導(dǎo)語：嵌入式系統(tǒng)汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)水泵測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽車電子水泵測(cè)試的局限性，研發(fā)一款基于嵌入式系統(tǒng)的汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)，兼容多種汽車電子水泵。分別從硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和控制策略方面介紹該測(cè)試系統(tǒng)。設(shè)計(jì)嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)采集和工況控制。通過輸入和輸出RS-485、PWM、LIN和CAN等信號(hào)，模擬ECU對(duì)汽車電子水泵的控制信號(hào);采用PID算法控制管路流量;設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的上位機(jī);采用某車企汽車電子水泵產(chǎn)品完成系統(tǒng)驗(yàn)收。該系統(tǒng)可用于不同控制信號(hào)的汽車電子水泵性能測(cè)試。

關(guān)鍵詞:汽車電子水泵;測(cè)試系統(tǒng);嵌入式系統(tǒng)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，電子水泵作為動(dòng)力系統(tǒng)的重要部件，效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)促使它逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械水泵［1］。水泵結(jié)合了流體力學(xué)和熱力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，無法使用理論推導(dǎo)進(jìn)行性能和參數(shù)預(yù)估，因此水泵測(cè)試系統(tǒng)顯得尤為重要［2］。電子水泵應(yīng)用電氣、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化等領(lǐng)域的技術(shù)，測(cè)試要求比傳統(tǒng)機(jī)械水泵更復(fù)雜。汽車電子水泵主要由車載ECU通過LIN或CAN總線控制，因此測(cè)試系統(tǒng)需要輸出類似車載ECU的控制信號(hào)以對(duì)汽車電子水泵進(jìn)行控制，從而使它達(dá)到理想的工作狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)外的汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)一般由傳統(tǒng)機(jī)械水泵測(cè)試系統(tǒng)改裝而成，PLC架構(gòu)也存在著體積大、成本高、控制策略簡(jiǎn)單、水泵測(cè)試種類少的問題。本文作者設(shè)計(jì)一款基于嵌入式系統(tǒng)的小型汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)，模擬車輛ECU輸入輸出LIN、CAN等控制信號(hào)。嵌入式系統(tǒng)制作成本低、響應(yīng)快、精度高、兼容性廣，可執(zhí)行復(fù)雜的水泵控制算法，能更好地完成汽車電子水泵的耐久、性能以及老化測(cè)試。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1功能介紹

系統(tǒng)綜合功能如圖1所示，采用直接測(cè)試法，采集汽車電子水泵的輸入功率Pin、轉(zhuǎn)速r、工作流量Q、進(jìn)出口壓差Δp和介質(zhì)溫度T，然后進(jìn)一步計(jì)算出水泵的揚(yáng)程H、輸出功率Pout和效率η等參數(shù)，以完成汽車電子水泵的性能、阻力性能、可靠性、密封性和老化等試驗(yàn)。繪制H－Q、P－Q和η－Q曲線，存儲(chǔ)并生成報(bào)告和圖表。嵌入式PCB可輸出PWM、RS-485、LIN和CAN等信號(hào)對(duì)汽車電子水泵的輸入電壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

1.2性能參數(shù)

汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)可兼容DN20～DN40口徑的水泵，流量測(cè)量范圍為6～230L/min，最大采集轉(zhuǎn)速為7500r/min，水泵進(jìn)口壓力采集范圍為－100～100kPa，水泵出口壓力采集范圍為0～600kPa，環(huán)境溫度測(cè)試范圍為－45～125℃，水泵測(cè)試溫度范圍為－45～145℃，程控電源可輸出0～36V電壓，工作介質(zhì)為車用冷卻液(40%水和60%乙二醇混合溶液)，管路符合GB/T3216—2016要求。圖2汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)示意

2硬件設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用計(jì)算機(jī)完成測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D設(shè)計(jì)，尺寸為2.5m×0.8m×1.5m、質(zhì)量為60kg(不含介質(zhì))。主體框架結(jié)實(shí)耐用，采用歐標(biāo)8040鋁合金型材制作。采用DN20和DN40口徑渦輪流量計(jì)測(cè)量管路流量，管路水平安裝，為前二十后五比例［3］。流量數(shù)值通過RS-485總線進(jìn)行輸出，利用壓力傳感器測(cè)量水泵進(jìn)出口壓力，壓力值以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。采用PT100溫度傳感器采集溫度。利用霍爾元件測(cè)量水泵轉(zhuǎn)速，水泵葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片每次經(jīng)過霍爾傳感器均產(chǎn)生1個(gè)相應(yīng)脈沖，嵌入式PCB接收到連續(xù)的脈沖信號(hào)，進(jìn)一步計(jì)算出2個(gè)連續(xù)脈沖的間隔時(shí)間，從而計(jì)算出水泵轉(zhuǎn)速［4］。該機(jī)械結(jié)構(gòu)中所有器件安裝均符合JB/T8126.2—2010［5］要求。

2.2電氣設(shè)計(jì)

本文作者設(shè)計(jì)專用電源箱，配有程控電源、開關(guān)電源、空氣開關(guān)和電磁繼電器等，可輸出220V交流電和5、12和24V直流電，以對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器和執(zhí)行器供電。內(nèi)置程控電源可輸出0～36V直流電，滿足乘用車電子水泵12V和商用車電子水泵24V供電需求。該電源箱具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、電流反饋、緊急停止等功能，滿足目前絕大多數(shù)汽車電子水泵的測(cè)試需求。測(cè)試系統(tǒng)電源外殼具有防塵、防水、防振功能。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)系統(tǒng)開發(fā)

上位機(jī)系統(tǒng)包括2個(gè)控制界面和1個(gè)顯示界面。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化、分層次設(shè)計(jì)理念，界面簡(jiǎn)潔、易于操作?？刂平缑婀δ荦R全，留有備用空間便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了汽車電子水泵測(cè)試的全面性、便捷性和準(zhǔn)確性。其功能主要有以下4點(diǎn):(1)與嵌入式PCB進(jìn)行串口通信，接收控制板所采集汽車電子水泵的性能參數(shù)，并進(jìn)行分析、處理、計(jì)算后存儲(chǔ)。(2)界面實(shí)時(shí)顯示水泵測(cè)試各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)可繪制H－Q、P－Q和η－Q曲線并顯示在界面上。(3)輸入水泵和臺(tái)架其他設(shè)備的控制參數(shù)，對(duì)水泵轉(zhuǎn)速、電源電壓、管路壓力、介質(zhì)溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。(4)存儲(chǔ)測(cè)試水泵各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)和圖像，并以Excel等格式文件輸出或打印。電源控制界面如圖3所示，可設(shè)置電源箱輸出電壓和電流限值，具有電源箱啟動(dòng)停止功能，也可實(shí)時(shí)顯示電源箱反饋回的工作狀況;具有急停按鈕，能強(qiáng)制停止電源箱工作，防止意外發(fā)生;運(yùn)行時(shí)可根據(jù)故障指示燈亮滅情況判斷電源箱是否正常工作，出現(xiàn)故障情況下可判斷故障種類。系統(tǒng)控制界面如圖4所示。該系統(tǒng)具備手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試2種測(cè)試模式，可實(shí)時(shí)設(shè)置待測(cè)電子水泵的轉(zhuǎn)速和管路電動(dòng)比例閥開度;實(shí)時(shí)顯示測(cè)試狀態(tài)下電子水泵轉(zhuǎn)速、管路內(nèi)介質(zhì)溫度、電子水泵入口電壓、電流、電子水泵進(jìn)出口壓差和效率、管路的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量;具有故障面板，可根據(jù)故障燈的亮滅顯示故障;能夠進(jìn)行串口設(shè)置，兼容不同型號(hào)設(shè)備，為后續(xù)嵌入式控制板的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供便利;擁有壓力校準(zhǔn)功能，可適應(yīng)不同測(cè)試環(huán)境;能夠保存數(shù)據(jù)，并以圖表或文字格式輸出;可選擇電子水泵控制信號(hào)種類，如:LIN、CAN等。圖4系統(tǒng)控制界面圖5所示為某車企450W汽車電子水泵H－Q、P－Q和η－Q曲線顯示界面，測(cè)試結(jié)果符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，可保存曲線圖像或生成測(cè)試報(bào)告并保存。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)整理、查詢和管理功能，大幅度提升了測(cè)試效率。

3.2嵌入式PCB設(shè)計(jì)

采用專業(yè)軟件進(jìn)行嵌入式PCB的設(shè)計(jì)，嵌入式控制板結(jié)構(gòu)如圖6所示。STM32F103為意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)與制作的32位ARM微處理器，以STM32F103為控制核心、Cortex-M3為內(nèi)核架構(gòu)，具有集成定時(shí)器Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種外設(shè)功能，滿足測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽車電子水泵工況控制、數(shù)據(jù)采集和處理等需求［6］。采用GM485E模塊作為RS-485半雙工通信收發(fā)器，包含驅(qū)動(dòng)電路和接收器，具有失效保護(hù)電路，性能良好。將TJA1020模塊作為L(zhǎng)IN總線信號(hào)收發(fā)器，TJA1050模塊作為CAN總線信號(hào)收發(fā)器，兩者均采用了先進(jìn)的絕緣硅SOI技術(shù)處理以及最新的EMC技術(shù)，因此其EMC特性優(yōu)良，滿足車載電器EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。嵌入式PCB內(nèi)置轉(zhuǎn)換電路，可將4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，消除傳輸過程中的壓降誤差。測(cè)試系統(tǒng)嵌入式控制器PCB尺寸為10cm×10cm，結(jié)構(gòu)小巧、布局清晰，所用器件均為汽車級(jí)，滿足針對(duì)汽車電子水泵測(cè)試需求;采用12V供電，降低了操作人員的使用風(fēng)險(xiǎn)。

4測(cè)試原理

4.1理論基礎(chǔ)

水泵運(yùn)行特性無法用完整的數(shù)學(xué)模型來描述，因此水泵性能主要依靠試驗(yàn)的方法獲?。?］。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量汽車電子水泵的流量Q、壓差Δp、溫度T和轉(zhuǎn)速ω等，控制板將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過串口傳至上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行處理和計(jì)算后得到水泵其他性能參數(shù)。

4.2流量控制策略

管路內(nèi)流量變化受到諸多因素影響，直接因素為水泵轉(zhuǎn)速和電磁流量計(jì)截面積大小，間接因素為管路內(nèi)介質(zhì)中氣體含量和管路內(nèi)壓力變化。流量測(cè)量采用DN40和DN20渦輪流量計(jì)，安裝符合GB/T3216—2016要求。測(cè)量中渦輪流量計(jì)與嵌入式PCB采用RS-485總線進(jìn)行通信，具有自我校驗(yàn)、傳輸速率快和受外界影響小的特點(diǎn)。汽車電子水泵測(cè)試時(shí)，一般要求在測(cè)試規(guī)定轉(zhuǎn)速下，分別選取連續(xù)等差流量點(diǎn)記錄對(duì)應(yīng)量程，繪制流量－揚(yáng)程曲線［9］。測(cè)試開始前向系統(tǒng)輸入待測(cè)水泵設(shè)計(jì)最大流量值，加壓泵工作，待測(cè)水泵入水口壓力一直維持在正壓范圍，防止待測(cè)水泵入口負(fù)壓造成介質(zhì)內(nèi)氣體逸出產(chǎn)生氣蝕影響流量穩(wěn)定，選擇DN40和DN20管道相應(yīng)開度。測(cè)試開始后，通過嵌入式控制板控制主副管路電磁比例閥全開，設(shè)置水泵達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速，然后按照試驗(yàn)流量點(diǎn)要求控制電磁比例閥開度，進(jìn)行試驗(yàn)。控制板產(chǎn)生0～5V信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)給電磁比例閥，閥門接收4～20mA電流信號(hào)后會(huì)打開對(duì)應(yīng)開度，機(jī)械式開度表顯示電磁比例閥當(dāng)前開度。在水泵轉(zhuǎn)速、管內(nèi)壓力恒為正的情況下，比例閥為控制流量的唯一因素，比例閥采用PID控制，如圖7所示。經(jīng)過試驗(yàn)，某車企最大功率680W汽車電子水泵最大流量波動(dòng)為5%，滿足氣蝕試驗(yàn)最大流量波動(dòng)要求。

5結(jié)論

(1)采用某車企提供的汽車電子水泵對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行性能和耐久測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足測(cè)試需求，通過驗(yàn)收。在測(cè)試過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)、電氣和測(cè)試性能方面的異常，其測(cè)試的便捷性、高度自動(dòng)化和測(cè)試完整性的優(yōu)勢(shì)得以完整體現(xiàn)，后續(xù)將對(duì)更多公司不同型號(hào)不同功率汽車電子水泵進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試。(2)區(qū)別于傳統(tǒng)PLC架構(gòu)水泵測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上更加小巧，便于測(cè)試人員排查故障與整修維護(hù)。嵌入式PCB的專用性降低了測(cè)試系統(tǒng)的制作與開發(fā)成本;可兼容更多電子水泵的控制信號(hào)，增加了可測(cè)試電子水泵的種類;硬件結(jié)構(gòu)更加開放，便于功能升級(jí)與拓展;支持更多的外設(shè)接口，可兼容更多的測(cè)試設(shè)備與執(zhí)行器;控制功能強(qiáng)大，可執(zhí)行更復(fù)雜的控制算法。(3)該汽車電子水泵測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)和控制理論，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件編程等方面均滿足測(cè)試需求。該系統(tǒng)測(cè)試的精準(zhǔn)度較高，操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面簡(jiǎn)潔、自動(dòng)化程度高，有利于功能設(shè)計(jì)與拓展。

作者：王巍 馮晨 王敏 唐寧 單位：天津工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心 天津工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 天津工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司