基于汽車發動機控制模塊的耐久性測試系統研究

　1、引言

　　汽車發動機控制模塊（PCM）是汽車的控制神經中樞，直接影響到汽車的動力性和燃油經濟性和尾氣排放。隨著汽車電子工業的發展，PCM已經成為汽車的一個標準配置。由于PCM系統十分復雜，工作環境極為惡劣，其可靠性至關重要，因此，PCM耐久性測試是開發汽車發動機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、西門子、德爾福、偉世通，針對自己的產品相繼進行了PCM耐久性測試技術的研究，并研制出了相應設備。由于這類設備仍然沿用的是20多年前的設計體系，已經不能適應日新月異的汽車電噴發動機技術的發展，整體技術平臺落后，存在一些不可克服的缺陷，例如不能兼容不同廠商的PCM模塊，不能設置自動循環策略，不能現場配置模擬信號類型和參數等。目前，我國自主開發的汽車電子產品正處于加速發展階段，但是由于我國汽車工業起步較晚,自身技術落后,科研能力不強[1],現有的PCM技術來自國外，有關PCM的耐久性測試技術在國內還屬于空白，只有少數的高校圍繞汽車電噴發動機開展了故障診斷、信號測試、運行機仿真等方面的研究[2 -4]，沒有形成成套技術。

　　本文介紹了汽車PCM耐久性測試系統的整體設計思路和測試規范，重點討論了關鍵子系統的設計原理，并通過原型樣機對幾種PCM模塊長久性測試，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

　　汽車發動機控制模塊（PCM）是汽車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、輸出回路等五個部分組成。其作用是接收各種傳感器信號，經微機的運算、處理，向執行器發出指令，接通各執行器的接地線，使其通電而工作，以精確控制燃油供給量、點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

　　本文以電噴發動機的控制技術為基礎，采用多層CAN總線通信技術、虛擬儀器技術和嵌入式計算機系統，設計了一個通用開放的PCM耐久性測試系統。它主要由工業控制計算機（工控機）、信號發生子系統、模擬負載子系統、負載監測子系統、大功率程控電源、環境實驗箱、現場總線通信子系統、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型和測試項目的不同發送設置指令，控制環境變量和大功率直流電源，快速切換汽車傳感器信號和模擬負載連接，并及時向負載監測系統發送讀取指令，在線監測PCM運行狀態。

　　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，關系到PCM整體質量。為了提高PCM正常運行時的可靠性和耐久性，必須建立一套能夠最大限度激發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小時的測試規范，具體如圖3所示，并通過了利用DSPACE快速開發平臺和NI虛擬儀器平臺建立的耐久性測試實驗平臺的檢驗。

(a) 溫度和濕度參數

(b)電源參數

圖3 相關參數的測試規范

　　3、PCM耐久性測試系統的主要構架

　　本系統采用研華工控機，通過安插調理放大器、A/D、D/A卡，安裝Visual C++、LabVIEW等開發應用軟件，構成一個虛擬儀器平臺，實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電機工作，設計了能容納多個PCM的環境實驗箱。

　　3.1 信號發生子系統

　　在相關文獻中，信號發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，主要結構是一個以ARM單片機和CPLD為硬件框架的嵌入式計算機系統。它只要分配給各個信號發生模塊不同的標識(ID),就可通過現場總線進行系統擴展，實現多模塊的信號發生子系統網絡。

　　采用DDS技術在當前的測試測量行業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+專用DDS芯片的方式產生正弦信號，其原理如圖4所示，ARM單片機向CPLD 發出控制命令，CPLD 在時鐘下譯碼后產生DDS的控制信號，產生出相應頻率的正弦波信號，該正弦信號經過濾波放大后，輸出相應幅值的正弦信號。

圖4 正弦信號產生原理圖

曲軸位置信號（CPS）是PCM控制點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的方式產生。CPS信號產生原理如圖5所示，在EPROM中存有一個周期的正弦表數據，當需要產生CPS信號時，ARM單片機對CPLD進行設置，CPLD根據接收的控制命令，通過時鐘計數，產生讀存儲器的信號，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D/A轉換，變成單端CPS模擬信號，然后經濾波電路和單端轉差分處理電路，輸出CPS差分信號。在實際的電路實現中，對CPS信號的控制可由計算機通過CAN總線向ARM發出控制命令進行設置，因此，即使ARM芯片在運行過程中復位，電路仍能輸出正確的CPS信號，以確保測試周期的正常進行。

　　該子系統還針對各類PCM模塊的需求,設計了兩種VREF/2信號的產生方式：電阻分壓方式和運算放大器分壓；同時，利用555時基電路和濾波放大電路設計了PWM發生器；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信號產生原理圖

　　該子系統主要模擬PCM連接的點火線圈、噴油、碳罐電磁閥、廢氣再循環等輸出負載。該子系統是一個能模擬各種PCM輸出負載的開放式負載系統，并可通過現場總線進行系統擴展。

　　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。當需要進行具體項目的測試時，可通過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。