２０１３年第４期 车辆与动力技术
Ｖｅｈｉｃｌｅ＆Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 总第１３２期
文章编号：１００９—４６８７（２０１３）０４—００２２—０４
减振器试验台控制系统研究
赵永飞 ， 董明明 ， 王子明
（１．北京理工大学机械与车辆学院，北京１０００８１；２．中国北方工业公司，北京 １０００５３）
摘要：以机械式减振器试验台为应用背景，介绍其控制系统的设计思路和实现方案，应用ＬａｂＶＩＥＷ与变频器 之间串口通信原理及自动控制原理，最终实现减振器试验台激振频率控制和激振头位置控制，通过该虚拟仪器
软件良好的人机交换界面，完成减振器试验台控制系统的自动控制．
关键词：减振器试验台；自动控制；虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号：Ｕ４６３．３３ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｄａｍｐｅｒ Ｔｅｓｔ Ｂｅｎｃｈ
ＺＨＡＯ Ｙｏｎｇ－ｆｅｉ，ＤＯＮＧ Ｍｉｎｇ－ｍｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｚｉｍｉｎｇ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００５３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄａｍｐｅｒ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ａｓ ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａｓ ａｎｄ
ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｌａｎｓ ｏｆ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｂｏｔｈ ｉｔｓ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｎｃｈ ａｎｄ ｉｔｓ
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｉｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂｅｎｃｈ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ＬａｂＶＩＥＷ ａｎｄ ａ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｂｙ
ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｄａｍｐｅｒ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ
ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄａｍｐｅｒ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ
减振器是车辆平稳行驶的重要元件，其性能的
好坏直接关系到整车的安全性及舒适性，其性能测
试显得十分重要…．曲柄连杆机构形式的机械式
减振器试验台是一种常见的减振器测试设备，试验
台由三相异步电机带动皮带轮通过传动装置带动曲
柄产生简谐激励运动，其变频调速通过变频器控制
电机来实现．
试验台调速一般采用变频器自带控制面板的操
作方式，虽具有简单清晰的特点，但却过于专业
化、操作不够方便且容易出错．另外，同种类型减
振器组装完成之后其长度基本确定，试验台激振头
收稿日期：２０１３—０１一Ｏ７． 作者简介：赵永飞（１９８７一），男，硕士 每次试验完成时停在最低位置附近，可更方便于减
振器装卸．
为方便用户使用，提高测试效率，利用计算机
与变频器之间的串口通信实现减振器试验台激振频
率的计算机控制和激振头位置控制，通过虚拟仪器
ＬａｈＶＩＥｗ软件 良好的人机交换界面完成试验台
的计算机操作控制．
１测控系统整体设计
一
个典型的测控系统往往需要对被测对象进行 第４期 赵永飞等：减振器试验台控制系统研究
激励以达到测试所需要的工作条件，然后去进行测
试任务．测试减振器示功图和速度特性时，必须能
够正确、快速地给出和检测出减振器的振动频率，
这是获取准确的性能试验数据的前提．减振器测控
系统主要由测量和控制系统、激振系统、计算机软
件系统及其他外部输出设备等组成．试验台总体设
计结构如图１所示．
试 验 △
通信
图１ 试验台测控系统总体方案图
其中，试验台激振动力由变频器驱动三相异步
电动机提供，激振系统通过曲柄连杆机械结构将电
机的旋转运动转化为减振器激振的直线运动，实现
了对减振器的简谐加振．机械激振结构示意图如图
２所示．
图２机械激振结构
减振器试验台的变频调速是利用变频器控制异
步电机来实现的，其调频原理如式（１）所示．
ｎ： ，（１）ｎ＝一． ～１ Ｊ Ｐ 式中： 为异步电机转速；ｆ为电源频率；ｓ为转差
率；Ｐ为极对数．
由式（１）可以看出，转速ｎ与频率厂成正比，
只要改变频率－厂即可改变电机转速．
不同减振器负载对转差率有一定影响，增加转
速反馈装置，精细调节电机转速． ２变频调节系统
２．１工作原理
试验台频率调节系统主要是利用ＬａｂＶＩＥＷ中
ＶＩＳＡ串口通信模块实现上位工控机与变频器的通
信 ．利用ＬａｂＶＩＥＷ实现与变频器的串口通信，
通过上位机与下位机各自的算法，实现多个频率情
况下对电机转速的控制，从而测得多个频率情况下
减振器位移信号和力信号，完成减振器测试．
在实际应用过程中，工控机串口为ＲＳ－２３２，
而变频器串口为ＲＳ－４８５，因此需要一个ＲＳ．２３２～ ＲＳ－４８５转换器，一端直接插在工控机串口ＲＳ．２３２
上，另一端工作方式为半双工的ＲＳ－４８５接口通过 屏蔽双绞线连接到变频器的接线端子上，这样装有
ＬａｂＶＩＥＷ软件的上位工控机就可以通过串口ＲＳ． ２３２转ＲＳ－４８５的工作方式与变频器进行通信，如
图３所示．
图３通信系统原理及接线示意图
ＬａｂＶＩＥＷ良好的虚拟仪器界面提供软按钮控
制及图形化的数据呈现，通过面板更改变频器的相
关控制参数可以实现频率改变、变量监控等功能，
可在控制界面实现测试现场的自动化控制．
２．２通信协议
要实现变频器与ＬａｂＶＩＥＷ的数据交流，需要
了解变频器与串口通信协议，为此必须十分熟悉变
频器的通信消息帧的结构．变频器一般为Ｍｏｄｂｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ通信协议，可以使用两种数据传输方式，
即ＡＳＣＩＩ模式和ＲＴＵ模式．Ｍｏｄｂｕｓ消息被传送设
备作为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在
消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一 个设备被选中，判断何时信息已完成．使用ＡＳＣＩＩ
模式，其编码意义为：每个８＿ｈｉｔ数据由两个ＡＳＣＩＩ
字符所组成．使用ＡＳＣＩＩ模式，消息以冒号“：”
字符（ＡＳＣＩＩ码３ＡＨ）开始，以回车换行符
（ＡＳＣＩＩ码０ＤＨ／０ＡＨ）结束．其它代码可以使用的
传输字符是十六进制的Ｏ…９和Ａ…Ｆ．其典型的消
息帧格式如表１所示．
表１ ＡＳＣＩＩ模式消息帧 嚣 一
车辆与动力技术
同时，正确实现计算机与变频器之间的通信，
必须将两者相对应的参数设置一致．如果设置不正
确或者遗漏设置选项，就会造成通信失效或者得不
到想要的参数变量．根据变频器用户使用手册 Ｊ，
设定变频器通信参数．在参数设置完毕以后，重启
变频器以接受新的参数．
２．３通信过程软件实现
在编写程序之前，必须安装与ＬａｂＶＩＥＷ程序
版本相匹配的ＶＩＳＡ驱动，帮助实现ＬＡＢＶＩＥＷ与
串口通信的正常运行．其工作步骤一般为：
１）初始化串口，调用ＶＩＳＡ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ Ｓｅｒｉａｌ
Ｐｏｒｔ．ｖｉ完成串口参数设置，包括设置端口号、
波特率、数据位、奇偶校验位、停止位和流控
制等；
２）利用ＶＩＳＡ ｗｒｉｔｅ．ｖｉ把要发送的数据按变频
器消息帧格式打包写入串口； ３）延时等待变频器的响应帧到达串口，一般
２００毫秒即可；
４）如需读取数据，利用ＶＩＳＡ Ｂｙｔｅ ａｔ Ｓｅｒｉａｌ
Ｐｏｒｔ．ｖｉ和ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ．ｖｉ读取串口缓冲区的数据；
５）利用ＶＩＳＡ Ｃｌｏｓｅ．ｖｉ关闭串口，停止所有读
写的操作，释放系统资源．
在ＬａｂＶＩＥＷ中，常常将具有一定功能的程序
封装成一个子ｖｉ．采用调用子ｖｉ的方法，可大大
简化流程图复杂程度、提高可读性、方便查看代码
和调试程序．由于变频器接受的数据格式为特定格
式的字符串，所以在命令写入串口之前必须进行数
据打包成通信协议格式，子ｖｉ的作用就是将各种
参数命令转换成通信协议消息帧（字符串），然后
写入串口．下图４是运行频率程序子ｖｉ，直接在前
面板输入运行频率数值，就可以直接转换为通信消
息帧．
检验码所用字节数组
３位置控制系统 图４运行频率程序实现子ｖｉ
所谓位置控制是指在指定的时刻将被控对象的
位置自动控制到预定目标位置，并使控制后的位置
与目标位置之差保持在允许偏差内．位置控制是为
减振器装卡时方便快捷而设计的，性能试验开始
前，系统将激振头下降到最低点附近，利于减振器
的装卡．
３．１控制原理
根据测试需要，设定预期的激振头位置（一
般为最低位置），工控机通过输出调节信号给变频
器，变频器按照要求控制电机的减速和制动停止，
最后激振头停在预期的设定位置，实现振动测试启
停点位置控制．采用应用最为广泛的闭环控制方式 ＰＩＤ控制器．通过给定信号与反馈信号相比较，并
根据比较结果来实时地纠正调节控制系统控制对象
的响应 ．ＰＩＤ控制系统如图５所示．
设定值 电机
图５ ＰＩＤ控制系统
变频器驱动回路可以看成一个比例环节，电动
机等效的数学模型也可以看成一个惯性环节．这样
只要合理选择各环节的系数，系统就能正常工作．
组成闭环控制系统的调节器大多采用ＰＩＤ控制算
法，在很多型号的变频器中都有此功能，但此类变
频器会比较昂贵，本系统使用一般变频器即可．