移动至目标位置，所述定时器/计数器模块捕获所述电机轴移至目标位置时刻的计数器值与所述微处理器的变量值作为该时刻的计数器值T₁与计数器溢出次数N₁；

利用CNT＝(2ⁿ-1)*(N₁-N₀)+(T₁-T₀)得到电机从启动时刻至达到目标位置时刻的总计数值，其中，n为所述定时器/计数器模块的数据宽度；

利用

得到所述微电机驱动阀的响应时间，其中，f为所述单片机的计数器时钟频率。

于本发明的一实施例中，所述电机控制器外接第一控件和第二控件，所述第二控件用来控制所述微型步进电机的启动；

在所述微型步进电机启动之前，按下所述第一控制件，控制所述微型步进电机复位，

再按下所述第二控制件，控制所述微型步进电机启动。

如上所述，本发明的微电机驱动阀响应时间检测测试系统、测试方法，本发明在电机控制器上外接单片机，利用该单片机去测定电机启动时间，而非利用电机控制器既控制电机驱动又测定相应时间，有效避免了程序之间的干扰，避免了累计误差。因此，本发明采用单独的一块单片机可已实现驱动与测试响应时间的程序并行运行，提高了测量精度。

本发明的测试系统，利用已在微电机驱动阀内安装的线型霍尔传感器进行响应时间的测定，无需额外安装位置传感器，仅需要采用具有输入捕捉功能的一块单片机(或具有输入捕捉功能的仪器)和简单的外围电路，所用实验器材少，具有测试电路连接方便、成本低、便于推广的优势。

附图说明

图1显示为本发明的微电机驱动阀响应时间检测测试系统于一实施例中的结构示意图。

图2显示为本发明的测试过程的逻辑时序图。

图3显示为本发明的微电机驱动阀于一实施例中的结构示意图。

图4显示为本发明的微型步进电机于一实施例中的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，本发明提供了一种用于测定微电机驱动阀的测试系统，包括有微电机驱动阀、电机控制器11和单片机20。

微电机驱动阀主要包括电驱动组件和阀功能组件。

如图3所示，电驱动组件包括阀座1、微型步进电机3和进给螺母。阀座1是一端通敞、另一端封闭且在封闭一端固设有圆形凸台的壳体，阀座1的内腔被隔板分隔成第一空腔和第二空腔。设于阀座1封闭端上的圆形凸台上设有与阀座1的第一空腔同轴且连通的通孔，该通孔的横截面形状并非圆形，例如为方形，所述圆形凸台的外圆周面上设有外螺纹；所述阀座1在通敞的一端以封板2封闭，将所述电机控制器11和所述微型步进电机3封堵在所述第一空腔和所述第二空腔内。在所述封板2上设有用于引出电机控制器11接线引脚的三个孔洞。

微型步进电机3是低压直流电机，置于阀座1的第一空腔内并与第一空腔形成间隙配合，所述微型步进电机3是工作电压为12V永磁式直线步进电机。如图3所示，微型步进电机3的电机轴31的前端上设有外螺纹，同时，微型步进电机3的壳体上设有电机引脚端子4，电机引脚端子4从在隔板顶边的缺口露出。进给螺母5具有轴向贯通的内螺纹孔，进给螺母5利用内螺纹孔与微型步进电机3的电机轴31进行螺纹配合，使进给螺母5与电机轴31连接在一起。在电机转子32旋转同时电机轴31的转动受限时，电机转子32的旋转运动转化为电机轴31与进给螺母5一起轴向移动。

如图3所示，阀功能组件包括阀芯6、复位弹簧7和阀套8，所述阀套8的一端设有供阀座1的圆形凸台旋入的大径沉头孔，大径沉头孔与圆形凸台外圆周面上的外螺纹形成螺纹配合，阀套8的另一端开设有供阀芯6插入的一小径沉头孔，小径沉头孔带有封底板并在封底板上设有轴向通孔，小径沉头孔与阀芯6两端的大径圆柱段形成间隙配合，配合间隙的大小在阀内充液时应能确保形成液环密封。当进给螺母5进行轴向移动时，推动阀芯6下压复位弹簧7。

阀套8是一段大径圆柱与一段小径圆柱固结而成的台阶形圆柱体，在小径圆柱的外圆周面上设有四道环形密封圈槽，在密封圈槽中设置密封圈，自上而下的各道环形密封圈槽中的密封圈依次是第一O型密封圈15、第二O型密封圈16、第三O型密封圈17和第四O型密封圈18；相邻的两道环形密封圈槽之间设置为流体均流槽，位于各流体均流槽的底部沿周向均布设2～8个径向通孔，所述各径向通孔与阀套8中的小径沉头孔相连通。

在本发明中，如图3和图4所示，微型步进电机3的电机轴31朝向远离进给螺母的一端轴向延伸并穿出封板2，微型步进电机3的电机转子32设有供电机轴31穿过的轴孔，并在该轴孔上设有内螺纹，相应地，在置于微型步进电机3内的电机轴31外壁设有外螺纹，电机轴31与电机转子32轴孔螺纹配合。当电机转子32旋转同时，由于电机轴31的转动受限，电机轴31会和进给螺母5一同进行轴向推动阀芯6。

进一步地，在封板2上开设有供电机轴31延伸出的一贯穿孔，在电机轴31的延伸段311轴向端部粘贴有一磁片9。同时，在电机轴31的延伸段311罩设一支架，该支架的一端可以固设在微型步进电机3或是封板2上，该支架开设有供电机轴31延伸段311插入的一凹槽，并在支架上正对磁片9设置一位置传感器10，该位置传感器10采用线性霍尔传感器。位置传感器10的输出端穿出支架利用信号线连接电机控制器11的微处理器101。

当微型步进电机3的电机轴31旋转时，由于电机轴31从启动时刻至电机轴31达到设定位置，即进给螺母5的轴向位置发生变化时，如图4所示，电机轴31上磁片9与线性霍尔传感器之间相对距离也随之发生改变，进而使得线性霍尔传感器的输出电压发生变化。另外，相对于将磁片9贴于进给螺母5或是电机转轴并由线性霍尔传感器在径向测量，本发明将磁片9和线性霍尔传感器置于电机转轴轴向，使得线性霍尔传感器感应出的电压更为敏感，测量结果更精确。

电机控制器11放置于阀座1的第二空腔内，如图1所示，电机控制器11包括微处理器101、功率驱动模块102和信号传输通道。

电机控制器11利用微处理器101接收由位置传感器10输出的位置检测信号，由控制信号引脚14引入的外部控制信号，经数据处理后通过内部信号传输通道103向功率驱动模块102输出控制指令，并由功率驱动模块102根据控制指令控制微型步进电机3的正转、反转或停机。微处理器101内还下载有电机闭环控制程序。

功率驱动模块102用于接收微处理器101发出的指令，并根据指令控制微型步进电机3正向供电、反向供电和停止供电，电源正极引脚12和电源负极引脚13用于连接对电机控制器11供电的外部电源，并同时为微处理器101和功率驱动模块102供电，控制信号引脚14用于连接对电机控制器11实行控制的外部控制信号通道，控制信号引脚14与微处理器101连接。

步进电机电连接点104用于在电子控制器与设于微型步进电机3壳体上的电机引脚端子4之间建立电连接，步进电机电连接点104与功率驱动模块102连接形成对微型步进电机3的供电通道；位置信号采集端105用于采集位置传感器10的信号，位置信号采集端105与微处理器101连接。

如图1所示，电机控制器11还外接有第一控件110和第二控件111，电机控制器11上的第一控制连接点106、第二控制连接点107分别对应连接第一控件110、第二控件111，第一控件110和第二控件111与电机控制器11的微处理器101连接，第一控件110用于控制微型步进电机3的复位，第二控件111用来控制微型步进电机3的启动。

单片机20内设定时器/计数器模块21，定时器/计数器模块21利用信号线与电机控制器11中微处理器101的一I/O接口相连，单片机20通过I/O接口捕获电机控制器11的微处理器101的I/O接口输出的有效边沿(上升沿或下降沿)，以此来捕获电机启动时刻与到达目标位置时刻的计数器值和计数器溢出次数。

在单片机20的中断系统中内置中断程序，通过第一控件110和第二控件111触发单片机20内该中断程序。考虑到定时器/计数器模块21中计数器计数范围的有限性，防止计数器因计数溢出而造成数据丢失，因此在电机控制器11的微处理器101的控制程序内设定一个变量flag，用来监测计数器的溢出次数，当检测到计数器溢出后，flag增加1，当微型步进电机3在启动时刻与到达目标位置时刻时，在中断程序中读取flag的值，即可获得计数器溢出次数，并通过I/O接口传输给单片机20。以此来构件的测试系统，弥补了测量值和真实值之间的偏差，提高了后续对响应时间的精确性。

本发明的测试系统，利用已在微电机驱动阀内安装的线型霍尔传感器进行响应时间的测定，无需额外安装位置传感器10，仅需要采用具有输入捕捉功能的一块单片机20(或具有输入捕捉功能的仪器)和简单的外围电路，所用实验器材少，具有测试电路连接方便、成本低、便于推广的优势。

本发明依据上述的测试系统进行微电机驱动阀响应时间的测试，基于微电机驱动阀响应时间测试系统的测试方法，请参阅图2，包括：

S1，给电机控制器11和单片机20供电；

S2，在t₀时刻，第一控件110被按下，微型步进电机3的电机轴31回至初始位置；

S3，在t₁时刻，第二控件111被按下启动微型步进电机3，单片机20通过定时器/计数器模块21捕获因电机控制器11的微处理器101将其中一I/O接口由低电平置为高电平出现的上升沿；

S4，单片机20将此刻定时器/计数器模块21的计数器值捕获到定时器/计数器模块21内的输入捕捉寄存器中，同时，单片机20的中断程序被触发，在中断程序中读取输入捕捉寄存器的计时器值与电机控制器11中微处理器101的变量flag的值，从而获得电机启动时刻的计数器值T₀与计数器溢出次数N₀。

S5，当t₂时刻下微型步进电机3到达目标位置，电机控制器11的微处理器101检测到线性霍尔传感器值与微处理器101内设定的目标值相一致时，单片机20通过定时器/计数器模块21捕获因电机控制器11的微处理器101将其中一I/O接口由高电平置为低电平出现的下降沿；

S6，单片机20将此刻定时器/计数器模块21的计数器值捕获到输入捕捉寄存器中，同时，触发单片机20的中断程序，在中断程序中读取输入捕捉寄存器的值与电机控制器11中微处理器101的变量flag的值，得到获得电机在达到目标位置t₂时刻的计数器值T₁与计数器溢出次数N₁。

S7，利用公式CNT＝(2ⁿ-1)*(N₁-N₀)+(T₁-T₀)得到电机从启动时刻至达到目标位置时刻的总计数值，其中，n为单片机20中定时器/计数器模块21的数据宽度。

S8，利用公式

(单位ms)得到电机的响应时间，其中，f为单片机20中计数器时钟频率(单位MHz)。

本发明在电机控制器11上外接单片机20，利用该单片机20去测定电机启动时间，而非利用电机控制器11既控制电机驱动又测定相应时间，有效避免了程序之间的干扰，避免了累计误差。因此，本发明采用单独的一块单片机20可已实现驱动与测试响应时间的程序并行运行，提高了测量精度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于，包括：

微电机驱动阀，包括电动驱动组件、阀功能组件和电机控制器，

所述电动驱动组件包括阀座，在所述阀座内置有一微型步进电机和一进给螺母，所述微型步进电机的电机轴与其转子螺纹连接，所述转子在旋转且所述电机轴转动受限时，所述电机轴与所述进给螺母一起轴向推动所述阀功能组件的阀芯，

所述电机轴贯穿所述阀座并朝向远离所述进给螺母侧延伸，并在所述电机轴的延伸段上设置一磁片，在电机轴的延伸段外部罩设一支架，在支架上正对所述磁片设置一位置传感器，所述电机控制器用于采集位置传感器的感应电压，以及控制所述微型步进电机的启停；

单片机，设有定时器/计数器模块，所述定时器/计数器模块与所述电机控制器的I/O接口相连，用于分别捕获所述微型步进电机启动时刻、达到目标位置时刻的计数器值与计数器溢出次数，依据

CNT＝(2ⁿ-1)*(N₁-N₀)+(T₁-T₀)得到所述微型步进电机从启动时刻至达到目标位置时刻的总计数值，其中，n为所述定时器/计数器模块的数据宽度，T0为启动时刻的计数器值，N0为启动时刻的计数器溢出次数，T1为达到目标位置时刻的计数器值，N1为达到目标位置时刻的计数器溢出次数，再利用

得到所述微电机驱动阀的响应时间，其中，f为所述单片机的计数器时钟频率。

2.根据权利要求1所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于：所述磁片设于所述电机轴的延伸段的轴向端部。

3.根据权利要求1所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于：所述电机控制器外接第一控件和第二控件，所述第一控件用于控制所述微型步进电机的复位，所述第二控件用来控制所述微型步进电机的启动。

4.根据权利要求1所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于：所述阀座的内腔被隔板分隔成用于放置所述微型步进电机的第一空腔和用于放置所述电机控制器的第二空腔，所述隔板上开设有供所述微型步进电机的电机引脚端子露出的缺口。

5.根据权利要求1或3所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于：所述电机控制器包括，

微处理器，用于接收由所述位置传感器输出的位置检测信号，并在所述微型步进电机的启动时刻和到达目标位置时刻分别生成有效边沿，并从I/O接口输出由所述单片机捕获并获取计数器值与计数器溢出次数，

功率驱动模块，用于接收从控制信号引脚引入的外部控制信号，经数据处理后通过内部信号传输通道而来的控制指令，并根据所述控制指令控制所述微型步进电机动作。

6.根据权利要求1所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于：所述位置传感器为线型霍尔传感器。

7.根据权利要求1或4所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统，其特征在于：所述微型步进电机是工作电压为12V的永磁式直线步进电机。

8.利用权利要求1～7任一所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统的测试方法，至少包括：

微型步进电机的电机轴从初始位置开始启动，单片机通过定时器/计数器模块捕获启动时刻的计数器值、以及微处理器的变量值作为启动时刻的计数器值T₀与计数器溢出次数N₀；

当所述电机轴移动至目标位置，所述定时器/计数器模块捕获所述电机轴移至目标位置时刻的计数器值与所述微处理器的变量值作为该时刻的计数器值T₁与计数器溢出次数N₁；

利用CNT＝(2ⁿ-1)*(N₁-N₀)+(T₁-T₀)得到所述微型步进电机从启动时刻至达到目标位置时刻的总计数值，其中，n为所述定时器/计数器模块的数据宽度；

利用

得到微电机驱动阀的响应时间，其中，f为所述单片机的计数器时钟频率。

9.根据权利要求8所述的微电机驱动阀响应时间检测测试系统的测试方法，其特征在于：所述电机控制器外接第一控件和第二控件，所述第二控件用来控制所述微型步进电机的启动；

在所述微型步进电机启动之前，按下所述第一控件，控制所述微型步进电机复位，

再按下所述第二控件，控制所述微型步进电机启动。

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