基于ARM Cortex-M3的汽車搖窗電機綜合性能測試系統

包佳東，韓 強

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

隨著我國經濟的發展，人民生活水平的提高，我國機動車的數量也在逐年遞增，并且汽車上較普遍地采用了電動搖窗系統，以實現搖窗玻璃的電動升降，提高汽車的舒適性、方便性和安全性。故此作為電動車窗升降器核心的搖窗電機，其市場需求量也越來越大。電動車窗升降器的好壞很大程度上取決于搖窗電機的性能，因此搖窗電機的性能測試必不可缺。

搖窗電機是一種渦輪蝸桿減速直流電機，需測試的性能繁多，其中有機械特性、起動性能、齒間隙、自鎖性能、反向起動、轉速同步性、耐久性等。為了實現高效、便捷的自動化測試，在此提出了一種搖窗電機性能測控方案。該測試系統能夠滿足搖窗電機多項性能測試，具有一定的工業應用價值。

1 系統組成及工作原理

1.1 主要技術指標

—搖窗電機電流為0～30 A，精度誤差為±0.2%FS（full scale，滿量程）；

—搖窗電機供電電壓為0～30 V，精度誤差為±0.3%FS；

—旋轉角度的精度誤差為±0.02%FS；

—搖窗電機轉速為0～200 r/min；精度誤差為±0.25%FS；

—負載轉矩為-20～20N·m，精度誤差為±0.2%FS。

1.2 系統組成

搖窗電機性能測試系統需要檢測電機的多項性能，系統組成如圖1所示，由PC，恒溫箱、嵌入式測控單元、搖窗電機電源、搖窗電機、各類傳感器、負載、負載驅動器、正反轉控制模塊等組成。如實現多臺搖窗電機的耐久測試，則需在CAN總線和RS485并聯相同的設備過程。

測試過程中，需要檢測電流、電壓、角度、轉速、轉矩，圖中各類傳感器主要包括霍爾電流傳感器、絕對式光電編碼器、扭矩傳感器、霍爾非接觸式開關。

PC通過RS232或者RS485實現對搖窗電機供電電源（單臺用 RS232，多臺用 RS485），用 RS485對恒溫箱溫濕度進行讀寫。搖窗電機采用AN50400SV1型號電源，其輸出電壓為0～35 V，電流為0～50 A，具有最大4 V的引線壓降補償。因為正常搖窗電機在12 V供電下，堵轉最大電流為20～30 A，線損電壓非常嚴重，會明顯影響搖窗電機的測試情況。

對比磁粉離合器在空載的測試中會產生過大的空載力矩，而且在搖窗電機齒間隙和自鎖測試中，需要把負載切換成主動驅動電機來使用。為避免機械裝置的拆卸，負載采用力矩電機，其具有低速運行特性穩定，反應速度快，線性度好等優點[1]。

在測試過程中，需要對電機正反轉進行測試。由于正反轉切換頻繁，為保證正反切換壽命，采用了LSD-50P75FID2型全隔離直流電機正反轉控制模塊，其使用壽命長，導通壓降小，有短路和過載保護功能，能很好保證測試需求。

2 硬件設計

2.1 嵌入式測控板總體設計

嵌入式測控板的主要功能是對各類傳感器進行數據采集，對負載驅動器和正反轉控制模塊控制以及信息通訊。其設計思路如圖2所示。

圖2 嵌入式結構控制框圖Fig.2 Embedded structure control block diagram

測控板以STM32F103ZET6作為主控芯片，分別由A/D模塊、DI模塊、DO模塊、SSI采集模塊、RS232和CAN通訊模塊、高速計數模塊組成。

2.2 DO/DI模塊

DO模塊用于控制正反轉控制模塊的信號通斷，實現對搖窗電機正反轉的隔離控制；DI模塊用來接受固定位置的霍爾行程開關信號。其模塊電路如圖3所示。

圖3 DO/DI模塊電路Fig.3 DO/DI module circuit

因MCU的I/O端口的驅動能力不夠，一般需要光耦合器來實現電氣隔離和功率放大[2]。其中，為了保護主控芯片，在DO模塊與MCU接入74HC245芯片，不僅添加了緩沖器，又可增強MCU引腳的驅動能力。DI模塊與MCU用2個74HC14施密特觸發器連接，其不僅作為電平轉換單元，亦能起到防抖濾波的作用。

2.3 電流/電壓檢測

為了保證A/D轉換的精度，模擬信號在送至A/D轉換之前，需要進行適當的信號調理，其中采用運算放大器，以提高電路的輸入阻抗能力。電流信號采集采用TBC25D的霍爾電流傳感器，該元件具有線性好，精準度高，不損耗被測電路能量，頻帶寬，可以測直流、交流脈沖電流等一系列優點[3]，其電路如圖4所示。

圖4 電流采集及信號調理Fig.4 Current acquisition and signal conditioning circuit

為保證的檢測電路的高分辨，A/D轉化電路選用通道同步采樣芯片MAX125作為A/D轉換芯片。MAX125是2×4通道14位同步采樣轉換芯片，每個通道轉換時間僅為3 μs，可實現2×4通道同時采樣。單通道工作時采樣速率可達250 kS/s（千次采樣每秒），雙通道工作時采樣速率可達142 kS/s，三通道工作時同步采樣速率可達100 kS/s，四通道工作時同步采樣速率可達76 kS/s[4-5]。

2.4 高速計數模塊

扭矩檢測由型號為JN338-20AE的智能數字式轉矩轉速傳感器。該扭矩檢測的原理是采用應變電測原理，當應變軸受扭力影響產生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變片阻值發生相應變化，將具有相同應變特性的應變片組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變為電壓信號的變化[6]。

由于扭矩傳感器的扭矩信號是周期性幅值為±5 V方波，測得的扭矩與方波頻率存在正比關系，其中隨著扭矩正向增大，其脈沖頻率會變大，而扭矩反向增大，脈沖頻率會變小。由于脈沖頻率的范圍在（5～15）kHz。 在圖 5 所示電路中，通過 6N137 高速光耦再經2個74HC14施密特觸發器反相器對信號處理，然后傳到MCU。

圖5 高速計數電路Fig.5 High speed counter circuit

圖6 SSI208P硬件連接Fig.6 SSI208P hardware connection

2.5 SSI模塊

角度傳感器采用AFS60A型18位絕對式編碼器。MCU通過SSI208P并行接口模塊與編碼器，實現SSI高速通訊，如圖6所示。其中，SSI208P接口轉換模塊將同步串行接口數據轉換并行數據，其內部集成SSI同步時鐘發生器、脈沖計數器、數據串并轉換、接口控制邏輯、輸出控制以及收發驅動器（TTL-RS422電平轉換）等功能單元，通過該模塊將至多32位數據轉化為4個8位并行數據[7]。

該模塊D0—D7作為數據總線；START，END，CS，A0，A1 作為控制總線，其中以 A0，A1 的電平變化來選擇高低的4組8位數據。

通過CLKMD1和CLKMD2外接電平進行通信速率配置，00 為 250kHz，01 為 500kHz，10 為1 MHz，11 為 2 MHz。

2.6 通訊模塊

嵌入式測控板帶有2個通訊模塊，一個是RS232模塊，另一個是CAN模塊。其中，RS232模塊主要用于對負載電機驅動器的通訊控制，CAN模塊用于與PC進行通訊。其電路如圖7所示。

由于在實際測試中，有些電機測試項目需要穩定的實時性，在保證CAN高速通信速率上，需要在CAN模塊需要并聯120 Ω的終端電阻來作為阻抗匹配，以減少回波反射[8]。

圖7 RS232&CAN電路Fig.7 RS232&CAN circuit

3 軟件設計

該測試系統采用模塊化設計，由主程序、定時程序、AD采集子程序、輸入捕獲中斷程序、SSI子程序、通訊子程序等組成。

程序設計在Keil uVision集成開發環境進行標準C語言開發。主程序包括對系統時鐘配置、各個模塊的初始化。主程序的主要內容是對于霍爾開關的信號采集，用來標記當引腳電平的下降沿，其他模塊程序都寫在中斷服務程序中。該測試板的控制流程受PC的指令進行操作如圖8所示。MCU根據接受CAN通訊數據進行判斷，執行應用層協議中的功能操作，并進行消息反饋。

圖8 測試板程序控制實現Fig.8 Test board program control implementation

通過該程序框架進行編寫，易于在PC上進行二次開發，搖窗電機多項性能測試項目可以根據實際的需求進行程序流程控制。

4 試驗結果

基于該測控板開發的上位機測試，由于搖窗電機其性能測試繁多，受篇幅所限，僅以機械特性和起動性能測試為例，性能顯示界面如圖9，10所示。

圖9 搖窗電機機械特性顯示界面Fig.9 Mechanical characteristic display interface of window lifter motor

圖10 搖窗電機起動性能顯示界面Fig.10 Starting performance display interface of window lifter motor

機械特性是指搖窗電機在固定電壓下，隨著外部負載扭矩增加下的轉速和電流關系。起動性能是指上電瞬間的電機電流、轉速需要到達穩定轉動需要的時間。測試情況如圖所示，可見該搖窗電機綜合性能測試測試系統設計可行，并能滿足搖窗電機生產過程中測試需求。

5 結語

所設計的搖窗電機性能測試系統，程序模塊化，易在此基礎上開發多變的測試流程，便于進行二次開發。通過PC與下位機的控制策略，能很好的保證搖窗電機的測試過程，提高了搖窗電機各類測試的效率。在實際運用中，能到達“一平臺，多應用”的設計目標。應用軟件采用模塊化程序設計，降低了開發難度，由于一定意義上的通用性、可維護、模塊化等特點。實際應用表明系統具有可靠性好、穩定性能好的特點。

[1]黃科.力矩電機動力學性能測試研究[D].長沙：國防科學技術大學，2010.

[2]于微波，劉俊平，姜長泓.計算機測控技術與系統[M].北京：機械工程出版社，2016.

[3]黃漢華，沈涼平，李宣成.基于霍爾效應的直流電流檢測試驗研究[J].信息通信，2016，30（3）：58-59.

[4]陳實，熊吉，李網生.基于DSP和CPLD的脈沖氙燈電流實時采集系統的研制[J].信息化研究，2009，35（8）：22-24.

[5]張新榮.ADC器件MAX125的功能及應用[J].陜西理工學院學報：自科版，2003，19（3）：36-38.

[6]孟臣，李敏.JN338智能數字式轉矩轉速傳感器及其應用[J].電子設計工程，2003，11（11）：56-58.

[7]靳紅濤，趙勇進，張曉曦.一種工控機高速采集SSI接口數據的方法[J].電子器件與應用，2012，14（10）：47-49.

[8]李會，王宣懷，王磊.基于CAN的數據無損代碼更新方法設計與應用[J].電子器件與應用，2016，42（1）：40-43.