張雅琴，范偉軍,2，郭斌,2，江文松

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江杭州 310018)

0 前言

電子水泵根據(jù)車輛工況調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻液流量，實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)機(jī)的溫度調(diào)控，是新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的重要組成部分。性能測(cè)試是水泵研發(fā)和生產(chǎn)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。目前汽車電子水泵測(cè)試技術(shù)研究和裝備研制尚未跟上電子水泵發(fā)展，其測(cè)試技術(shù)的研究主要集中在傳統(tǒng)水泵方面。重慶理工大學(xué)的小型水泵測(cè)試系統(tǒng)在常溫下可測(cè)得水泵流量、揚(yáng)程、軸效率等性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的快速采集。朱桂英設(shè)計(jì)的便捷水泵氣密性檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)采用差壓方式檢測(cè)水泵氣密性。陶冉和張輝采用嵌入式和模擬電路的方式設(shè)計(jì)了水泵通用測(cè)試系統(tǒng)。國內(nèi)外與電子水泵測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)的公開文獻(xiàn)較少，企業(yè)生產(chǎn)用的電子水泵測(cè)試臺(tái)質(zhì)量參差不齊，存在自動(dòng)化程度不高、功能單一等問題，因此開發(fā)自動(dòng)化、多功能的電子水泵測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。針對(duì)現(xiàn)有的問題，設(shè)計(jì)一套電子水泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，適用于不同功率汽車電子水泵的測(cè)試，以滿足電子水泵廠商研發(fā)與生產(chǎn)需求。

1 系統(tǒng)測(cè)試需求分析

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 288.2—2001與JB/T 8126.9—2017及相關(guān)企業(yè)需求，冷卻水泵型式檢驗(yàn)主要包括性能試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)等。通過測(cè)試一定工況下電子水泵的流量、電壓、電流、進(jìn)出口壓力，計(jì)算揚(yáng)程、功率、效率、汽蝕余量等性能參數(shù)，完成電子水泵的流量-揚(yáng)程、流量-功率、流量-效率、流量-汽蝕余量性能曲線繪制。

與機(jī)械冷卻水泵不同的是，電子水泵轉(zhuǎn)速由自身集成系統(tǒng)控制，給定電壓與控制信號(hào)可使內(nèi)部直流無刷電機(jī)以相應(yīng)轉(zhuǎn)速工作。測(cè)試電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算水泵輸入功率的傳統(tǒng)方式不適用電子水泵的測(cè)試，因此配備可編程電源回讀水泵運(yùn)行時(shí)的電壓，通過電流電壓計(jì)算電機(jī)的輸入功率，再乘以效率系數(shù)即可作為電子水泵的輸入功率。

測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：流量測(cè)量范圍0～500 L/min，測(cè)量精度±0.2%FS；進(jìn)出口壓力測(cè)量范圍-100～200 kPa，測(cè)試精度±0.1%FS；電流測(cè)量范圍0～30 A，測(cè)試精度±0.1%FS；可編程電源電壓供電范圍0～24 V，回讀精度±0.1%FS，功率范圍0～200 W；溫度測(cè)量范圍-20～100 ℃，測(cè)量精度±0.2%FS，溫度控制范圍0～80 ℃，控制精度±2 ℃。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括測(cè)試管路與測(cè)試方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試管路，并確定電子水泵的性能測(cè)試方案，根據(jù)測(cè)試方案設(shè)計(jì)硬件與軟件程序。

2.1 系統(tǒng)測(cè)試管路設(shè)計(jì)

泵試驗(yàn)臺(tái)分為開式試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與閉式試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，二者都可用于電子水泵揚(yáng)程、功率、效率的性能測(cè)試。對(duì)于汽蝕試驗(yàn)，開式試驗(yàn)臺(tái)需要在電子水泵入口處設(shè)置閥門，通過節(jié)流的方式增加水泵入口處的真空度。這種控制方式易產(chǎn)生局部汽蝕，影響水泵汽蝕測(cè)試精度并加速閥門老化。因此，此系統(tǒng)中采用閉式試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，通過抽真空方式降低入口壓力，避免開式試驗(yàn)臺(tái)帶來的局部汽蝕問題。設(shè)計(jì)閉式電子水泵綜合性能測(cè)試管路如圖1所示。

圖 1 電子水泵綜合性能測(cè)試管路示意

將待測(cè)電子水泵1置于工作臺(tái)上與進(jìn)口管道更換閥3和出口管道更換閥2連接，進(jìn)口段管路裝有溫度傳感器10、差壓傳感器12、進(jìn)口壓力傳感器5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試管路進(jìn)口溫度、壓力，出口段管路除出口壓力傳感器11與差壓傳感器12外還裝有流量計(jì)14與流量比例閥15，用于調(diào)節(jié)管路流量；進(jìn)出口管路與主水箱18連接，其開閉由手動(dòng)球閥和進(jìn)口三通閥7與出口三通閥13控制。測(cè)試時(shí)電子水泵在指定轉(zhuǎn)速下抽取主水箱底部測(cè)試介質(zhì)；測(cè)試介質(zhì)流經(jīng)入口三通閥7進(jìn)入電子水泵入口，流經(jīng)出口三通閥13與比例閥15回到封閉主水箱，形成閉合測(cè)試回路真空泵接封閉水箱頂部真空泵24，用于汽蝕測(cè)試抽真空。以水箱上的安全閥21和壓力表19確保水箱內(nèi)氣壓安全。主水箱內(nèi)設(shè)加熱棒17控制測(cè)試介質(zhì)的加熱；主水箱液位傳感器16實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱液位；副水箱8存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)束后電子水泵內(nèi)剩余的液體。副水箱的液位計(jì)6測(cè)量到滿液位后，補(bǔ)液泵9將副水箱內(nèi)液體自動(dòng)抽取回主水箱。

2.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

測(cè)試方案包括通用性能測(cè)試方案與汽蝕性能測(cè)試方案。其中，通用性能測(cè)試包括流量-揚(yáng)程、流量-功率、流量-效率性能曲線測(cè)試，汽蝕性能測(cè)試即流量-汽蝕余量曲線測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將被測(cè)電子水泵安裝于工作臺(tái)上，確保其進(jìn)出口連接部分完全密封。

2.2.1 通用性能測(cè)試方案

依據(jù)相關(guān)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，水泵通用性能測(cè)試要求在水泵40%～120%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，根據(jù)測(cè)試管路通過的流量最大值與最小值均勻設(shè)置不少于8個(gè)流量工作點(diǎn)。通過 PID控制，調(diào)節(jié)出口比例閥的開度使流量穩(wěn)定在流量點(diǎn)。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電子水泵測(cè)試管路進(jìn)出口壓力、溫度、流量、電子水泵的工作電壓與電流參數(shù)值，當(dāng)流量計(jì)監(jiān)控到管路內(nèi)流量穩(wěn)定一段時(shí)間后，記錄電子水泵的各參數(shù)值。已知管徑、進(jìn)出口高度差、液體密度參數(shù)和重力加速度，計(jì)算得到電子水泵在額定轉(zhuǎn)速下的流量-揚(yáng)程、流量-功率、流量-效率曲線。

2.2.2 汽蝕性能測(cè)試方案

一般汽蝕測(cè)試采用定流量方式，抽真空過程中流量穩(wěn)定時(shí)間長，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)變流量的測(cè)試方法。設(shè)置比例閥開度，打開真空泵入口閥，運(yùn)行變頻真空泵控制主水箱水面壓力，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵進(jìn)出口壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器的值，并根據(jù)對(duì)應(yīng)溫度傳感器的示值獲得介質(zhì)的汽化壓力，計(jì)算電子水泵的汽蝕余量與揚(yáng)程。實(shí)時(shí)顯示揚(yáng)程-汽蝕余量曲線，并計(jì)算揚(yáng)程曲線下降值，當(dāng)揚(yáng)程下降3%時(shí)控制真空泵停止抽真空，此時(shí)電子水泵已發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，打開排氣閥恢復(fù)水箱壓力，電子水泵停止工作。記錄并繪制該過程揚(yáng)程與裝置汽蝕余量的對(duì)應(yīng)曲線，找出揚(yáng)程下降3%點(diǎn)處的汽蝕余量與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的流量。設(shè)置不同的開度進(jìn)行相同試驗(yàn)，得到不同流量條件下對(duì)應(yīng)的汽蝕余量，繪制生成汽蝕余量-揚(yáng)程和流量-汽蝕余量曲線。

2.3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以研華工控機(jī)為核心，根據(jù)功能大致可劃分為數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理模塊、控制模塊、通信模塊。如圖2所示，工控機(jī)通過與數(shù)據(jù)采集卡、PLC、溫控儀通信獲得測(cè)試參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意

數(shù)據(jù)采集模塊選用研華PCI-1716L板卡采集測(cè)試管路中進(jìn)出口壓力傳感器、差壓傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、電流傳感器的數(shù)據(jù)，共計(jì)6個(gè)模擬量輸入。數(shù)據(jù)采集卡以中斷的工作方式實(shí)現(xiàn)傳感器輸出電流信號(hào)的高速采集。各傳感器將壓力、差壓、流量、電流、溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)，經(jīng)過PA-1187信號(hào)隔離器調(diào)制、隔離、解調(diào)與放大，消除信號(hào)內(nèi)耦合噪聲并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)輸入至研華板卡AI通道。

控制模塊以PLC為核心，在測(cè)試過程中主要通過控制各閥門與泵的工作狀態(tài)來控制測(cè)試流程、讀取水箱溫度液位狀態(tài)以確保系統(tǒng)安全。選用具有14位DI、10位DO與2位AI的西門子s7-1200 CPU 1214，擴(kuò)展具有4位模擬輸入的SM1231和2位模擬輸出的SM1232。選用具有0.01 ℃分辨率的宇電AI716溫控儀，通過RS485串口通信與工控機(jī)交互數(shù)據(jù)，控制加熱棒工作，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的溫度控制。

為滿足不同電子水泵的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)擴(kuò)展CAN、LIN轉(zhuǎn)接口與PWM發(fā)生器，允許通過LIN、CAN或PWM控制電子水泵工作轉(zhuǎn)速；PLC通過以太網(wǎng)與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。被測(cè)電子水泵供電采用沃森120 V/30 A直流可編程電源，可在供電范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)供電電壓，回讀電壓電流值。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。

2.4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)電子水泵性能綜合測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)程序，采用用戶界面事件處理器設(shè)計(jì)方式，按下機(jī)械按鈕或是布爾控件，執(zhí)行事件分支程序。軟件主要實(shí)現(xiàn)功能包括用戶管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與查詢、主界面可視化測(cè)試過程、故障報(bào)警等輔助功能。

用戶管理分層設(shè)計(jì)，管理員可進(jìn)行參數(shù)修改、用戶管理，操作員僅有測(cè)試權(quán)限。參數(shù)設(shè)置采用樹形選項(xiàng)卡實(shí)現(xiàn)，包括測(cè)試項(xiàng)選擇、水泵與傳感器參數(shù)、通信設(shè)置。數(shù)據(jù)處理模塊選擇均值濾波算法消除采集信號(hào)的噪聲，對(duì)采集信號(hào)的每80個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域平均，得到去噪后各被測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算揚(yáng)程、功率、效率，并繪制對(duì)應(yīng)流量-揚(yáng)程、流量-功率、流量-效率擬合曲線。對(duì)汽蝕試驗(yàn)的入口壓力-揚(yáng)程曲線中每5個(gè)揚(yáng)程數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，計(jì)算得揚(yáng)程下降3%的點(diǎn)為汽蝕點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與查詢的實(shí)現(xiàn)基于LabSQL模塊，通過ADO數(shù)據(jù)接口訪問Access數(shù)據(jù)庫，并執(zhí)行相關(guān)SQL指令，將性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；設(shè)計(jì)用戶查詢界面，訪問數(shù)據(jù)庫并根據(jù)時(shí)間查詢所測(cè)數(shù)據(jù)。在測(cè)試主界面中采用布爾元件模擬液體在管道內(nèi)流動(dòng)情況與閥門開閉情況。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面顯示各流量點(diǎn)與性能參數(shù)值。測(cè)試主界面與測(cè)試監(jiān)測(cè)界面分別如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)測(cè)試主界面

圖4 性能測(cè)試監(jiān)測(cè)界面

2.4.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW與PLC之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換，包括參數(shù)設(shè)置與控制指令傳遞由OPC server實(shí)現(xiàn)。PLC程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要模塊為設(shè)備復(fù)位、數(shù)據(jù)收發(fā)與轉(zhuǎn)換、流量控制、周邊控制、測(cè)試流程控制等。設(shè)備復(fù)位包括進(jìn)出口三通閥、排氣閥、流量比例閥等復(fù)位。數(shù)據(jù)收發(fā)與轉(zhuǎn)換為傳感器的模擬量與工程量的轉(zhuǎn)換、交互變量的賦值?；赑ID組態(tài)實(shí)現(xiàn)流量控制，通過自適應(yīng)方式調(diào)節(jié)比例積分微分系數(shù)，控制比例閥的模擬量輸出，調(diào)整閥門開閉使流量穩(wěn)定在流量測(cè)試點(diǎn)。周邊控制包括真空泵的變頻控制與排壓閥控制。

3 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有電子水泵性能測(cè)試系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度低、功能單一等問題，研制一種電子水泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。采用電氣自動(dòng)化技術(shù)，利用PLC控制閥門與泵的動(dòng)作，配合高精度數(shù)據(jù)采集卡完成相關(guān)測(cè)試參數(shù)的采集，實(shí)現(xiàn)汽車電子水泵的全自動(dòng)綜合性能測(cè)試。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，經(jīng)重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已應(yīng)用于某電子水泵生產(chǎn)廠的水泵研發(fā)與生產(chǎn)。