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

摘要:針對傳統(tǒng)水泵測試系統(tǒng)對汽車電子水泵測試的局限性，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)計和控制策略方面介紹該測試系統(tǒng)。設(shè)計嵌入式控制器實現(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，模擬ECU對汽車電子水泵的控制信號;采用PID算法控制管路流量;設(shè)計了系統(tǒng)的上位機;采用某車企汽車電子水泵產(chǎn)品完成系統(tǒng)驗收。該系統(tǒng)可用于不同控制信號的汽車電子水泵性能測試。

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

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，電子水泵作為動力系統(tǒng)的重要部件，效率高、能耗低等優(yōu)點促使它逐漸取代傳統(tǒng)機械水泵［1］。水泵結(jié)合了流體力學(xué)和熱力學(xué)等學(xué)科知識，無法使用理論推導(dǎo)進行性能和參數(shù)預(yù)估，因此水泵測試系統(tǒng)顯得尤為重要［2］。電子水泵應(yīng)用電氣、計算機和自動化等領(lǐng)域的技術(shù)，測試要求比傳統(tǒng)機械水泵更復(fù)雜。汽車電子水泵主要由車載ECU通過LIN或CAN總線控制，因此測試系統(tǒng)需要輸出類似車載ECU的控制信號以對汽車電子水泵進行控制，從而使它達到理想的工作狀態(tài)。目前，國內(nèi)外的汽車電子水泵測試系統(tǒng)一般由傳統(tǒng)機械水泵測試系統(tǒng)改裝而成，PLC架構(gòu)也存在著體積大、成本高、控制策略簡單、水泵測試種類少的問題。本文作者設(shè)計一款基于嵌入式系統(tǒng)的小型汽車電子水泵測試系統(tǒng)，模擬車輛ECU輸入輸出LIN、CAN等控制信號。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、性能以及老化測試。

1系統(tǒng)簡介

1.1功能介紹

系統(tǒng)綜合功能如圖1所示，采用直接測試法，采集汽車電子水泵的輸入功率Pin、轉(zhuǎn)速r、工作流量Q、進出口壓差Δp和介質(zhì)溫度T，然后進一步計算出水泵的揚程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。繪制H－Q、P－Q和η－Q曲線，存儲并生成報告和圖表。嵌入式PCB可輸出PWM、RS-485、LIN和CAN等信號對汽車電子水泵的輸入電壓和轉(zhuǎn)速進行控制。

1.2性能參數(shù)

汽車電子水泵測試系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)可兼容DN20～DN40口徑的水泵，流量測量范圍為6～230L/min，最大采集轉(zhuǎn)速為7500r/min，水泵進口壓力采集范圍為－100～100kPa，水泵出口壓力采集范圍為0～600kPa，環(huán)境溫度測試范圍為－45～125℃，水泵測試溫度范圍為－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汽車電子水泵測試系統(tǒng)示意

2硬件設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用計算機完成測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的3D設(shè)計，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)實耐用，采用歐標8040鋁合金型材制作。采用DN20和DN40口徑渦輪流量計測量管路流量，管路水平安裝，為前二十后五比例［3］。流量數(shù)值通過RS-485總線進行輸出，利用壓力傳感器測量水泵進出口壓力，壓力值以4～20mA標準電流信號輸出。采用PT100溫度傳感器采集溫度。利用霍爾元件測量水泵轉(zhuǎn)速，水泵葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片每次經(jīng)過霍爾傳感器均產(chǎn)生1個相應(yīng)脈沖，嵌入式PCB接收到連續(xù)的脈沖信號，進一步計算出2個連續(xù)脈沖的間隔時間，從而計算出水泵轉(zhuǎn)速［4］。該機械結(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

本文作者設(shè)計專用電源箱，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，以對測試系統(tǒng)中的各個傳感器和執(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、過壓保護、電流反饋、緊急停止等功能，滿足目前絕大多數(shù)汽車電子水泵的測試需求。測試系統(tǒng)電源外殼具有防塵、防水、防振功能。

3軟件設(shè)計

3.1上位機系統(tǒng)開發(fā)

上位機系統(tǒng)包括2個控制界面和1個顯示界面。整體系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化、分層次設(shè)計理念，界面簡潔、易于操作?？刂平缑婀δ荦R全，留有備用空間便于系統(tǒng)的功能擴展和開發(fā)，實現(xiàn)了汽車電子水泵測試的全面性、便捷性和準確性。其功能主要有以下4點:(1)與嵌入式PCB進行串口通信，接收控制板所采集汽車電子水泵的性能參數(shù)，并進行分析、處理、計算后存儲。(2)界面實時顯示水泵測試各項數(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)輸入水泵和臺架其他設(shè)備的控制參數(shù)，對水泵轉(zhuǎn)速、電源電壓、管路壓力、介質(zhì)溫度等參數(shù)進行設(shè)定。(4)存儲測試水泵各項測試數(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，具有電源箱啟動停止功能，也可實時顯示電源箱反饋回的工作狀況;具有急停按鈕，能強制停止電源箱工作，防止意外發(fā)生;運行時可根據(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)具備手動和自動測試2種測試模式，可實時設(shè)置待測電子水泵的轉(zhuǎn)速和管路電動比例閥開度;實時顯示測試狀態(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、電子水泵進出口壓差和效率、管路的瞬時流量和累計流量;具有故障面板，可根據(jù)故障燈的亮滅顯示故障;能夠進行串口設(shè)置，兼容不同型號設(shè)備，為后續(xù)嵌入式控制板的開發(fā)與設(shè)計提供便利;擁有壓力校準功能，可適應(yīng)不同測試環(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，測試結(jié)果符合試驗標準，可保存曲線圖像或生成測試報告并保存。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)整理、查詢和管理功能，大幅度提升了測試效率。

3.2嵌入式PCB設(shè)計

采用專業(yè)軟件進行嵌入式PCB的設(shè)計，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)，具有集成定時器Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種外設(shè)功能，滿足測試系統(tǒng)對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)動電路和接收器，具有失效保護電路，性能良好。將TJA1020模塊作為LIN總線信號收發(fā)器，TJA1050模塊作為CAN總線信號收發(fā)器，兩者均采用了先進的絕緣硅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標準要求。嵌入式PCB內(nèi)置轉(zhuǎn)換電路，可將4～20mA標準電流信號轉(zhuǎn)換為0～5V標準電壓信號，消除傳輸過程中的壓降誤差。測試系統(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，滿足針對汽車電子水泵測試需求;采用12V供電，降低了操作人員的使用風險。

4測試原理

4.1理論基礎(chǔ)

水泵運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的方法獲取［7］。測試系統(tǒng)實時測量汽車電子水泵的流量Q、壓差Δp、溫度T和轉(zhuǎn)速ω等，控制板將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過串口傳至上位機，上位機進行處理和計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。流量測量采用DN40和DN20渦輪流量計，安裝符合GB/T3216—2016要求。測量中渦輪流量計與嵌入式PCB采用RS-485總線進行通信，具有自我校驗、傳輸速率快和受外界影響小的特點。汽車電子水泵測試時，一般要求在測試規(guī)定轉(zhuǎn)速下，分別選取連續(xù)等差流量點記錄對應(yīng)量程，繪制流量－揚程曲線［9］。測試開始前向系統(tǒng)輸入待測水泵設(shè)計最大流量值，加壓泵工作，待測水泵入水口壓力一直維持在正壓范圍，防止待測水泵入口負壓造成介質(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)置水泵達到規(guī)定轉(zhuǎn)速，然后按照試驗流量點要求控制電磁比例閥開度，進行試驗?？刂瓢瀹a(chǎn)生0～5V信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路輸出4～20mA標準電流信號給電磁比例閥，閥門接收4～20mA電流信號后會打開對應(yīng)開度，機械式開度表顯示電磁比例閥當前開度。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，某車企最大功率680W汽車電子水泵最大流量波動為5%，滿足氣蝕試驗最大流量波動要求。

5結(jié)論

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

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