金一晨，韓 強(qiáng)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

近年來電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步，為汽車電子技術(shù)的發(fā)展提供了條件。電子節(jié)氣門（ETC）電機(jī)已經(jīng)在汽車上得到廣泛的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度的精準(zhǔn)控制，提高了汽車的舒適性、操控性、燃油經(jīng)濟(jì)性。在此過程中，ETC電機(jī)的綜合性能和可靠性尤為重要。

根據(jù)Delphi工程規(guī)范：ESP24106784的要求，需對ETC電機(jī)進(jìn)行以下項(xiàng)目的測試：定位轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)、電機(jī)動(dòng)態(tài)電阻、堵轉(zhuǎn)力矩、堵轉(zhuǎn)電流、空載轉(zhuǎn)速、空載電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、機(jī)械/電氣時(shí)間常數(shù)、啟動(dòng)電流、電流波形采集。為了方便快捷地完成這一系列測試項(xiàng)目，現(xiàn)提出了一種基于STM32F103ZET6芯片的綜合測試方案，該方案已在實(shí)踐中被證明具有完善、可靠的功能，可以滿足ETC電機(jī)的測試需求。

1 測試需求及整體架構(gòu)

1.1 測試需求

根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測試過程中的各項(xiàng)要求，完成準(zhǔn)確、高效的測試任務(wù)，測試過程中各個(gè)變量須滿足如下調(diào)節(jié)范圍與控制精度。

ETC電機(jī)負(fù)載電流：范圍0～10A，精度±0.1A。ETC電機(jī)適用電壓：范圍2～30V，精度±0.1V。ETC電機(jī)許用轉(zhuǎn)速：范圍0～8500rpm，精度±0.1 rpm。

ETC電機(jī)輸出扭矩：范圍1～150mNm，精度±0.1mNm。

ETC電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向：雙向。

1.2 整體架構(gòu)

ETC電機(jī)綜合性能測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由測試機(jī)架和測控裝置組成，其中測試機(jī)架部分包括待測電機(jī)、通軸式扭矩/角度傳感器和力矩電機(jī)，三者使用聯(lián)軸器相連。測控裝置包括嵌入式測控板卡（MCU）、正/反轉(zhuǎn)控制器、程控電源、力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PC和CAN總線中繼器。測試時(shí)，根據(jù)不同測試的要求，用戶在PC端操作發(fā)出指令，控制程控電源給待測電機(jī)供電，同時(shí)力矩電機(jī)產(chǎn)生反拖力矩，傳感器模塊接受實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)并發(fā)送至嵌入式測控板卡，測控板卡再通過CAN總線中繼器將數(shù)據(jù)上傳至PC端，便于用戶實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)并保存測試結(jié)果。

圖1 ETC電機(jī)綜合性能測試系統(tǒng)

由于測試時(shí)需要頻繁切換待測電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，選用型號為lsd_50p75FID2的全隔離型直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)控制模塊，模塊內(nèi)部采用MOSFET功率管做輸出器件，導(dǎo)通壓降小，可靠性高，壽命長。模塊內(nèi)A向和B向之間轉(zhuǎn)換在控制端設(shè)置了硬件軟件互鎖，可有效防止正反轉(zhuǎn)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，滿足測試需求。

各項(xiàng)不同測試項(xiàng)目要求程控電源能夠精確控制對待測電機(jī)施加的電壓和電流，為了滿足測試要求，選用恒惠HSP系列可編程開關(guān)直流電源。該電源的分辨率可達(dá)到1mA、1mV，滿足控制要求，同時(shí)它具有壓降補(bǔ)償功能，可以在大電流測試時(shí)有效補(bǔ)償線阻產(chǎn)生的壓降。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式測控板卡設(shè)計(jì)

對ETC電機(jī)的各項(xiàng)綜合測試需要采集大量數(shù)據(jù)，并顯示在PC機(jī)上，由于采集速度很快，本系統(tǒng)需先將獲得的數(shù)據(jù)存儲在芯片的FLASH中。下位機(jī)與PC的通訊使用CAN總線通訊，相比于速度較慢的RS485通訊，CAN的通訊速度最高可以達(dá)到1MHz bps[1]，可以滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)系統(tǒng)要求芯片具有可進(jìn)行輸入捕獲的定時(shí)器、I/O引腳等硬件條件，基于上述需求本控制系統(tǒng)選用STM32F103ZET6作為主控芯片，它是32位基于ARM核心帶512k字節(jié)閃存的微控制器。

根據(jù)功能要求，在板卡上設(shè)計(jì)了如圖2所示的外部電路。

圖2 測控板卡模塊

2.2 DO模塊

DO模塊用于驅(qū)動(dòng)lsd_50p75FID2電機(jī)正/反轉(zhuǎn)切換模塊，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的正/反控制。由于CPU的控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，本系統(tǒng)使用74HC245總線收發(fā)器作為緩沖，利用其14-13引腳作為信號輸入，6-7引腳作為信號輸出。

此芯片的外部電路如圖3所示，當(dāng)Doport端口被置0時(shí)，P521光耦導(dǎo)通，繼電器吸合開關(guān)，產(chǎn)生DO信號，這樣的設(shè)計(jì)可以保護(hù)主控芯片，增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力同時(shí)還有防抖濾波的作用。本系統(tǒng)中需要驅(qū)動(dòng)一臺電機(jī)，用到2個(gè)DO端口控制正/反切換模塊，控制規(guī)則如圖4所示。

圖3 DO模塊電路

表1 正/反轉(zhuǎn)控制規(guī)則

2.3 輸入捕獲模塊

測控板卡的輸入捕獲模塊用于捕獲寶宜威0261E扭矩/角度傳感器的角度信號，CPU捕捉到脈沖信號的頻率后換算成角度值發(fā)送給PC機(jī)。

圖4 輸入捕獲模塊

輸入捕獲模塊的外部電路如圖4所示，在外部信號輸入端口Hcin與CPU的CAP引腳之間使用了6N137光耦合器和74HC14AD六反相斯密特觸發(fā)器。其中光耦合器是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，具有抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。當(dāng)外部信號上升沿電壓不穩(wěn)時(shí)，可以起到電壓補(bǔ)償?shù)淖饔谩?4HC14AD是一個(gè)六反相斯密特觸發(fā)器，通常從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時(shí)，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。通過使用施密特反相觸發(fā)器整形可以得到比較理想的矩形脈沖波形，消除信號干擾導(dǎo)致的測量誤差。

2.4 RS232通訊模塊

RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率為0～20kb/s的通信[3]。系統(tǒng)中的RS232通訊模塊用于CPU與恒惠程控電源間的通訊。在測試時(shí)，根據(jù)不同的測試要求控制程控電源以特定值的恒流源或恒壓源工作。模塊電路圖如圖5所示。

圖5 RS232模塊

標(biāo)準(zhǔn)RS232電平很高，達(dá)正負(fù)15V常用的TTL電平最高5V。相互連接的話，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，由于在使用及系統(tǒng)搭建調(diào)試時(shí)串口輸出電壓會達(dá)到12V，直接與單片機(jī)連接會燒壞芯片，所以用MAX232來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使串行通信的性能更加可靠，而且成本低廉[4]。

2.5 CAN通訊模塊

本系統(tǒng)利用CAN總線實(shí)現(xiàn)PC與測控板卡的通訊。CAN總線能夠進(jìn)行分布式控制，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。模塊電路如圖6所示。

圖6 CAN模塊

其中CAN總線收發(fā)器選用UC5350，它是CAN控制器和物理總線之間的接口，作用是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，在兩條有差分電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。為了防止回波反射，提高通信可靠性和準(zhǔn)確性，需要在終端并聯(lián)一個(gè)120Ω的電阻。

2.6 A/D模塊

外部電流電壓信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換之前先經(jīng)過信號調(diào)理電路，以提高其測量精度。其中運(yùn)算放大器選用LM358，用于放大信號電壓，電路如圖7所示。

圖7 信號調(diào)理電路

圖中VHall端接TBC25D霍爾傳感器，該型號傳感器具有可靠性高，測量范圍廣，響應(yīng)速度快，測量精度高，線性度好，工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，可以測量在0～100kHz頻率范圍內(nèi)的任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖、三角波形等；響應(yīng)時(shí)間最快可以達(dá)到1us；其測量精度可達(dá)到1%[6]。信號采集電路如圖8所示，在12V兩端并聯(lián)兩個(gè)0.1μF的電容可以起到濾波防抖的作用。

圖8 信號采集電路

3 軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)與下位機(jī)的通訊利用CAN總線中繼器，根據(jù)CAN總線的通訊協(xié)議編寫PC機(jī)與下位機(jī)的代碼。其中PC機(jī)上程序使用MFC編寫，程序根據(jù)不同測試項(xiàng)目分為多個(gè)模塊，模塊之間代碼互相獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)所需功能的同時(shí)防止出現(xiàn)嚴(yán)重bug，并可方便地進(jìn)行二次開發(fā)。程序主界面如圖9所示。

圖9 測試界面

下位機(jī)程序使用KeilμVision編寫，程序利用STM32F10ZET6芯片控制MCU上的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊、發(fā)回傳感器數(shù)據(jù)、控制電機(jī)、接收傳感器數(shù)據(jù)等功能。程序運(yùn)行模式如圖10所示。主程序包括進(jìn)行時(shí)鐘配置，定時(shí)器、串口通訊等多個(gè)模塊的初始化。對傳感器數(shù)據(jù)的采集和RS232、CAN總線的通訊代碼則包含在定時(shí)器中斷函數(shù)中，利用高頻率的更新中斷完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖10 程序運(yùn)行流程圖

4 結(jié)束語

本測試平臺設(shè)計(jì)了一種可以對汽車ETC電機(jī)多項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試的智能系統(tǒng)，并搭建了滿足測試要求的PCB板和測試程序。得益于程序的模塊化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)，能夠滿足多樣的升級需求。通過實(shí)際的測試檢驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行過程穩(wěn)定、可靠，測試結(jié)果準(zhǔn)確，可以簡化測試步驟，縮短測試時(shí)間，具有極大的實(shí)際意義。