基于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制模塊的耐久性測試系統研究

　1、引言

　　汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制模塊（PCM）是汽車(chē)的控制神經(jīng)中樞，直接影響到汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟性和尾氣排放。隨著(zhù)汽車(chē)電子工業(yè)的發(fā)展，PCM已經(jīng)成為汽車(chē)的一個(gè)標準配置。由于PCM系統十分復雜，工作環(huán)境極為惡劣，其可靠性至關(guān)重要，因此，PCM耐久性測試是開(kāi)發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機PCM的重要支撐條件。

　　上世紀80年代，幾家國際上知名的PCM模塊制造公司如博世、西門(mén)子、德?tīng)柛?、偉世通，針對自己的產(chǎn)品相繼進(jìn)行了PCM耐久性測試技術(shù)的研究，并研制出了相應設備。由于這類(lèi)設備仍然沿用的是20多年前的設計體系，已經(jīng)不能適應日新月異的汽車(chē)電噴發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，整體技術(shù)平臺落后，存在一些不可克服的缺陷，例如不能兼容不同廠(chǎng)商的PCM模塊，不能設置自動(dòng)循環(huán)策略，不能現場(chǎng)配置模擬信號類(lèi)型和參數等。目前，我國自主開(kāi)發(fā)的汽車(chē)電子產(chǎn)品正處于加速發(fā)展階段，但是由于我國汽車(chē)工業(yè)起步較晚,自身技術(shù)落后,科研能力不強[1],現有的PCM技術(shù)來(lái)自國外，有關(guān)PCM的耐久性測試技術(shù)在國內還屬于空白，只有少數的高校圍繞汽車(chē)電噴發(fā)動(dòng)機開(kāi)展了故障診斷、信號測試、運行機仿真等方面的研究[2 -4]，沒(méi)有形成成套技術(shù)。

　　本文介紹了汽車(chē)PCM耐久性測試系統的整體設計思路和測試規范，重點(diǎn)討論了關(guān)鍵子系統的設計原理，并通過(guò)原型樣機對幾種PCM模塊長(cháng)久性測試，驗證了該系統的可靠性和通用性。

　　2、整體構思

　　2.1 PCM工作原理

　　汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制模塊（PCM）是汽車(chē)控制系統的核心部件，主要由輸入電路、模擬信號、數字信號轉換器、微機、輸出回路等五個(gè)部分組成。其作用是接收各種傳感器信號，經(jīng)微機的運算、處理，向執行器發(fā)出指令，接通各執行器的接地線(xiàn)，使其通電而工作，以精確控制燃油供給量、點(diǎn)火提前角和怠速空氣流量。

　　2.2 PCM耐久性測試系統的設計思路

　　本文以電噴發(fā)動(dòng)機的控制技術(shù)為基礎，采用多層CAN總線(xiàn)通信技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和嵌入式計算機系統，設計了一個(gè)通用開(kāi)放的PCM耐久性測試系統。它主要由工業(yè)控制計算機（工控機）、信號發(fā)生子系統、模擬負載子系統、負載監測子系統、大功率程控電源、環(huán)境實(shí)驗箱、現場(chǎng)總線(xiàn)通信子系統、應用軟件和數據庫管理系統等組成。其硬件系統與原型樣機如圖1、2所示。

圖1 PCM耐久性測試通用平臺的硬件系統

圖2 PCM的耐久性測試系統的原型樣機

　　 該測試系統的測試原理：以PCM為測試對象，由工控機根據測試類(lèi)型和測試項目的不同發(fā)送設置指令，控制環(huán)境變量和大功率直流電源，快速切換汽車(chē)傳感器信號和模擬負載連接，并及時(shí)向負載監測系統發(fā)送讀取指令，在線(xiàn)監測PCM運行狀態(tài)。

　　2.3 PCM耐久性測試規范

　　耐久性測試規范是PCM耐久性測試的依據，關(guān)系到PCM整體質(zhì)量。為了提高PCM正常運行時(shí)的可靠性和耐久性，必須建立一套能夠最大限度激發(fā)PCM失效的測試規范。本系統建立耐久性測試規范的原則：（1）充分考慮引起PCM 失效的多種應力參數；（2）保證足夠的測試時(shí)間以驗證PCM模塊在預計的壽命內有足夠的可靠性[5]。

　　根據PCM各種工況下的極限環(huán)境，確定了溫度、濕度、電源電壓等重要參數，建立了一套周期為6小時(shí)的測試規范，具體如圖3所示，并通過(guò)了利用DSPACE快速開(kāi)發(fā)平臺和NI虛擬儀器平臺建立的耐久性測試實(shí)驗平臺的檢驗。

(a) 溫度和濕度參數

(b)電源參數

圖3 相關(guān)參數的測試規范

　　3、PCM耐久性測試系統的主要構架

　　本系統采用研華工控機，通過(guò)安插調理放大器、A/D、D/A卡，安裝Visual C++、LabVIEW等開(kāi)發(fā)應用軟件，構成一個(gè)虛擬儀器平臺，實(shí)現了計算機的全數字化的采集測試分析。此外，系統選擇了安捷倫6691A型大功率程控電源用于模擬蓄電池和發(fā)電機工作，設計了能容納多個(gè)PCM的環(huán)境實(shí)驗箱。

　　3.1 信號發(fā)生子系統

　　在相關(guān)文獻中，信號發(fā)生裝置均只針對特定的PCM而設計，靈活性較差。該子系統利用虛擬儀器技術(shù)，主要結構是一個(gè)以ARM單片機和CPLD為硬件框架的嵌入式計算機系統。它只要分配給各個(gè)信號發(fā)生模塊不同的標識(ID),就可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行系統擴展，實(shí)現多模塊的信號發(fā)生子系統網(wǎng)絡(luò )。

　　采用DDS技術(shù)在當前的測試測量行業(yè)已是一種主流的做法[6]，其頻率精度可隨相位累加器的位數而定。本系統采用單片機+專(zhuān)用DDS芯片的方式產(chǎn)生正弦信號，其原理如圖4所示，ARM單片機向CPLD 發(fā)出控制命令，CPLD 在時(shí)鐘下譯碼后產(chǎn)生DDS的控制信號，產(chǎn)生出相應頻率的正弦波信號，該正弦信號經(jīng)過(guò)濾波放大后，輸出相應幅值的正弦信號。

圖4 正弦信號產(chǎn)生原理圖

曲軸位置信號（CPS）是PCM控制點(diǎn)火系統中最主要的傳感器信號，為適應多種PCM的需求，設計采用CPLD和DA的方式產(chǎn)生。CPS信號產(chǎn)生原理如圖5所示，在EPROM中存有一個(gè)周期的正弦表數據，當需要產(chǎn)生CPS信號時(shí)，ARM單片機對CPLD進(jìn)行設置，CPLD根據接收的控制命令，通過(guò)時(shí)鐘計數，產(chǎn)生讀存儲器的信號，并向EPROM提供合適的地址信號和控制信號，EPROM輸出相應地址的數據，經(jīng)D/A轉換，變成單端CPS模擬信號，然后經(jīng)濾波電路和單端轉差分處理電路，輸出CPS差分信號。在實(shí)際的電路實(shí)現中，對CPS信號的控制可由計算機通過(guò)CAN總線(xiàn)向ARM發(fā)出控制命令進(jìn)行設置，因此，即使ARM芯片在運行過(guò)程中復位，電路仍能輸出正確的CPS信號，以確保測試周期的正常進(jìn)行。

　　該子系統還針對各類(lèi)PCM模塊的需求,設計了兩種VREF/2信號的產(chǎn)生方式：電阻分壓方式和運算放大器分壓；同時(shí)，利用555時(shí)基電路和濾波放大電路設計了PWM發(fā)生器；此外，該子系統還采用電阻分壓加集成運放隔離的方式產(chǎn)生PCM需要的小幅值固定電壓信號（比如1.0V）。

　3.2 模擬負載子系統

圖5 CPS信號產(chǎn)生原理圖

　　該子系統主要模擬PCM連接的點(diǎn)火線(xiàn)圈、噴油、碳罐電磁閥、廢氣再循環(huán)等輸出負載。該子系統是一個(gè)能模擬各種PCM輸出負載的開(kāi)放式負載系統，并可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行系統擴展。

　　本文綜合分析了PCM負載的公共性和特殊性，設計了兩種類(lèi)型的負載板：公共負載板和特殊負載板。模擬負載模塊有多塊模擬負載板組成，并同負載監測模塊一起安插在負載箱里。當需要進(jìn)行具體項目的測試時(shí)，可通過(guò)繼電器矩陣完成負載的切換工作。此外，還采用了光電隔離方式將PCM輸出信號轉化為負載監測子系統能接收的+5V TTL信號。