電子真空泵環境試驗機的設計與實現

摘要：設計并實現了以NI USB-6501和NI USB-6002數據采集卡為核心的真空泵環境試驗系統平臺，完成了包括控制電路、數據采集電路及其外圍電路的整個硬件系統設計，并以RS232串口通信來控制溫度箱，在PC機上設計了上位機控制和監測界面。同時根據環境試驗的要求，編寫了測試程序，測試結果表明，該設計能夠穩定可靠地實現真空泵環境試驗的各項功能，能廣泛應用于各個類型的電子真空泵的環境試驗。

關鍵詞：環境試驗;測試系統;真空泵

0? ? 引言

目前，國家正大力推進新能源汽車發展，據預測，中國2025年電動汽車銷量將會達到150萬輛。

傳統汽車的剎車系統采用的是真空助力的方式，真空產生的主要來源是發動機，但是在電動汽車上，傳統的汽油發動機已經被牽引電機替代，所以電動汽車剎車所需要的真空就需要有專門的器件來產生，電子真空泵的出現解決了電動汽車剎車所需真空的問題。同時，真空泵變成了唯一的真空來源，其質量好壞關系到駕乘人員的生命安全。

基于此，本文設計了以NI USB-6501和NI USB-6002數據采集卡為核心的真空泵環境試驗系統平臺，該測試系統可以通過模擬整車駕駛習慣和外界環境來測試真空泵的性能。

1? ? 方案分析

圖1所示為典型的真空制動系統原理圖，真空泵安裝在汽車底盤上與真空助力器連接。在汽車行駛過程中，當駕駛員踩制動踏板時，踩踏力通過制動踏板傳遞給真空助力器，真空助力器一般由兩個腔（工作腔和真空腔）組成，通過兩個腔不同的壓力差，將踩踏力放大并推動液壓主缸，進而將制動力分配到4個車輪，起到剎車的作用。當真空助力器里面的真空腔真空不足時，駕駛員的感覺就是踏板硬，剎車就需要用很大的踩踏力，且制動距離和時間會變長。在汽車高速運行時，這樣駕駛會帶來車毀人亡的風險。

現在幾乎所有的汽車都安裝了真空泵，當傳感器檢測到真空助力器真空腔真空不足時，發信號給整車ECU，ECU控制真空泵開始工作，提供剎車所需要的真空。由此可見，真空泵在整車制動中的作用是非常重要的。此外，真空泵安裝的位置是在整車的底盤，除了正常溫濕度下，泵的性能需要出色外，面對外界苛刻的環境變化，真空泵的性能也需要滿足要求。本測試系統與溫度箱配合使用，既能模擬整車可能處于的環境狀態，又能通過一個30 L的真空罐來模擬真空泵工作時帶負載的狀態，圖2為真空泵環境測試系統原理圖。

該試驗設備需要一次性測試10臺電子真空泵。為了模擬整車工作狀態，需要將真空泵帶負載運行。但如果每個真空泵都連接一個真空助力器來模擬剎車，那么測試設備將無比巨大，且不具備可操作性。因此，在該測試系統中，采用了一個30 L的真空罐來模擬真空助力器，讓真空罐保持一定的真空度，那么每個真空泵通電測試時，都相當于帶負載測試。當真空罐真空度小于48%時，節流閥開始工作，真空罐進氣;當真空度等于50%，節流閥停止工作。同時，在每個真空泵之間，單向閥和電磁閥的組合應用，保證了每個泵的氣路都各自獨立，使得整個測試的數據更加準確、可靠。

2? ? 測試要求

該測試系統是針對真空泵在整車上使用時，隨著外界環境的變化，真空泵的性能是否會受影響。具體的時間要求如下：

（1）熱剝落試驗要求：

測試電壓：（13.5±0.1）V。

泵單個過程循環時間：100 s（5 s開啟，95 s關閉）。

溫度從100 ℃以（1±0.2）K/min的速率降溫到-40 ℃，保持2 h;從-40 ℃以（0.875±0.2）K/min的速率升溫到100 ℃，保持1 h。

溫度循環次數：40次。

（2）復合溫濕度循環試驗要求：

測試電壓：（13.5±0.1）V。

相對濕度：（93±3）%。

泵單個過程循環時間：500 s（5 s開啟，495 s關閉）。

溫度從25 ℃升溫到55 ℃的時間為3 h，保持9 h;從55 ℃降溫到25 ℃的時間為3 h，保持9 h。

溫度循環次數：7次。

3? ? 硬件設計及選型

該測試系統使用對象為生產型企業，使用環境和操作人員比較復雜，高的性價比以及好的穩定性是硬件設計時要考慮的要素。

設計方案實現的硬件平臺是研華工控機610L，根據專門的溫度控制曲線進行編程，采用了NI USB-6002和NI USB-6501數據采集卡，自帶數據采集、數據分析、故障診斷、故障報警功能，原理圖如圖3所示。

圖3是硬件原理圖，主要功能劃分為：

（1）工控機+程控電源組成測試電路，用來控制真空泵的啟停;

（2）工控機+NI USB-6501+24 V直流電源組成驅動電路，用來控制繼電器、節流閥和電磁閥，驅動繼電器線圈得電（進而起到控制真空泵的作用），驅動電磁閥得電（起到讓真空泵帶載工作的作用）;

（3）工控機+NI USB-6002組成數據采集電路，采集電流信號、電壓信號和真空度信號。

從圖3中可以看出，工控機通過RS232串口通信來控制溫度箱的程序，從而達到試驗所需的溫度變化曲線。程控電源為所有被測試真空泵提供電力，因為真空泵運行時沖擊電流比較大，故選擇的是程控電源AMETEK DCS 20-60E。內置24 V的電源為硬件板卡的輸入電源。系統采用電磁閥+節流閥+壓力表+工控機的組合形成了一套真空度控制單元。當真空罐里面的真空度低于設定的壓力值時，壓力表將信號傳遞給工控機，工控機控制電磁閥工作，進而控制節流閥工作，使得真空罐里面的壓力保持在（50±2）%。同時，工控機根據圖1或者圖2的時間循環，采用繼電器的方式來控制真空泵工作，并根據真空罐里面真空度的變化情況來進行故障診斷，及時將泵的故障信息反饋給工控機，工控機根據故障信息停止真空泵工作，并在人機界面報警。

電壓對電子真空泵的性能有非常大的影響，所以該測試系統對測試電壓的要求比較嚴苛，故選擇美國阿美特克（AMETEK）公司的程控電源AMETEK DCS 20-60E。該電源可輸出電壓最大為20 V，最大電流為60 A，足以滿足測試真空泵的要求。此外，DCS 20-60E有電壓、電流反饋線，一方面，可以通過反饋的電壓信號對測試的真空泵進行電壓補償，使得測試真空泵的輸入端得到穩定的電壓值，用以確保測試的準確性;另一方面，可以通過反饋的電流信號來判斷測試的真空泵是否出現異常，方便進行故障診斷。

NI USB-6002數據采集卡，為全速USB設備，可用作8個單端模擬輸入（AI），數模轉換（ADC）分辨率為16位，最大采樣率為50 kS/s。在該系統中，使用了其中的3個模擬量輸入端口，用于采集程控電源的電壓值、電流值以及真空罐的真空度值。

NI USB-6501數據采集卡，采用即插即用的USB連接，是一款便攜式數字I/O設備，有24個DIO通道和一個32位的計數器。在該系統中，使用了10個數字通道來控制繼電器，10個通道來控制電磁閥，2個通道來控制節流閥，以較低的成本進行可靠的數據采集和控制。

4? ? 軟件設計

根據環境測試試驗機的要求，本系統的軟件模塊結構如圖4所示。在測試程序選擇界面下，可分為以下4個模塊：參數設置模塊、子程序運行模塊、數據采集模塊和程序運行監控模塊。

本設計中軟件采用LabVIEW來編程，運用LabVIEW能方便運用多線程的優勢對10組數據進行監控、采集和記錄。每個執行系統保持一個活動任務隊列，如果隊列中的任務優先級相同，那么為每個任務分配一個CPU時間段。一個任務執行一定時間后就退到隊列末尾，讓后面等待的任務開始執行，執行完的任務退出隊列。如果有的任務優先級高，它將不受排隊的限制。主程序作為整個測試程序的開始和中止，具有最高的優先級，可以中斷測試子線程。每一個測試按鈕將開啟一個新的子測試程序并激活一個定時器，同時相對應的真空泵進入測試狀態，子測試程序將運行數據記錄到相應的文件。如果出現異常情況，測試子程序將自動中斷，人機界面出現報警，該路測試如何進行，重新測試還是停止該路測試，都需人工進行干預。

5? ? 應用情況

圖5為設備運行時的運行界面，左邊界面中虛線代表設定的溫度曲線，實線代表目前的溫度曲線，可以看出，目前測試設備的溫度控制嚴格按照試驗前設定的曲線執行。右邊的界面是測試真空泵運行時的電流以及真空罐真空度的數值記錄界面。

目前該設備已經在公司投入使用，設備符合設計要求，安全達到了測試的目的，且滿足了生產型企業對于設備物美價廉的要求。

6? ? 結語

本文基于NI USB-6002和NI USB-6501數據采集卡，設計并實現了真空泵環境試驗的測試系統平臺，完成了包括驅動電路、ESD保護電路以及數據采集線路的整個硬件系統設計，并以串口通信為基礎，在PC機上設計了上位機控制界面。該系統通過傳感器輸入數據，進行計算，完成真空泵的測試及實現簡單的故障診斷功能，且具有效率高、成本低等特點，能夠穩定可靠地應用于真空泵生產企業。

[參考文獻]

[1] 郝麗，趙偉.LabVIEW虛擬儀器設計及應用：程序設計、數據采集、硬件控制與信號處理[M].北京：清華大學出版社，2016.

[2] 周鵬，凌有鑄.精通LabVIEW信號處理[M].2版.北京：清華大學出版社，2018.

[3] 劉衛東，劉尚合.集成電路ESD保護設計技術[J].軍械工程學院學報，2006，18（Z1）：274-277.

[4] 毛瓊，王敏.LabVIEW 2018虛擬儀器程序設計[M].2版.北京：機械工業出版社，2018.

[5] EHSANI B.Date Acquisition Using LabVIEW[M]. Birmingham：Packt Publishing，2016.

[6] MIHURA B.LabVIEW for Date Acquisition[M].Upper Saddle River：Prentice Hall，2001.

收稿日期：2021-01-06

作者簡介：鮑恝（1978—），男，浙江鄞縣人，碩士，工程師，研究方向：儀器儀表。