基于汽车发动机控制模块的耐久性测试系统研究

2012-03-06 14:55:43来源: edmchina

  1、引言

  汽车发动机控制模块(PCM)是汽车的控制神经中枢,直接影响到汽车的动力性和燃油经济性和尾气排放。随着汽车电子工业的发展,PCM已经成为汽车的一个标准配置。由于PCM系统十分复杂,工作环境极为恶劣,其可靠性至关重要,因此,PCM耐久性测试是开发汽车发动机PCM的重要支撑条件。

  上世纪80年代,几家国际上知名的PCM模块制造公司如博世、西门子、德尔福、伟世通,针对自己的产品相继进行了PCM耐久性测试技术的研究,并研制出了相应设备。由于这类设备仍然沿用的是20多年前的设计体系,已经不能适应日新月异的汽车电喷发动机技术的发展,整体技术平台落后,存在一些不可克服的缺陷,例如不能兼容不同厂商的PCM模块,不能设置自动循环策略,不能现场配置模拟信号类型和参数等。目前,我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段,但是由于我国汽车工业起步较晚,自身技术落后,科研能力不强[1],现有的PCM技术来自国外,有关PCM的耐久性测试技术在国内还属于空白,只有少数的高校围绕汽车电喷发动机开展了故障诊断、信号测试、运行机仿真等方面的研究[2 -4],没有形成成套技术。

  本文介绍了汽车PCM耐久性测试系统的整体设计思路和测试规范,重点讨论了关键子系统的设计原理,并通过原型样机对几种PCM模块长久性测试,验证了该系统的可靠性和通用性。

  2、整体构思

  2.1 PCM工作原理

  汽车发动机控制模块(PCM)是汽车控制系统的核心部件,主要由输入电路、模拟信号、数字信号转换器、微机、输出回路等五个部分组成。其作用是接收各种传感器信号,经微机的运算、处理,向执行器发出指令,接通各执行器的接地线,使其通电而工作,以精确控制燃油供给量、点火提前角和怠速空气流量。

  2.2 PCM耐久性测试系统的设计思路

  本文以电喷发动机的控制技术为基础,采用多层CAN总线通信技术、虚拟仪器技术和嵌入式计算机系统,设计了一个通用开放的PCM耐久性测试系统。它主要由工业控制计算机(工控机)、信号发生子系统、模拟负载子系统、负载监测子系统、大功率程控电源、环境实验箱、现场总线通信子系统、应用软件和数据库管理系统等组成。其硬件系统与原型样机如图1、2所示。

PCM耐久性测试通用平台的硬件系统

图1 PCM耐久性测试通用平台的硬件系统

PCM的耐久性测试系统的原型样机

图2 PCM的耐久性测试系统的原型样机

  该测试系统的测试原理:以PCM为测试对象,由工控机根据测试类型和测试项目的不同发送设置指令,控制环境变量和大功率直流电源,快速切换汽车传感器信号和模拟负载连接,并及时向负载监测系统发送读取指令,在线监测PCM运行状态。

  2.3 PCM耐久性测试规范

  耐久性测试规范是PCM耐久性测试的依据,关系到PCM整体质量。为了提高PCM正常运行时的可靠性和耐久性,必须建立一套能够最大限度激发PCM失效的测试规范。本系统建立耐久性测试规范的原则:(1)充分考虑引起PCM 失效的多种应力参数;(2)保证足够的测试时间以验证PCM模块在预计的寿命内有足够的可靠性[5]。

  根据PCM各种工况下的极限环境,确定了温度、湿度、电源电压等重要参数,建立了一套周期为6小时的测试规范,具体如图3所示,并通过了利用DSPACE快速开发平台和NI虚拟仪器平台建立的耐久性测试实验平台的检验。

温度和湿度参数

(a) 温度和湿度参数

电源参数

(b)电源参数

图3 相关参数的测试规范

  3、PCM耐久性测试系统的主要构架

  本系统采用研华工控机,通过安插调理放大器、A/D、D/A卡,安装Visual C++、LabVIEW等开发应用软件,构成一个虚拟仪器平台,实现了计算机的全数字化的采集测试分析。此外,系统选择了安捷伦6691A型大功率程控电源用于模拟蓄电池和发电机工作,设计了能容纳多个PCM的环境实验箱。

  3.1 信号发生子系统

  在相关文献中,信号发生装置均只针对特定的PCM而设计,灵活性较差。该子系统利用虚拟仪器技术,主要结构是一个以ARM单片机和CPLD为硬件框架的嵌入式计算机系统。它只要分配给各个信号发生模块不同的标识(ID),就可通过现场总线进行系统扩展,实现多模块的信号发生子系统网络。

  采用DDS技术在当前的测试测量行业已是一种主流的做法[6],其频率精度可随相位累加器的位数而定。本系统采用单片机+专用DDS芯片的方式产生正弦信号,其原理如图4所示,ARM单片机向CPLD 发出控制命令,CPLD 在时钟下译码后产生DDS的控制信号,产生出相应频率的正弦波信号,该正弦信号经过滤波放大后,输出相应幅值的正弦信号。

正弦信号产生原理图

图4 正弦信号产生原理图

  曲轴位置信号(CPS)是PCM控制点火系统中最主要的传感器信号,为适应多种PCM的需求,设计采用CPLD和DA的方式产生。CPS信号产生原理如图5所示,在EPROM中存有一个周期的正弦表数据,当需要产生CPS信号时,ARM单片机对CPLD进行设置,CPLD根据接收的控制命令,通过时钟计数,产生读存储器的信号,并向EPROM提供合适的地址信号和控制信号,EPROM输出相应地址的数据,经D/A转换,变成单端CPS模拟信号,然后经滤波电路和单端转差分处理电路,输出CPS差分信号。在实际的电路实现中,对CPS信号的控制可由计算机通过CAN总线向ARM发出控制命令进行设置,因此,即使ARM芯片在运行过程中复位,电路仍能输出正确的CPS信号,以确保测试周期的正常进行。


  该子系统还针对各类PCM模块的需求,设计了两种VREF/2信号的产生方式:电阻分压方式和运算放大器分压;同时,利用555时基电路和滤波放大电路设计了PWM发生器;此外,该子系统还采用电阻分压加集成运放隔离的方式产生PCM需要的小幅值固定电压信号(比如1.0V)。

  3.2 模拟负载子系统


CPS信号产生原理图

图5 CPS信号产生原理图

  该子系统主要模拟PCM连接的点火线圈、喷油、碳罐电磁阀、废气再循环等输出负载。该子系统是一个能模拟各种PCM输出负载的开放式负载系统,并可通过现场总线进行系统扩展。

  本文综合分析了PCM负载的公共性和特殊性,设计了两种类型的负载板:公共负载板和特殊负载板。模拟负载模块有多块模拟负载板组成,并同负载监测模块一起安插在负载箱里。当需要进行具体项目的测试时,可通过继电器矩阵完成负载的切换工作。此外,还采用了光电隔离方式将PCM输出信号转化为负载监测子系统能接收的+5V TTL信号。

[1] [2]

关键字:汽车发动机  控制模块  耐久性测试

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0306/article_4762.html
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