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        汽車發(fā)動機ECU環(huán)境耐久性測試原理與實現(xiàn)*

        2013-02-27 08:35:18劉勝龍
        汽車工程 2013年5期
        關鍵詞:噴油耐久性可靠性

        余 淼,帥 璐,劉勝龍,浮 潔

        (重慶大學光電工程學院,智能結(jié)構(gòu)研究中心,重慶 400044)

        前言

        發(fā)動機電子控制單元(ECU)是汽車的控制中樞,其主要功能是接受發(fā)動機的節(jié)氣門和曲軸位置等傳感器信號,按照控制策略,精確控制燃油供給量、點火提前角和怠速空氣流量等,會極大地提高汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性,并可有效地降低尾氣排放。由于ECU的工作環(huán)境十分惡劣,因此要求其具有非常高的可靠性和環(huán)境耐久性[1]。ECU生產(chǎn)廠商須通過設計驗證測試證明其ECU產(chǎn)品符合客戶的要求,通過生產(chǎn)驗證證明其生產(chǎn)工藝可以保證產(chǎn)品合格,因此在ECU的開發(fā)和生產(chǎn)過程中,必須應用相關測試設備對其進行測試[2]。目前國內(nèi)一些企業(yè)和高等院校針對ECU設計出一些仿真測試系統(tǒng),用于ECU的環(huán)境耐久性測試,如江蘇大學針對發(fā)動機ECU開發(fā)一套自動測控系統(tǒng)[3];北京理工大學開發(fā)一套ECU硬件在環(huán)柴油機控制仿真平臺[4]。針對現(xiàn)階段ECU耐久性測試設備通用性差,不夠靈活的問題,本文中開發(fā)了一套ECU環(huán)境耐久性測試系統(tǒng),它具有高度開放、可擴展和智能等特點,能為不同汽車發(fā)動機ECU提供特定的工作環(huán)境,實時監(jiān)測ECU的運行狀態(tài),以測試該ECU的耐久性是否達到相關標準。

        1 ECU環(huán)境耐久性測試原理與規(guī)范

        環(huán)境耐久性測試是汽車ECU產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。以ECU為測試對象,最快地激發(fā)ECU內(nèi)部缺陷,縮短試驗周期,排除各種故障和修改設計缺陷,以提高產(chǎn)品的可靠性水平。ECU環(huán)境耐久性測試系統(tǒng)(EDTS)對ECU進行耐久性測試的原理如圖1所示。在ECU環(huán)境耐久性測試中,EDTS提供ECU所需的各種傳感器信號和各種執(zhí)行負載[5],并能夠?qū)崿F(xiàn)主機與ECU的總線通信,實時監(jiān)控ECU的運行狀況,且能對ECU樣品在試驗過程中發(fā)生的各種故障類型和故障時間進行記錄。模塊耐久性測試代碼(MDTC)運行在ECU之中,用于ECU產(chǎn)品的工程開發(fā)、設計驗證和生產(chǎn)驗證等項目測試,主要監(jiān)控在正常和特定工作條件下,ECU模塊的動態(tài)與靜態(tài)輸入信號和ECU輸出執(zhí)行負載的信號。同時,在ECU的環(huán)境耐久性測試規(guī)范中,需要對ECU進行各種工況測試。在每種工況下,模塊的執(zhí)行負載和環(huán)境參數(shù)都是特定的,因此需要EDTS對ECU的測試進行統(tǒng)一管理。ECU的實際工作環(huán)境包括電氣環(huán)境和物理環(huán)境,通過配置MDTC和EDTS來模擬ECU工作時所處的電氣環(huán)境;通過把ECU放進環(huán)境箱或振動系統(tǒng)中進行測試,來模擬ECU運行時所處的物理環(huán)境。

        耐久性測試規(guī)范是ECU耐久性測試的依據(jù),為提高ECU正常運行時的可靠性和耐久性,必須建立能最大限度激發(fā)ECU失效的測試規(guī)范。由于耐久性試驗(模擬性試驗)需要較長時間,生產(chǎn)廠家難以接受,因此采用加速壽命試驗方法,主要通過增加對試驗影響因素量度的方法,加快產(chǎn)品失效,以縮短試驗周期[6-7]。

        在耐久性試驗中,把溫度和電壓同時作為加速應力(將濕度設為定值),即雙應力加速壽命試驗方法,也即在規(guī)定ECU運行的時間內(nèi)向ECU同時施加有一定變化的電壓和溫度,該雙應力加速壽命試驗服從加速模型(廣義艾林模型)[8]:

        式中:θ為測試ECU的壽命特征;A、B、C、D為模型參數(shù);T為施加的溫度,-55℃≤T≤100℃;U為施加的電壓,0≤U≤17V;φ1(T)=1/T;φ2(U)=U。

        由于在該雙應力加速壽命試驗中,溫度T與電壓U之間無交互作用,則式(1)簡化得

        根據(jù)氣象記載,我國極端的最低氣溫或地溫幾乎沒有低于-55℃,故-55℃已滿足要求。同時,極端最高氣溫為47.6℃,加上一般電子設備本身有20℃左右的溫升,所以我國地面設備使用的電子元器件,溫度上限定為85℃。本次雙應力加速壽命試驗中,采用溫度循環(huán)試驗方法,其目的是考核電子器件在短期內(nèi)反復承受溫度的能力和不同結(jié)構(gòu)材料之間的熱匹配性能。結(jié)合低溫和高溫等級,按照ECU耐久性測試規(guī)范[9-13],制定溫度值與時間的關系式為

        式中:f(t)為循環(huán)溫度,℃;t為時間,min。

        試驗中施加于ECU的溫度循環(huán)曲線見圖2。

        在雙應力加速壽命試驗中,除溫度外的另一應力是隨機電壓應力,目的是考核電源電壓變化,包括發(fā)動機起動時產(chǎn)生的異常波動電壓和發(fā)動機電壓調(diào)節(jié)器故障時產(chǎn)生的過壓等對ECU的影響。通常,汽車發(fā)動機ECU正常工作電壓為14V。根據(jù)以往多次試驗經(jīng)驗,施加一定概率分布的電壓[11],能更快地激發(fā)ECU內(nèi)部的缺陷。電壓參數(shù)與時間的關系式為

        式中:ψ(t)為電壓參數(shù),V。

        試驗中施加于ECU的電壓參數(shù)曲線見圖3。

        2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件組成

        ECU環(huán)境耐久性測試系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、信號發(fā)生模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、模擬負載模塊、環(huán)境實驗箱和應用軟件等組成。該系統(tǒng)基于嵌入式技術和虛擬儀器技術建立。每一個測試單元由信號發(fā)生模塊、被測ECU模塊、模擬負載模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊組成。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示。

        2.1 信號發(fā)生模塊

        信號發(fā)生模塊以32位ARM微控制器LPC2294為核心,擴展 CPLD芯片 ispLSI1048E以增加LPC2294的片外資源,通過分配各個信號發(fā)生模塊不同的標識號(ID),實現(xiàn)多模塊的信號發(fā)生模塊網(wǎng)絡。該模塊的主要功能是模擬產(chǎn)生汽車上的各種傳感器信號[2]。主要包括曲軸位置信號(CKP)和車速傳感器信號(VSS)等。

        曲軸位置信號CKP是ECU控制點火系統(tǒng)中最主要的傳感器信號,它運用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)技術產(chǎn)生特殊的正弦波信號,即ARM單片機控制CPLD發(fā)地址信號周期性地查詢正弦波形數(shù)據(jù)表,再將所得的波形數(shù)據(jù)通過后面的D/A,濾波放大后得到所需波形,如36-1型CKP信號,其一個周期由34個T周期的正弦波再加1個2T周期的正弦波組成,其中2T周期的正弦波信號即為缺齒信號,以表征活塞的位置。圖5為信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的36-1型CKP信號。同時可以通過修改參數(shù)而改變所產(chǎn)生缺齒信號的個數(shù)和位置,進而產(chǎn)生其它型號的CKP信號,如36-2型、60-1型等。

        2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊

        狀態(tài)監(jiān)測模塊主要對被測ECU所輸出的噴油信號和點火信號等進行監(jiān)測,狀態(tài)監(jiān)測卡是基于ARM微控制器LPC2294和CPLD芯片ispLSI1048E為主要硬件框架的嵌入式計算機系統(tǒng),并可通過現(xiàn)場總線進行系統(tǒng)擴展。

        對于點火信號的監(jiān)測,CPLD的主要任務是判斷點火信號與CKP的同步關系,和2個或4個點火信號之間的時序關系,當尋找到點火信號與CKP同步的起始點后,根據(jù)輸入的PIP_IN信號,對各點火信號進行計數(shù)。每當一個點火周期完成后,在下一個點火周期向ARM產(chǎn)生一個中斷信號,進入中斷處理程序,由ARM讀入對各點火信號的計數(shù)值,判斷點火信號的時序和周期,并設置點火信號正常與否的標志。

        對ECU輸出的噴油信號監(jiān)測原理如圖6所示,將PIP_IN與ECU所輸出的噴油信號進行比較,以判斷噴油信號的相位。相位的比較在CPLD中通過硬件編程完成,當4個噴油信號中任何一個信號的下降沿到來時,CPLD都會檢測其它3個噴油信號的狀態(tài),如果其它3個噴油信號的狀態(tài)正常,即給出噴油信號正常標志,反之則給出噴油信號異常標志。

        2.3 現(xiàn)場總線通信模塊

        不同型號的ECU產(chǎn)品采用不同的通信接口進行通信,如CAN、KLINE、USB和Flex Ray等,因此必須考慮EDTS與ECU之間通信接口的通用性,以便于實現(xiàn)各種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

        CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性,因而得到業(yè)界的廣泛認同和應用。CAN總線為主要通信總線,兼有K-LINE、GPIB和RS485總線,靈活組成多個通信子網(wǎng),以滿足多模塊的測試要求[3]。上位機采用CAN通信卡PCI9840作為系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的通信接口,下位機采用 ARM芯片LPC2294自帶的4路CAN控制器作為CAN節(jié)點通信控制器[7],并增加CAN收發(fā)器實現(xiàn)CAN節(jié)點與總線的通信。系統(tǒng)采用多層CAN總線網(wǎng)絡通信技術,CAN通信網(wǎng)絡由3個CAN子網(wǎng)(CAN0、CAN1、CAN2)組成。下位機通過CAN1和CAN2子網(wǎng)分別與被測ECU模塊和狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)進行通信,并組成一個ECU測試單元;上位機則通過CAN0與各個下位機進行通信,并將各個測試單元集成起來。系統(tǒng)CAN通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖7所示。

        2.4 電源電壓控制模塊

        上位機測試管理軟件(EDE)通過控制GPIB通信卡Contec GPIB(PCL)F對Agilent大功率電源設備進行參數(shù)控制,接收電源的響應消息以實現(xiàn)按一定規(guī)律變化的電壓曲線,根據(jù)ECU測試規(guī)范將該電壓曲線施加于被測ECU,加快ECU老化,提前暴露ECU的內(nèi)部故障。

        電源電壓控制模塊主要處理過程有GPIB通信卡的啟動、電壓控制命令的發(fā)送和控制電源響應消息的接收,其流程圖如圖8所示。

        2.5 環(huán)境試驗箱控制模塊

        EDE通過控制485通信卡向環(huán)境試驗箱發(fā)送溫濕度設定命令,給ECU提供環(huán)境條件,其中濕度為一定值,溫度按一定的規(guī)律循環(huán)變化,同時監(jiān)控環(huán)境箱的運行狀態(tài),在環(huán)境箱出現(xiàn)問題時及時報告。本模塊的主要處理流程有環(huán)境箱啟動流程、環(huán)境箱溫濕度設定流程和環(huán)境箱響應消息處理流程。

        3 試驗結(jié)果與分析

        在ECU樣品中任取n個進行雙應力加速壽命試驗,試驗進行到事先規(guī)定時間t0時刻停止,記錄ECU樣品失效的個數(shù)和時間,然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對平均壽命MTTF進行點估計和區(qū)間估計。在[0,t0]時間內(nèi)n個參加試驗樣品的總時間為[14]

        式中:r為ECU樣品的失效個數(shù);t0為試驗時間;n為參加試驗樣品個數(shù);ti為每個失效ECU樣品失效前的工作時間。

        由于壽命服從指數(shù)分布,則可求得ECU樣品的平均壽命MTTF的極大似然點估計為

        然后對平均壽命MTTF進行區(qū)間估計,由于2T*/θ服從自由度為2r的χ2分布,則置信度為1-α的置信下限為

        在某型號ECU中,任取20個樣品進行ECU環(huán)境耐久性試驗,試驗時間t0為240h(10天)。所得試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 第一次ECU環(huán)境耐久性試驗數(shù)據(jù)

        根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及式(6)和式(7)計算得到該批ECU樣品的平均壽命MTTF的極大似然點估計為θ^ =1 180h,置信水平為0.9的單側(cè)置信下限為θL= 706h。基于以上分析可知,該批ECU可靠性水平較低,分析失效原因,在ECU電路設計方面存在問題,原設計中采用的曲軸位置傳感器(CPS)信號是單端輸入,抗干擾性能較差,故對CPS信號處理電路進行改進,將單端信號改為差分信號,提高其抗干擾能力,有效抑制電磁干擾(EMI);部分失效ECU樣品內(nèi)部點火電路被燒毀,原因是點火脈沖產(chǎn)生高溫所致,對其增加泄放二極管,以釋放一部分點火脈沖產(chǎn)生的能量;部分失效ECU的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)燒壞,原因是IGBT為不合格產(chǎn)品,更換IGBT后問題解決。

        改進設計后,按照新設計重新制作一批ECU樣品,然后從該批ECU樣品中任取20個,按照相同的工況進行第二次ECU環(huán)境耐久性試驗。結(jié)果如表2所示。

        表2 第二次ECU環(huán)境耐久性試驗數(shù)據(jù)

        同樣根據(jù)式(6)和式(7)計算得到該批ECU樣品平均壽命MTTF的極大似然點估計為θ^=4 752h,置信水平為0.9的單側(cè)置信下限為θL=2 064h。表3為兩次試驗后所得的該型ECU平均壽命MTTF的點估計值及區(qū)間估計值。從試驗數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)過EDTS系統(tǒng)測試的ECU產(chǎn)品,其平均壽命MTTF得到較大幅度的增長,環(huán)境耐久性和可靠性等水平都得到顯著提高[15]。

        表3 兩次試驗后ECU的MTTF估計值

        4 結(jié)論

        根據(jù)電子產(chǎn)品可靠性測試理論,制定的汽車發(fā)動機ECU環(huán)境耐久性測試規(guī)范切實可行。在此基礎上設計的測試系統(tǒng)可為汽車發(fā)動機ECU提供仿真環(huán)境,進行在線環(huán)境耐久性試驗。該測試系統(tǒng)能夠最大限度地激發(fā)ECU內(nèi)部缺陷,定位故障部位,縮短試驗周期,提高產(chǎn)品可靠性。

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