電驅動控制器耐久性激活測試系統淺析

喻建軍　李辰　任勇　陳偉鵬　韓濤

摘 要：本文較為詳細的介紹了“電驅動控制器耐久性激活”測試系統的解決方案。該測試系統通過PLC控制電驅動控制器的多種高/低電壓信號有序接通/斷開，同時PLC與電驅動控制器通過CAN報文進行數據交互。由此提供一個閉環控制、高性價比的“耐久性激活”測試系統的新思路。

關鍵詞：電驅動控制器 PLC CAN

1 前言

隨著國產新能源汽車井噴式發展，新能源汽車產業迭代升級正在高速邁進。作為新能源汽車“心臟”——電驅動總成，其性能永遠是業界關注的焦點。而電驅動總成的“大腦”——電驅動控制器，則是電驅動總成成敗的關鍵。優秀的電驅動控制器理論設計需要實踐測試來驗證評估。本文將對電驅動控制器關鍵性能指標之一 ——“耐久性激活”測試的閉環檢測系統進行淺析，為該類型測試提供一種新思路和解決方案。如圖1所示。

2 耐久性激活測試系統功能簡介

“耐久性激活”測試系統，主要包含：低壓控制模塊、CAN報文監控模塊、高壓直流控制模塊、預充/主動放電模塊、模擬旋變信號模塊五部分。該系統的測試原理：通過PLC編程，周期性“通&斷”電驅動控制器的各種高、低壓信號，并且同時PLC控制閉環步進系統模擬電驅動的旋轉變壓器旋轉，從而激發電驅動總成的旋變信號。PLC通過第三方通信廠家的“TCP-CAN”模塊監測電驅控制器反饋的CAN報文信息并記錄，并針對電驅動總成突發的錯誤或故障及時采取應對舉措，形成閉環控制。由此實現更加安全、高效、低成本的測試模式，如圖2所示。

3 模擬旋變信號模塊進行轉速模擬

模擬旋變信號模塊作為“耐久性激活”測試系統中主要的機械結構，且長期連續運行，其可靠性和效費比顯得尤其重要。該模擬旋變信號模塊已經由傳統設計模式水平軸“一個電機對一個旋變”結構，變更為垂直向下方向雙軸承定位的“一個電機對多個旋變”結構。在兼顧了轉速和扭矩滿足測試需求的前提下，大幅提升可靠性和效費比。該模塊可同時安裝4個旋轉變壓器，連接4臺電驅動控制器測試。同時該模塊在外框架結構四周加裝克力材質的透明擋板，既能便于觀察旋轉變壓器的運行狀態，又能防止在高速旋轉過程中有異物飛出傷人。

亞克力板上安裝有接線端子，便于引出旋變線束，讀取旋變信號，如圖3所示。該接線端子為螺絲壓緊結構，接線靈活、便捷。模擬旋變信號模塊主體使用電木材料，剛性、強度滿足技術要求，且絕緣性良好。目前大多數模擬旋變信號模塊驅動源選用的是直流無刷電機、開環步進電機或者交流伺服電機，用其模擬電驅動帶動旋變轉子高速旋轉。但是直流無刷電機調速不精確，轉速波動較大。開環步進電機最高轉速通常只能達到600rpm，轉速較低，且長時間高轉速運行時容易出現過熱發生故障。伺服電機轉速可精確控制，額定工作轉速較高，但其價格昂貴，在此應用場景中性價比很低。反觀“閉環步進系統”，即閉環步進電機+閉環步進驅動器，既能實現較高運行轉速（高速可達2000rpm），也能較為精確的控制和反饋轉速。并且在長時間高轉速運行條件下，機體發熱情況良好，且噪音低、振動小，性價比較高。PLC通過脈沖指令能輕易控制“閉環步進系統”。因此“閉環步進系統”是此應用場景下的不二之選。

4 PLC實現CAN報文數據收發

當前在汽車電驅動控制器監測領域，普遍使用PCAN或CANOE等開發硬件工具配合配套專用上位機軟件，用于監測和錄取電驅動控制器發出的CAN報文。但PCAN或CANOE自身無對外擴展的I/O功能，且通常只能實現1個PCAN或CANOE與1臺被測樣機通信。如果監測過程中需要進行外部I/O擴展及多通道CAN報文同時監測，則需定制專用的帶有I/O擴展功能的CAN通信板卡，此類型板卡設計采購費用動輒過萬。

PLC作為工業生產的邏輯控制基礎單元，具有強大的I/O控制、模擬量監測、多種模式通信能力。尤其在通信模式上，PLC正變得越來越豐富，例如TCP/IP、RS485、Modbus、Profinet等。通常一線品牌廠家（例如西門子、三菱等）的低端PLC不具備CAN報文的收發能力。而這些廠家的PLC產品中，只有中、高端PLC在配置自家生產的專用CAN通信模塊才能實現CAN報文的收發，而配置該類型CAN收發模塊也需花費數千。

目前PLC在汽車整車及零部件檢測領域得到廣泛的應用。尤其在數據通信方式上PLC正在呈多樣化和相互交融的趨勢。當前眾多第三方通信協議科研廠家為了降低工控自動化領域的工程項目中各種通信協議間的轉化成本，陸續開發出了各種通信協議之間進行轉換的成品模塊，例如TCP與CAN轉換、Modbus與CAN轉換、RS485與TCP轉換等。通過選擇第三方廠家提供的“TCP-CAN通信協議轉換”模塊，可將電驅動控制器發送出的報文從CAN2.0B協議轉化為TCP/IP協議，而PLC與第三方模塊的硬件連接通常只需要一根普通的成品網線，被測樣機連接到第三方模塊也僅需要一根兩芯屏蔽雙絞線。西門子、三菱等品牌的低端PLC編程軟件也帶有“TCP/IP協議收/發指令”。例如使用西門子S7-200SMART PLC，在其編程軟件中首先通過調用“TCP_CONNECT”模塊，將第三方通信轉換模塊視為服務器，使用TCP_client客戶端模式讓PLC主動訪問第三方通信轉換模塊。在“TCP_CONNECT”中設置好第三方通信轉換模塊的IP地址、RemPort端口以及ConnID，并一直“使能”和“激活”。再使用“TCP_RECV”模塊，指定接受字節長度和存儲區起始地址。通過軟件編程比對“幀ID”是否與所需一致，就能使PLC接收到指定“幀ID”處13個字節長度的報文，如圖4所示。

最后結合被測電驅動總成的“通信矩陣表”釋義和所接收到指定的“幀ID”報文，使用PLC編程軟件中的字“與邏輯運算”和字“右移位運算”指令，便可以提取到所需的特定長度的“字節”或“位”信息，從而實現解析報文內容的目的，如圖5所示。最后將解析完成的報文中有用的數據信息從16進制數轉換為10進數，便于后續PLC進行I/O邏輯控制、數據閾值的判斷。

通常“TCP-CAN通信模塊”至少有2通道，可實現2臺被測樣機的CAN報文同時監測。如果再結合多LAN口的工業交換機一并使用，通過設置不同的IP地址，則可以大幅度的拓展CAN通道（理論上最多255個通道），實現更多的被測樣機同時域監測，如圖6所示。最后在PLC軟件編程中設置好相應的各項參數（諸如電驅動“電流”、“電壓”、“故障等級”、“故障代碼”等）的閾值，并編寫應對不同“狀態值”的處置措施，諸如通/斷低壓直流或高壓直流繼電器、增/減閉環步進電機的轉速等。從而實現了對電驅動總成 “耐久性激活測試”的閉環監測功能。

5 耐久性激活測試系統的待改進方向

由于PLC在與第三方“TCP-CAN”轉換模塊進行通信協議轉換過程中需要處理大量的數據；電驅動控制器根據數據重要性差異使用不同的發送周期發送報文；以及PLC自身掃描周期等3方面的主要原因，在實際運用過程中監測數據會產生一定程度的延時，其實時性仍待提高。同時隨著CAN通信對數據傳輸帶寬要求的增加，傳統的CAN總線由于帶寬的限制難以滿足這種增加的需求。于是BOSCH公司推出了CAN FD。CAN FD總線彌補了CAN總線帶寬和數據場長度的制約。但是目前絕大多數第三方“TCP-CAN”模塊僅支持CAN2.0B與TCP之間的轉化，少有支持CAN FD與TCP的轉換模塊。后續第三方通信科研廠家需加快進度，盡快推出工業級的“CAN FD-TCP”轉換模塊，以滿足行業需求。

6 結束語

伴隨著工業通信領域技術的飛速發展，眾多的通信方式正在被應用到汽車檢測領域，以便于更大程度的提高生產、協作效率。而基于工業以太網（RJ45網口）的通信協議更是在飛速的發展，被應用于工業制造生產、檢測監控等行業。希望僅借此文能為新能源汽車的控制器研發、測試領域提供更多可供選擇的新思路和途徑。

參考文獻：

[1]深入淺出 西門子S7-200 SMART PLC（第2版） 北京：航空航天大學出版社 2018.8．

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[3]陳樹學. Labview寶典（第2版）? 北京： 電子工業出版社2017.9．