電子節(jié)氣門電機綜合性能測試系統(tǒng)的嵌入式電路設(shè)計

金一晨，韓 強

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

0 引言

近年來電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是微型計算機技術(shù)的巨大進步，為汽車電子技術(shù)的發(fā)展提供了條件。電子節(jié)氣門（ETC）電機已經(jīng)在汽車上得到廣泛的應(yīng)用，以實現(xiàn)發(fā)動機節(jié)氣門開度的精準控制，提高了汽車的舒適性、操控性、燃油經(jīng)濟性。在此過程中，ETC電機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電機進行以下項目的測試：定位轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)、電機動態(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、機械/電氣時間常數(shù)、啟動電流、電流波形采集。為了方便快捷地完成這一系列測試項目，現(xiàn)提出了一種基于STM32F103ZET6芯片的綜合測試方案，該方案已在實踐中被證明具有完善、可靠的功能，可以滿足ETC電機的測試需求。

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)計和測試過程中的各項要求，完成準確、高效的測試任務(wù)，測試過程中各個變量須滿足如下調(diào)節(jié)范圍與控制精度。

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

ETC電機輸出扭矩：范圍1～150mNm，精度±0.1mNm。

ETC電機旋轉(zhuǎn)方向：雙向。

1.2 整體架構(gòu)

ETC電機綜合性能測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由測試機架和測控裝置組成，其中測試機架部分包括待測電機、通軸式扭矩/角度傳感器和力矩電機，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、力矩電機驅(qū)動器、PC和CAN總線中繼器。測試時，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供電，同時力矩電機產(chǎn)生反拖力矩，傳感器模塊接受實時檢測數(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，便于用戶實時觀察數(shù)據(jù)并保存測試結(jié)果。

圖1 ETC電機綜合性能測試系統(tǒng)

由于測試時需要頻繁切換待測電機的正/反轉(zhuǎn)，選用型號為lsd_50p75FID2的全隔離型直流電機正/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)同時導通，滿足測試需求。

各項不同測試項目要求程控電源能夠精確控制對待測電機施加的電壓和電流，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到1mA、1mV，滿足控制要求，同時它具有壓降補償功能，可以在大電流測試時有效補償線阻產(chǎn)生的壓降。

2 硬件設(shè)計

2.1 嵌入式測控板卡設(shè)計

對ETC電機的各項綜合測試需要采集大量數(shù)據(jù)，并顯示在PC機上，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到1MHz bps[1]，可以滿足設(shè)計要求。同時系統(tǒng)要求芯片具有可進行輸入捕獲的定時器、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lsd_50p75FID2電機正/反轉(zhuǎn)切換模塊，實現(xiàn)對電機的正/反控制。由于CPU的控制總線端口都有一定的負載能力，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Doport端口被置0時，P521光耦導通，繼電器吸合開關(guān)，產(chǎn)生DO信號，這樣的設(shè)計可以保護主控芯片，增強其驅(qū)動能力同時還有防抖濾波的作用。本系統(tǒng)中需要驅(qū)動一臺電機，用到2個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。

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現(xiàn)了電氣隔離，具有抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點[2]。當外部信號上升沿電壓不穩(wěn)時，可以起到電壓補償?shù)淖饔谩?4HC14AD是一個六反相斯密特觸發(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。當其他脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，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準。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，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

標準RS232電平很高，達正負15V常用的TTL電平最高5V。相互連接的話，必須進行電平轉(zhuǎn)換，由于在使用及系統(tǒng)搭建調(diào)試時串口輸出電壓會達到12V，直接與單片機連接會燒壞芯片，所以用MAX232來進行電平轉(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總線實現(xiàn)PC與測控板卡的通訊。CAN總線能夠進行分布式控制，并且實時監(jiān)控串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高，抗干擾能力強，糾錯能力強等特點[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確性，需要在終端并聯(lián)一個120Ω的電阻。

2.6 A/D模塊

外部電流電壓信號在進入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，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)時間最快可以達到1us；其測量精度可達到1%[6]。信號采集電路如圖8所示，在12V兩端并聯(lián)兩個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

PC機與下位機的通訊利用CAN總線中繼器，根據(jù)CAN總線的通訊協(xié)議編寫PC機與下位機的代碼。其中PC機上程序使用MFC編寫，程序根據(jù)不同測試項目分為多個模塊，模塊之間代碼互相獨立，實現(xiàn)所需功能的同時防止出現(xiàn)嚴重bug，并可方便地進行二次開發(fā)。程序主界面如圖9所示。

圖9 測試界面

下位機程序使用KeilμVision編寫，程序利用STM32F10ZET6芯片控制MCU上的各個模塊，實現(xiàn)與上位機的通訊、發(fā)回傳感器數(shù)據(jù)、控制電機、接收傳感器數(shù)據(jù)等功能。程序運行模式如圖10所示。主程序包括進行時鐘配置，定時器、串口通訊等多個模塊的初始化。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 程序運行流程圖

4 結(jié)束語

本測試平臺設(shè)計了一種可以對汽車ETC電機多項性能指標進行測試的智能系統(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，該系統(tǒng)可以方便地進行二次開發(fā)，能夠滿足多樣的升級需求。通過實際的測試檢驗，該系統(tǒng)運行過程穩(wěn)定、可靠，測試結(jié)果準確，可以簡化測試步驟，縮短測試時間，具有極大的實際意義。