作者：祁榮欣 李云杰 高奇 （北京泛華恒興科技有限公司 北京 100192）
摘要：為了滿足ETC（電子節(jié)氣門）的終檢測試要求，開發(fā)了雙工位的反應(yīng)時間測試系統(tǒng)。系統(tǒng)以柔性測試技術(shù)為核心理念，具有可靠性、靈活性、適用性和可擴展性等特點。
關(guān)鍵詞：ETC 雙工位 柔性測試技術(shù)
Design of ETC reaction time testing system based on Flexible Test Technologies
Author：Qi Rong-xin Li Yun-jie gao qi（Beijing Pansino Solutions Technology Co.,Ltd., Beijing 100192, China）
Abstract: A reaction time test system with two working station is developed for the final testing of ETC. The system based on Flexible Test Technologies features Reliability, flexibility, applicability and expansibility.
Key words: ETC; two working station; Flexible Testing Techniques
1 引言
ETC是伴隨汽車電子驅(qū)動理念將節(jié)氣門由機械控制向電子控制轉(zhuǎn)變的新一代產(chǎn)品。ETC避免了傳統(tǒng)機械式節(jié)氣門拉索或拉桿的機械連接，通過采用油門執(zhí)行器、電控單元以及相應(yīng)的各種傳感器，實現(xiàn)對汽車節(jié)氣門開度的精確控制。ETC能將節(jié)氣門調(diào)節(jié)到最佳位置，實現(xiàn)發(fā)動機在不同負荷和工況下，都能以接近理論空燃比的狀態(tài)工作，這將有利于提高汽車行駛的動力性、平穩(wěn)性、經(jīng)濟性，同時降低排放污染。
如何生產(chǎn)出比競爭對手更高效、更低成本、更高質(zhì)量且不影響測試覆蓋的ETC，已成為快節(jié)奏的汽車電子行業(yè)難以應(yīng)付的挑戰(zhàn)。在開發(fā)ETC檢測設(shè)備時，要兼顧三個彼此沖突的目標：時間（測試開發(fā)、執(zhí)行和系統(tǒng)部署）；成本（資金和集成）；范圍（吞吐率、精度和靈活性）。因此，泛華恒興為某公司開發(fā)了雙工位第五代ETC反應(yīng)時間測試系統(tǒng)，很好的兼顧了對時間、成本和范圍的要求。
2 ETC工作原理
電子節(jié)氣門由節(jié)氣門體、驅(qū)動電機和節(jié)氣門位置傳感器等構(gòu)成，來自發(fā)動機ECU的指令使驅(qū)動電機動作，通過傳動機構(gòu)使節(jié)氣門轉(zhuǎn)動，保證發(fā)動機工作所需的節(jié)氣門開度。節(jié)氣門位置傳感器由兩個電位器組成，節(jié)氣門開度變化時，電阻值發(fā)生變化，輸出的電壓信號隨之變化，與電子油門踏板位置傳感器信號一起，輸入到發(fā)動機ECU，經(jīng)計算后，輸出驅(qū)動電機控制信號，從而控制發(fā)動機節(jié)氣門開度。其工原理如圖1所示。
圖1 ETC工作原理示意圖
直流電機在驅(qū)動電流作用下旋轉(zhuǎn)一定角度，通過齒輪傳動機構(gòu)，將直流電機軸的運動傳遞給節(jié)氣門軸，節(jié)氣門軸帶動節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)到所需角度，改變進氣通道的截面積，從而控制發(fā)動機的進氣流量。同時，由于節(jié)氣門軸的轉(zhuǎn)動，改變電位計的工作位置，電位計輸出的信號發(fā)生變化，發(fā)動機控制單元根據(jù)信號值可確定節(jié)氣門的具體開度位置反饋，從而精確微調(diào)其位置。電位計為兩個反向信號計組成，一個反映節(jié)氣門的正向開度位置，另一個反映節(jié)氣門的反向開度位置，比較兩個信號計的信號值可相互檢查其工作狀態(tài)，作為判斷是否有失效的一個依據(jù)。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
為了滿足實際生產(chǎn)過程中對效率的要求，系統(tǒng)設(shè)計為雙工位。核心部件完全獨立，兩個工位互不影響。大大減少了研發(fā)成本，提高了測試效率。設(shè)備外觀如圖2所示。
圖2 設(shè)備外觀
上位系統(tǒng)為穩(wěn)定的IPC系統(tǒng)，通過顯示器、鼠標、鍵盤實現(xiàn)人機交互，通過PCI總線控制DAQ板卡和數(shù)字I/O板卡。
DAQ板卡采用NI多功能DAQ板卡來實現(xiàn)對傳感器信號、電機電壓、參考電壓等參數(shù)的采集，即使在高采樣率下也能保持高精度。
數(shù)字I/O采用NI工業(yè)數(shù)字I/O板卡，通過利用數(shù)字I/O板卡配合相應(yīng)的信號調(diào)理電路實現(xiàn)了對信號通道切換模塊的動作、測試啟動鼠尾開關(guān)、急停按鈕等的狀態(tài)，氣缸動作控制，報警等狀態(tài)指示，工件有無、廢品檢測等傳感器的狀態(tài)監(jiān)測。
計算機通過多功能DAQ板卡的模擬輸出控制編程電源。編程電源能夠提供0～±20V電壓及 0～±10A電流,用來驅(qū)動直流電機。位置傳感器參考電源由精密5V直流電源提供。
4系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)
本系統(tǒng)的開發(fā)和使用環(huán)境相同，操作系統(tǒng)為Windows XP SP2，開發(fā)環(huán)境為LabVIEW8.6。
LabVIEW的高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言優(yōu)勢。它可以提供：直觀明了的圖形化開發(fā)環(huán)境；開放且符合工業(yè)標準的軟件；內(nèi)置編譯器加快運行速度；多平臺兼容；可與大量硬件接口（I/O）緊密結(jié)合。
4.1 測試方法
作為終檢測試設(shè)備，測試項包括全開電壓測試、全關(guān)電壓測試、反應(yīng)時間測試、相關(guān)性和摩擦力測試、彈簧漏裝檢測等多種測試。
圖3 反應(yīng)時間曲線
反應(yīng)時間測試是檢驗產(chǎn)品是否合格的重要指標，數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。
全開電壓測試和全關(guān)電壓測試，核心算法采用PID調(diào)節(jié)方式。首先供給電機一個電壓，使電機處于關(guān)閉或打開狀態(tài)；實時采集傳感器信號，根據(jù)當前閥片角度和目標角度的差值，給出調(diào)節(jié)電壓，如此反復(fù)調(diào)節(jié)。直至閥片角度跟目標角度的差值小于預(yù)設(shè)值或到達預(yù)設(shè)時間退出。但是由于工件自身的差異性，不合適的PID參數(shù)會導(dǎo)致調(diào)節(jié)過程不夠穩(wěn)定。針對此問題，做了大量重復(fù)性試驗，確定了最終的PID參數(shù)，保證了PID調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。得到的波形如圖4所示。
圖4 全開電壓、全關(guān)電壓測試和相關(guān)性摩擦力測試曲線
相關(guān)性和摩擦力測試最核心的是數(shù)據(jù)分析的過程。相關(guān)性和摩擦力測試的數(shù)據(jù)處理過程，包括簡單的傳感器信號電壓和角度的換算，也涉及了電動力學(xué)中的反電動勢的計算等處理方法。在各階段的數(shù)據(jù)處理過程中，更是涉及了中值濾波、線性填充和線性化等多種算法。充分保證了測試結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性。得到的數(shù)據(jù)波形如圖4所示。
彈簧漏裝檢測是新的測試項。經(jīng)過前期的驗證，漏裝彈簧的節(jié)氣門由打開位置返回的默認位置角度和由關(guān)閉位置返回的默認位置角度的差值穩(wěn)定在4°～6°，而沒有漏裝彈簧的節(jié)氣門的差值穩(wěn)定在0.6°以下。因此，讓節(jié)氣門由一個稍微打開的位置返回默認位置，再讓節(jié)氣門由一個稍微關(guān)閉的位置返回默認位置，分別采集傳感器電壓，通過計算兩個位置角度的差值來判斷彈簧是否漏裝。
4.2 軟件整體設(shè)計
軟件在功能實現(xiàn)上采用模塊化設(shè)計，特定的模塊實現(xiàn)特定的功能。主要由參數(shù)配置、單步調(diào)試、自動測試、用戶管理和數(shù)據(jù)存儲等模塊組成。
為了生產(chǎn)安全和質(zhì)量保證的需要，在軟件中設(shè)計了用戶登錄和用戶管理模塊，可以分配管理員和操作員兩種權(quán)限，一般操作者只有操作權(quán)限。管理員可通過參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對測試流程參數(shù)和測試項的設(shè)置。自動測試模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，此模塊完過系統(tǒng)的主要測試和統(tǒng)計記錄功能。單步調(diào)試模塊可以完成氣缸單步測試、傳感器檢測、報警燈調(diào)試的功能，用于維護和維修。
軟件系統(tǒng)基于生產(chǎn)者和消費者架構(gòu)進行了拓展，兩工位并行測試，互不影響。其程序流程圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)程序流程圖
5 系統(tǒng)特點及總結(jié)
此系統(tǒng)采用了先進的模塊化、標準化測試技術(shù)和可靠的產(chǎn)品，硬件選用NI公司的板卡，軟件采用LabVIEW開發(fā)。
系統(tǒng)中硬件均使用成熟可靠的部件，系統(tǒng)設(shè)計充分考慮各種意外發(fā)生的可能性，使系統(tǒng)具有很高的可靠性。系統(tǒng)硬件設(shè)計充分考慮ETC規(guī)格的兼容性，預(yù)留了五種夾具類型；軟件上采用成熟的模塊化設(shè)計，并且可對系統(tǒng)中各種參數(shù)進行配置，從軟硬件上完美兼容不同規(guī)格的ETC。系統(tǒng)具有很高的靈活性。系統(tǒng)設(shè)計充分考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的要求，對硬件及結(jié)構(gòu)等方面做了專門的設(shè)計。系統(tǒng)具有很高的適用性。系統(tǒng)對很多重要資源如工控機PCI插槽，數(shù)據(jù)采集通道，數(shù)字控制通道等進行了適當?shù)念A(yù)留，使系統(tǒng)具有很高的可擴展性。
由于有了優(yōu)良的配置組合，該系統(tǒng)具有非常好的性能。雙工位的設(shè)計節(jié)省了成本，提高了測試效率。體現(xiàn)了柔性測試技術(shù)可靠性、靈活性、適用性和可擴展性等特點。
參考文獻
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