摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以NI USB-6501和NI USB-6002數(shù)據(jù)采集卡為核心的真空泵環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，完成了包括控制電路、數(shù)據(jù)采集電路及其外圍電路的整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并以RS232串口通信來(lái)控制溫度箱，在PC機(jī)上設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制和監(jiān)測(cè)界面。同時(shí)根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)的要求，編寫了測(cè)試程序，測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)真空泵環(huán)境試驗(yàn)的各項(xiàng)功能，能廣泛應(yīng)用于各個(gè)類型的電子真空泵的環(huán)境試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境試驗(yàn);測(cè)試系統(tǒng);真空泵

0? ? 引言

目前，國(guó)家正大力推進(jìn)新能源汽車發(fā)展，據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)2025年電動(dòng)汽車銷量將會(huì)達(dá)到150萬(wàn)輛。

傳統(tǒng)汽車的剎車系統(tǒng)采用的是真空助力的方式，真空產(chǎn)生的主要來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在電動(dòng)汽車上，傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被牽引電機(jī)替代，所以電動(dòng)汽車剎車所需要的真空就需要有專門的器件來(lái)產(chǎn)生，電子真空泵的出現(xiàn)解決了電動(dòng)汽車剎車所需真空的問題。同時(shí)，真空泵變成了唯一的真空來(lái)源，其質(zhì)量好壞關(guān)系到駕乘人員的生命安全。

基于此，本文設(shè)計(jì)了以NI USB-6501和NI USB-6002數(shù)據(jù)采集卡為核心的真空泵環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，該測(cè)試系統(tǒng)可以通過模擬整車駕駛習(xí)慣和外界環(huán)境來(lái)測(cè)試真空泵的性能。

1? ? 方案分析

圖1所示為典型的真空制動(dòng)系統(tǒng)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(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)，踩踏力通過制動(dòng)踏板傳遞給真空助力器，真空助力器一般由兩個(gè)腔（工作腔和真空腔）組成，通過兩個(gè)腔不同的壓力差，將踩踏力放大并推動(dòng)液壓主缸，進(jìn)而將制動(dòng)力分配到4個(gè)車輪，起到剎車的作用。當(dāng)真空助力器里面的真空腔真空不足時(shí)，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(dòng)距離和時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。在汽車高速運(yùn)行時(shí)，這樣駕駛會(huì)帶來(lái)車毀人亡的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在幾乎所有的汽車都安裝了真空泵，當(dāng)傳感器檢測(cè)到真空助力器真空腔真空不足時(shí)，發(fā)信號(hào)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(dòng)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(duì)外界苛刻的環(huán)境變化，真空泵的性能也需要滿足要求。本測(cè)試系統(tǒng)與溫度箱配合使用，既能模擬整車可能處于的環(huán)境狀態(tài)，又能通過一個(gè)30 L的真空罐來(lái)模擬真空泵工作時(shí)帶負(fù)載的狀態(tài)，圖2為真空泵環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)原理圖。

該試驗(yàn)設(shè)備需要一次性測(cè)試10臺(tái)電子真空泵。為了模擬整車工作狀態(tài)，需要將真空泵帶負(fù)載運(yùn)行。但如果每個(gè)真空泵都連接一個(gè)真空助力器來(lái)模擬剎車，那么測(cè)試設(shè)備將無(wú)比巨大，且不具備可操作性。因此，在該測(cè)試系統(tǒng)中，采用了一個(gè)30 L的真空罐來(lái)模擬真空助力器，讓真空罐保持一定的真空度，那么每個(gè)真空泵通電測(cè)試時(shí)，都相當(dāng)于帶負(fù)載測(cè)試。當(dāng)真空罐真空度小于48%時(shí)，節(jié)流閥開始工作，真空罐進(jìn)氣;當(dāng)真空度等于50%，節(jié)流閥停止工作。同時(shí)，在每個(gè)真空泵之間，單向閥和電磁閥的組合應(yīng)用，保證了每個(gè)泵的氣路都各自獨(dú)立，使得整個(gè)測(cè)試的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。

2? ? 測(cè)試要求

該測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)真空泵在整車上使用時(shí)，隨著外界環(huán)境的變化，真空泵的性能是否會(huì)受影響。具體的時(shí)間要求如下：

（1）熱剝落試驗(yàn)要求：

測(cè)試電壓：（13.5±0.1）V。

泵單個(gè)過程循環(huán)時(shí)間：100 s（5 s開啟，95 s關(guān)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(huán)次數(shù)：40次。

（2）復(fù)合溫濕度循環(huán)試驗(yàn)要求：

測(cè)試電壓：（13.5±0.1）V。

相對(duì)濕度：（93±3）%。

泵單個(gè)過程循環(huán)時(shí)間：500 s（5 s開啟，495 s關(guān)閉）。

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

溫度循環(huán)次數(shù)：7次。

3? ? 硬件設(shè)計(jì)及選型

該測(cè)試系統(tǒng)使用對(duì)象為生產(chǎn)型企業(yè)，使用環(huán)境和操作人員比較復(fù)雜，高的性價(jià)比以及好的穩(wěn)定性是硬件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的要素。

設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)是研華工控機(jī)610L，根據(jù)專門的溫度控制曲線進(jìn)行編程，采用了NI USB-6002和NI USB-6501數(shù)據(jù)采集卡，自帶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、故障報(bào)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(jī)+程控電源組成測(cè)試電路，用來(lái)控制真空泵的啟停;

（2）工控機(jī)+NI USB-6501+24 V直流電源組成驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)控制繼電器、節(jié)流閥和電磁閥，驅(qū)動(dòng)繼電器線圈得電（進(jìn)而起到控制真空泵的作用），驅(qū)動(dòng)電磁閥得電（起到讓真空泵帶載工作的作用）;

（3）工控機(jī)+NI USB-6002組成數(shù)據(jù)采集電路，采集電流信號(hào)、電壓信號(hào)和真空度信號(hào)。

從圖3中可以看出，工控機(jī)通過RS232串口通信來(lái)控制溫度箱的程序，從而達(dá)到試驗(yàn)所需的溫度變化曲線。程控電源為所有被測(cè)試真空泵提供電力，因?yàn)檎婵毡眠\(yùn)行時(shí)沖擊電流比較大，故選擇的是程控電源AMETEK DCS 20-60E。內(nèi)置24 V的電源為硬件板卡的輸入電源。系統(tǒng)采用電磁閥+節(jié)流閥+壓力表+工控機(jī)的組合形成了一套真空度控制單元。當(dāng)真空罐里面的真空度低于設(shè)定的壓力值時(shí)，壓力表將信號(hào)傳遞給工控機(jī)，工控機(jī)控制電磁閥工作，進(jìn)而控制節(jié)流閥工作，使得真空罐里面的壓力保持在（50±2）%。同時(shí)，工控機(jī)根據(jù)圖1或者圖2的時(shí)間循環(huán)，采用繼電器的方式來(lái)控制真空泵工作，并根據(jù)真空罐里面真空度的變化情況來(lái)進(jìn)行故障診斷，及時(shí)將泵的故障信息反饋給工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)故障信息停止真空泵工作，并在人機(jī)界面報(bào)警。

電壓對(duì)電子真空泵的性能有非常大的影響，所以該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試電壓的要求比較嚴(yán)苛，故選擇美國(guó)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(cè)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(hào)對(duì)測(cè)試的真空泵進(jìn)行電壓補(bǔ)償，使得測(cè)試真空泵的輸入端得到穩(wěn)定的電壓值，用以確保測(cè)試的準(zhǔn)確性;另一方面，可以通過反饋的電流信號(hào)來(lái)判斷測(cè)試的真空泵是否出現(xiàn)異常，方便進(jìn)行故障診斷。

NI USB-6002數(shù)據(jù)采集卡，為全速USB設(shè)備，可用作8個(gè)單端模擬輸入（AI），數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）分辨率為16位，最大采樣率為50 kS/s。在該系統(tǒng)中，使用了其中的3個(gè)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(shù)據(jù)采集卡，采用即插即用的USB連接，是一款便攜式數(shù)字I/O設(shè)備，有24個(gè)DIO通道和一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器。在該系統(tǒng)中，使用了10個(gè)數(shù)字通道來(lái)控制繼電器，10個(gè)通道來(lái)控制電磁閥，2個(gè)通道來(lái)控制節(jié)流閥，以較低的成本進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)采集和控制。

4? ? 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)境測(cè)試試驗(yàn)機(jī)的要求，本系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。在測(cè)試程序選擇界面下，可分為以下4個(gè)模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、子程序運(yùn)行模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和程序運(yùn)行監(jiān)控模塊。

本設(shè)計(jì)中軟件采用LabVIEW來(lái)編程，運(yùn)用LabVIEW能方便運(yùn)用多線程的優(yōu)勢(shì)對(duì)10組數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、采集和記錄。每個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)保持一個(gè)活動(dòng)任務(wù)隊(duì)列，如果隊(duì)列中的任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同，那么為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)CPU時(shí)間段。一個(gè)任務(wù)執(zhí)行一定時(shí)間后就退到隊(duì)列末尾，讓后面等待的任務(wù)開始執(zhí)行，執(zhí)行完的任務(wù)退出隊(duì)列。如果有的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高，它將不受排隊(duì)的限制。主程序作為整個(gè)測(cè)試程序的開始和中止，具有最高的優(yōu)先級(jí)，可以中斷測(cè)試子線程。每一個(gè)測(cè)試按鈕將開啟一個(gè)新的子測(cè)試程序并激活一個(gè)定時(shí)器，同時(shí)相對(duì)應(yīng)的真空泵進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，子測(cè)試程序?qū)⑦\(yùn)行數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的文件。如果出現(xiàn)異常情況，測(cè)試子程序?qū)⒆詣?dòng)中斷，人機(jī)界面出現(xiàn)報(bào)警，該路測(cè)試如何進(jìn)行，重新測(cè)試還是停止該路測(cè)試，都需人工進(jìn)行干預(yù)。

5? ? 應(yīng)用情況

圖5為設(shè)備運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行界面，左邊界面中虛線代表設(shè)定的溫度曲線，實(shí)線代表目前的溫度曲線，可以看出，目前測(cè)試設(shè)備的溫度控制嚴(yán)格按照試驗(yàn)前設(shè)定的曲線執(zhí)行。右邊的界面是測(cè)試真空泵運(yùn)行時(shí)的電流以及真空罐真空度的數(shù)值記錄界面。

目前該設(shè)備已經(jīng)在公司投入使用，設(shè)備符合設(shè)計(jì)要求，安全達(dá)到了測(cè)試的目的，且滿足了生產(chǎn)型企業(yè)對(duì)于設(shè)備物美價(jià)廉的要求。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

本文基于NI USB-6002和NI USB-6501數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了真空泵環(huán)境試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，完成了包括驅(qū)動(dòng)電路、ESD保護(hù)電路以及數(shù)據(jù)采集線路的整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并以串口通信為基礎(chǔ)，在PC機(jī)上設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制界面。該系統(tǒng)通過傳感器輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，完成真空泵的測(cè)試及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的故障診斷功能，且具有效率高、成本低等特點(diǎn)，能夠穩(wěn)定可靠地應(yīng)用于真空泵生產(chǎn)企業(yè)。

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收稿日期：2021-01-06

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