電驅(qū)動(dòng)控制器耐久性激活測(cè)試系統(tǒng)淺析

喻建軍　李辰　任勇　陳偉鵬　韓濤

摘 要：本文較為詳細(xì)的介紹了“電驅(qū)動(dòng)控制器耐久性激活”測(cè)試系統(tǒng)的解決方案。該測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)PLC控制電驅(qū)動(dòng)控制器的多種高/低電壓信號(hào)有序接通/斷開(kāi)，同時(shí)PLC與電驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)CAN報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。由此提供一個(gè)閉環(huán)控制、高性?xún)r(jià)比的“耐久性激活”測(cè)試系統(tǒng)的新思路。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)控制器 PLC CAN

1 前言

隨著國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)井噴式發(fā)展，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迭代升級(jí)正在高速邁進(jìn)。作為新能源汽車(chē)“心臟”——電驅(qū)動(dòng)總成，其性能永遠(yuǎn)是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。而電驅(qū)動(dòng)總成的“大腦”——電驅(qū)動(dòng)控制器，則是電驅(qū)動(dòng)總成成敗的關(guān)鍵。優(yōu)秀的電驅(qū)動(dòng)控制器理論設(shè)計(jì)需要實(shí)踐測(cè)試來(lái)驗(yàn)證評(píng)估。本文將對(duì)電驅(qū)動(dòng)控制器關(guān)鍵性能指標(biāo)之一 ——“耐久性激活”測(cè)試的閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行淺析，為該類(lèi)型測(cè)試提供一種新思路和解決方案。如圖1所示。

2 耐久性激活測(cè)試系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

“耐久性激活”測(cè)試系統(tǒng)，主要包含：低壓控制模塊、CAN報(bào)文監(jiān)控模塊、高壓直流控制模塊、預(yù)充/主動(dòng)放電模塊、模擬旋變信號(hào)模塊五部分。該系統(tǒng)的測(cè)試原理：通過(guò)PLC編程，周期性“通&斷”電驅(qū)動(dòng)控制器的各種高、低壓信號(hào)，并且同時(shí)PLC控制閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)模擬電驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)，從而激發(fā)電驅(qū)動(dòng)總成的旋變信號(hào)。PLC通過(guò)第三方通信廠家的“TCP-CAN”模塊監(jiān)測(cè)電驅(qū)控制器反饋的CAN報(bào)文信息并記錄，并針對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成突發(fā)的錯(cuò)誤或故障及時(shí)采取應(yīng)對(duì)舉措，形成閉環(huán)控制。由此實(shí)現(xiàn)更加安全、高效、低成本的測(cè)試模式，如圖2所示。

3 模擬旋變信號(hào)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)速模擬

模擬旋變信號(hào)模塊作為“耐久性激活”測(cè)試系統(tǒng)中主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，其可靠性和效費(fèi)比顯得尤其重要。該模擬旋變信號(hào)模塊已經(jīng)由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式水平軸“一個(gè)電機(jī)對(duì)一個(gè)旋變”結(jié)構(gòu)，變更為垂直向下方向雙軸承定位的“一個(gè)電機(jī)對(duì)多個(gè)旋變”結(jié)構(gòu)。在兼顧了轉(zhuǎn)速和扭矩滿(mǎn)足測(cè)試需求的前提下，大幅提升可靠性和效費(fèi)比。該模塊可同時(shí)安裝4個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，連接4臺(tái)電驅(qū)動(dòng)控制器測(cè)試。同時(shí)該模塊在外框架結(jié)構(gòu)四周加裝克力材質(zhì)的透明擋板，既能便于觀察旋轉(zhuǎn)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，又能防止在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中有異物飛出傷人。

亞克力板上安裝有接線(xiàn)端子，便于引出旋變線(xiàn)束，讀取旋變信號(hào)，如圖3所示。該接線(xiàn)端子為螺絲壓緊結(jié)構(gòu)，接線(xiàn)靈活、便捷。模擬旋變信號(hào)模塊主體使用電木材料，剛性、強(qiáng)度滿(mǎn)足技術(shù)要求，且絕緣性良好。目前大多數(shù)模擬旋變信號(hào)模塊驅(qū)動(dòng)源選用的是直流無(wú)刷電機(jī)、開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)或者交流伺服電機(jī)，用其模擬電驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)旋變轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。但是直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速不精確，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速通常只能達(dá)到600rpm，轉(zhuǎn)速較低，且長(zhǎng)時(shí)間高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)熱發(fā)生故障。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速可精確控制，額定工作轉(zhuǎn)速較高，但其價(jià)格昂貴，在此應(yīng)用場(chǎng)景中性?xún)r(jià)比很低。反觀“閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)”，即閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)+閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，既能實(shí)現(xiàn)較高運(yùn)行轉(zhuǎn)速（高速可達(dá)2000rpm），也能較為精確的控制和反饋轉(zhuǎn)速。并且在長(zhǎng)時(shí)間高轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下，機(jī)體發(fā)熱情況良好，且噪音低、振動(dòng)小，性?xún)r(jià)比較高。PLC通過(guò)脈沖指令能輕易控制“閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)”。因此“閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)”是此應(yīng)用場(chǎng)景下的不二之選。

4 PLC實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文數(shù)據(jù)收發(fā)

當(dāng)前在汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)控制器監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，普遍使用PCAN或CANOE等開(kāi)發(fā)硬件工具配合配套專(zhuān)用上位機(jī)軟件，用于監(jiān)測(cè)和錄取電驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)出的CAN報(bào)文。但PCAN或CANOE自身無(wú)對(duì)外擴(kuò)展的I/O功能，且通常只能實(shí)現(xiàn)1個(gè)PCAN或CANOE與1臺(tái)被測(cè)樣機(jī)通信。如果監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要進(jìn)行外部I/O擴(kuò)展及多通道CAN報(bào)文同時(shí)監(jiān)測(cè)，則需定制專(zhuān)用的帶有I/O擴(kuò)展功能的CAN通信板卡，此類(lèi)型板卡設(shè)計(jì)采購(gòu)費(fèi)用動(dòng)輒過(guò)萬(wàn)。

PLC作為工業(yè)生產(chǎn)的邏輯控制基礎(chǔ)單元，具有強(qiáng)大的I/O控制、模擬量監(jiān)測(cè)、多種模式通信能力。尤其在通信模式上，PLC正變得越來(lái)越豐富，例如TCP/IP、RS485、Modbus、Profinet等。通常一線(xiàn)品牌廠家（例如西門(mén)子、三菱等）的低端PLC不具備CAN報(bào)文的收發(fā)能力。而這些廠家的PLC產(chǎn)品中，只有中、高端PLC在配置自家生產(chǎn)的專(zhuān)用CAN通信模塊才能實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文的收發(fā)，而配置該類(lèi)型CAN收發(fā)模塊也需花費(fèi)數(shù)千。

目前PLC在汽車(chē)整車(chē)及零部件檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其在數(shù)據(jù)通信方式上PLC正在呈多樣化和相互交融的趨勢(shì)。當(dāng)前眾多第三方通信協(xié)議科研廠家為了降低工控自動(dòng)化領(lǐng)域的工程項(xiàng)目中各種通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)化成本，陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了各種通信協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的成品模塊，例如TCP與CAN轉(zhuǎn)換、Modbus與CAN轉(zhuǎn)換、RS485與TCP轉(zhuǎn)換等。通過(guò)選擇第三方廠家提供的“TCP-CAN通信協(xié)議轉(zhuǎn)換”模塊，可將電驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)送出的報(bào)文從CAN2.0B協(xié)議轉(zhuǎn)化為T(mén)CP/IP協(xié)議，而PLC與第三方模塊的硬件連接通常只需要一根普通的成品網(wǎng)線(xiàn)，被測(cè)樣機(jī)連接到第三方模塊也僅需要一根兩芯屏蔽雙絞線(xiàn)。西門(mén)子、三菱等品牌的低端PLC編程軟件也帶有“TCP/IP協(xié)議收/發(fā)指令”。例如使用西門(mén)子S7-200SMART PLC，在其編程軟件中首先通過(guò)調(diào)用“TCP_CONNECT”模塊，將第三方通信轉(zhuǎn)換模塊視為服務(wù)器，使用TCP_client客戶(hù)端模式讓PLC主動(dòng)訪問(wèn)第三方通信轉(zhuǎn)換模塊。在“TCP_CONNECT”中設(shè)置好第三方通信轉(zhuǎn)換模塊的IP地址、RemPort端口以及ConnID，并一直“使能”和“激活”。再使用“TCP_RECV”模塊，指定接受字節(jié)長(zhǎng)度和存儲(chǔ)區(qū)起始地址。通過(guò)軟件編程比對(duì)“幀ID”是否與所需一致，就能使PLC接收到指定“幀ID”處13個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的報(bào)文，如圖4所示。

最后結(jié)合被測(cè)電驅(qū)動(dòng)總成的“通信矩陣表”釋義和所接收到指定的“幀ID”報(bào)文，使用PLC編程軟件中的字“與邏輯運(yùn)算”和字“右移位運(yùn)算”指令，便可以提取到所需的特定長(zhǎng)度的“字節(jié)”或“位”信息，從而實(shí)現(xiàn)解析報(bào)文內(nèi)容的目的，如圖5所示。最后將解析完成的報(bào)文中有用的數(shù)據(jù)信息從16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)數(shù)，便于后續(xù)PLC進(jìn)行I/O邏輯控制、數(shù)據(jù)閾值的判斷。

通常“TCP-CAN通信模塊”至少有2通道，可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)被測(cè)樣機(jī)的CAN報(bào)文同時(shí)監(jiān)測(cè)。如果再結(jié)合多LAN口的工業(yè)交換機(jī)一并使用，通過(guò)設(shè)置不同的IP地址，則可以大幅度的拓展CAN通道（理論上最多255個(gè)通道），實(shí)現(xiàn)更多的被測(cè)樣機(jī)同時(shí)域監(jiān)測(cè)，如圖6所示。最后在PLC軟件編程中設(shè)置好相應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)（諸如電驅(qū)動(dòng)“電流”、“電壓”、“故障等級(jí)”、“故障代碼”等）的閾值，并編寫(xiě)應(yīng)對(duì)不同“狀態(tài)值”的處置措施，諸如通/斷低壓直流或高壓直流繼電器、增/減閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成 “耐久性激活測(cè)試”的閉環(huán)監(jiān)測(cè)功能。

5 耐久性激活測(cè)試系統(tǒng)的待改進(jìn)方向

由于PLC在與第三方“TCP-CAN”轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要處理大量的數(shù)據(jù)；電驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)數(shù)據(jù)重要性差異使用不同的發(fā)送周期發(fā)送報(bào)文；以及PLC自身掃描周期等3方面的主要原因，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定程度的延時(shí)，其實(shí)時(shí)性仍待提高。同時(shí)隨著CAN通信對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求的增加，傳統(tǒng)的CAN總線(xiàn)由于帶寬的限制難以滿(mǎn)足這種增加的需求。于是BOSCH公司推出了CAN FD。CAN FD總線(xiàn)彌補(bǔ)了CAN總線(xiàn)帶寬和數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度的制約。但是目前絕大多數(shù)第三方“TCP-CAN”模塊僅支持CAN2.0B與TCP之間的轉(zhuǎn)化，少有支持CAN FD與TCP的轉(zhuǎn)換模塊。后續(xù)第三方通信科研廠家需加快進(jìn)度，盡快推出工業(yè)級(jí)的“CAN FD-TCP”轉(zhuǎn)換模塊，以滿(mǎn)足行業(yè)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著工業(yè)通信領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，眾多的通信方式正在被應(yīng)用到汽車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域，以便于更大程度的提高生產(chǎn)、協(xié)作效率。而基于工業(yè)以太網(wǎng)（RJ45網(wǎng)口）的通信協(xié)議更是在飛速的發(fā)展，被應(yīng)用于工業(yè)制造生產(chǎn)、檢測(cè)監(jiān)控等行業(yè)。希望僅借此文能為新能源汽車(chē)的控制器研發(fā)、測(cè)試領(lǐng)域提供更多可供選擇的新思路和途徑。

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