程 鑫，施恢勝，同軍超，吳臻冕

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070)

電機驅(qū)動器是電機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，其可靠性決定電機系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性、控制精度、抗干擾能力和魯棒性等特征。電機驅(qū)動器一旦發(fā)生錯誤，會影響到整個電機系統(tǒng)的工作狀態(tài)，甚至可能會導致電機系統(tǒng)整體癱瘓[1]。因此，要想評定電機驅(qū)動器的可靠性，就必須對電機驅(qū)動器進行測試。

早期的電機驅(qū)動器檢測工作采用儀器儀表結(jié)合人工讀取的方法。這種測試方法耗時長、錯誤率高、測試成本高、測試精度低、系統(tǒng)兼容性差和可擴展性差。同時人工測試會導致測試數(shù)據(jù)不能及時準確的存儲，不利于后期維修升級對電機驅(qū)動器測試過程中的測試數(shù)據(jù)進行追溯，提高了研發(fā)成本，不適應(yīng)快速精準的大批量現(xiàn)代測試要求。

隨著自動測試技術(shù)[2]和可重構(gòu)技術(shù)[3]的不斷發(fā)展，電機驅(qū)動器的測試系統(tǒng)也逐漸脫離人工測試，更加依賴于自動化設(shè)備測試，減少了諸多不可避免的人為因素，提升了測試效率和精度?？芍貥?gòu)技術(shù)從實現(xiàn)的方法劃分，包括硬件可重構(gòu)技術(shù)和軟件可重構(gòu)技術(shù)。硬件可重構(gòu)一般是指基于可重構(gòu)邏輯，通過改變數(shù)字邏輯電路的連線來實現(xiàn)不同的功能，主要包括DSP(digital signal processing)、FPGA(field programmable gate array)、CPLD(complex programmable logic device)和ISP(in_system programmability/programming)等邏輯器件，比較依賴處理器芯片的邏輯功能，同時開發(fā)成本高[4]；軟件可重構(gòu)技術(shù)是以提高軟件質(zhì)量為目的，通過應(yīng)用大量優(yōu)化后的算法，調(diào)節(jié)軟件結(jié)構(gòu)，使軟件代碼發(fā)生變化，從而提升軟件在不同環(huán)境下的自適應(yīng)性，且整體的功能保持穩(wěn)定，但是對于軟件的架構(gòu)有著較高的難度，開發(fā)比較困難[5-7]。

2014年，吳震海[8]針對大功率電機驅(qū)動器的測試需求，基于STM32微處理器設(shè)計出一套測試系統(tǒng)，能夠識別IGBT(insulated gate bipolar transistor)驅(qū)動模塊HP1/HP2及驅(qū)動器的元器件損壞和焊接錯誤等情況，有利于甄別用戶不易識別的錯誤，提高了電機驅(qū)動器的研發(fā)效率。工業(yè)應(yīng)用中，泛華科技研發(fā)的電路板綜合測試系統(tǒng)，可對多種形狀、大小、接口各異的電路板進行功能測試。整個測試平臺在設(shè)計上兼顧硬件與軟件兩方面的優(yōu)點。其中硬件設(shè)備資源在現(xiàn)有產(chǎn)品測試硬件需求的基礎(chǔ)上，充分考慮針對未來產(chǎn)品測試的可擴展性；軟件具備平臺化定制特點和基于平臺的簡單二次開發(fā)特性。適用于多品種小批量的電子產(chǎn)品功能測試、可擴展為流程化出廠檢測或者維修測試的平臺化測試設(shè)備。

由于DSP和FPGA等硬件可重構(gòu)測試方案成本高，軟件可重構(gòu)架構(gòu)復雜的特點，因此，為了提高測試系統(tǒng)的通用性和可重構(gòu)性，筆者針對電機驅(qū)動器測試系統(tǒng)進行研究，設(shè)計了一套基于STM32微處理器的可重構(gòu)測試系統(tǒng)方案，將大量測試系統(tǒng)開發(fā)中需要重復開發(fā)的設(shè)計進行標準化設(shè)計，提高測試系統(tǒng)的開發(fā)效率，減少不必要的研發(fā)成本。

1 可重構(gòu)測試系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

與傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)相比，可重構(gòu)測控系統(tǒng)的最大優(yōu)點就是能進行資源整合、結(jié)構(gòu)配置和靈活變遷，從而提升了測控系統(tǒng)通用性、冗余性和自適應(yīng)性[9]。可重構(gòu)測控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，包括上位機(人機交互界面和系統(tǒng)服務(wù)程序)、下位機和測試對象。

圖1 可重構(gòu)測控系統(tǒng)的主體架構(gòu)

(1)功能模塊庫。硬件子模塊共同構(gòu)成的功能庫，決定了系統(tǒng)的極限測試功能種類和數(shù)量，主要由硬件平臺決定。

(2)方案決策庫。開發(fā)人員會預設(shè)多種基本方案，通過基本方案的組合可以產(chǎn)生多種復雜的測試方案。

(3)可行性分析。對測試功能配置數(shù)據(jù)與功能模塊庫和方案決策庫進行比對，判斷系統(tǒng)的測試能力是否滿足需求。

(4)模塊調(diào)度。對硬件子模塊進行調(diào)度，實現(xiàn)硬件部分的功能配置。

(5)系統(tǒng)重構(gòu)。確定測試路線、硬件資源和響應(yīng)機制，生成測試系統(tǒng)架構(gòu)方案。

(6)性能評價。對架構(gòu)方案進行仲裁，判斷是否為使用資源少、測試效率高、測試流程簡便的最優(yōu)解。

(7)系統(tǒng)架構(gòu)。確定最終架構(gòu)，并且生成相應(yīng)的協(xié)議代碼。

用戶在人機交互界面對測試功能配置后，系統(tǒng)服務(wù)程序?qū)⒏鶕?jù)系統(tǒng)預制的功能模塊庫和方案決策庫對測試功能配置進行可行性分析，選擇對應(yīng)的模塊后生成模塊調(diào)度方案，進行系統(tǒng)重構(gòu)，然后對重構(gòu)后的系統(tǒng)進行性能評價，若評價不高則再次選擇其他方案進行系統(tǒng)重構(gòu)，直到評價合格，生成系統(tǒng)架構(gòu)方案。系統(tǒng)服務(wù)程序完成系統(tǒng)架構(gòu)方案的生成后將轉(zhuǎn)化成下位機主控芯片能夠識別的指令，并且完成下發(fā)指令。下位機主控芯片對收到的指令進行解碼，進而通過配置硬件模塊電路完成底層硬件方案的重構(gòu)工作。

1.2 測試系統(tǒng)通信響應(yīng)機制

系統(tǒng)服務(wù)程序完成系統(tǒng)架構(gòu)任務(wù)后，需要把工作指令通過通信總線下發(fā)到下位機，以實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)硬件模塊更新的工作。

可重構(gòu)測控系統(tǒng)是一種典型的主從式通信系統(tǒng)，通過總線通信方式實現(xiàn)系統(tǒng)模塊控制和數(shù)據(jù)交換。如圖2所示，主機是系統(tǒng)的上位機，包括人機交互、系統(tǒng)服務(wù)程序和通信總線接口；從機是下位機，包括通信總線接口、微處理器和硬件模塊電路。對于主從式通信系統(tǒng)，主機是處于支配地位的，是整個系統(tǒng)的控制核心，只能擁有一個主機，這與可重構(gòu)測控系統(tǒng)中主控計算機的定位是重合的，主機向從機發(fā)出指令，從機接收到指令后，完成相應(yīng)的動作。而從機是系統(tǒng)中的分節(jié)點，處于被支配的地位，在一個系統(tǒng)中可以具有多個從機節(jié)點，從機只能被動接收主機的指令消息，從機與從機之間不能進行通信。主機與從機之間通過總線形式完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 系統(tǒng)通信節(jié)點模型

主從式系統(tǒng)的響應(yīng)機制有兩種：單指令響應(yīng)機制和從機自主響應(yīng)機制。在單指令響應(yīng)機制中，主機處于完全主導和支配的地位，從機處于被支配的地位，采用中斷方式響應(yīng)主機發(fā)起的請求，執(zhí)行主機發(fā)送的請求指令。單指令響應(yīng)機制流程如圖3所示，在一次工作過程中，下位機在未接受到上位機的請求響應(yīng)時一直處于初始化狀態(tài)，當上位機向下位機發(fā)起請求響應(yīng)，下位機則反饋接受響應(yīng)，和上位機保持一致的工作狀態(tài)。接著上位機發(fā)送工作指令，其中下位機每執(zhí)行完一個工作指令就會給上位機反饋完成狀態(tài)，實現(xiàn)“命令——執(zhí)行——命令——執(zhí)行”的通信邏輯。上位機依次發(fā)送工作指令，直到最后一個工作指令發(fā)出，下位機完成所有的工作任務(wù)后反饋狀態(tài)，等待上位機的結(jié)束響應(yīng)指令，下位機則恢復到初始化狀態(tài)，一個工作流程完成。

圖3 單指令響應(yīng)機制流程

從機自主響應(yīng)機制如圖4所示，上位機將系統(tǒng)服務(wù)程序重構(gòu)后的系統(tǒng)架構(gòu)進行分組打包，再以上、下位機預先設(shè)定的協(xié)議標準生成新的架構(gòu)協(xié)議，通過通信總線傳送到下位機。下位機通過對架構(gòu)協(xié)議進行解碼分組，生成自身可以運行的硬件測試程序。在一次工作過程中，上位機不需要再發(fā)送請求響應(yīng)和工作指令等，下位機會自主執(zhí)行測試任務(wù)，并且實時反饋工作狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)，直到測試任務(wù)完成，下位機則恢復初始化狀態(tài)，等待下一次工作開始。

圖4 從機自主響應(yīng)機制流程

單指令響應(yīng)機制具有高自由度和邏輯簡單的優(yōu)點，但是會一直占用總線資源，同時測試精度也會因總線帶寬而受到影響；從機自主響應(yīng)機制能夠減少總線資源占據(jù)時間，測試精度也只受微處理器和模塊化電路的固有特性影響，但受下位機服務(wù)程序影響，測試程序的自由度和邏輯會受到限制。因此，兩種響應(yīng)機制可以在不用的場景下使用，以實現(xiàn)可重構(gòu)測控系統(tǒng)利用率的最大化。

1.3 測試系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計

用戶完成功能配置工作后，上位機的系統(tǒng)服務(wù)程序生成配置文件需要傳輸?shù)较挛粰C微處理器，因此需要制定一種完善的通信協(xié)議，以防止信息交互過程中出現(xiàn)異常。串口通信能夠按位發(fā)送和接收抄字節(jié)的通信方式，可以將接收來自CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，通信協(xié)議有著很好的自定義性。幀協(xié)議組成如圖5所示，包括幀起始、數(shù)據(jù)幀、校驗位和幀結(jié)束，其中數(shù)據(jù)幀的類型分為兩種：測試流程配置協(xié)議和測試工作服務(wù)協(xié)議。

圖5 通信協(xié)議幀組成結(jié)構(gòu)

1.3.1 測試流程配置協(xié)議

由于系統(tǒng)上電后，下位機處理器處于一個初始化狀態(tài)，無法直接進行工作進程，將會一直等待上位機的測試流程配置協(xié)議，完成系統(tǒng)測試流程配置工作。測試流程配置協(xié)議包括了測試循環(huán)模式(單次或多次)、系統(tǒng)響應(yīng)機制(單指令響應(yīng)或從機自主響應(yīng))和測試項目及標準(模塊選擇和仲裁標準確定)。因此，下位機接受測試流程配置協(xié)議后便可執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)，實現(xiàn)硬件平臺的初始化配置工作，等待測試進行。

1.3.2 測試工作服務(wù)協(xié)議

測試進行中，下位機會不斷采集信號并且由微處理器分析，生成一系列的數(shù)字信號，且通過串口通信發(fā)送給上位機，供上位機進行信息處理以及人機交互。測試工作服務(wù)協(xié)議定義了測試ID、信號電氣特性、測試狀態(tài)和測試結(jié)果等，能夠?qū)崟r精準地描述測試過程，實現(xiàn)測試進程的數(shù)字化，方便系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。

2 可重構(gòu)測試系統(tǒng)硬件平臺

2.1 硬件平臺實現(xiàn)方案

目前所用的電機驅(qū)動器是通過發(fā)送控制電機的命令，同時接受反饋信號確定電機的運行狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，根據(jù)測試需求，結(jié)合實際的可能性，將整個硬件系統(tǒng)分為3個部分進行設(shè)計，總體框架如圖6所示。

圖6 硬件平臺整體框架

(1)主控板。主控板控制整個測試的流程，發(fā)送測試信號，接受并處理IO板反饋的測試信號值，同時完成與上位機的信息交互工作。

(2)電源板。電源板將市電輸入電壓轉(zhuǎn)換成測試系統(tǒng)需要使用的電壓。包括電源轉(zhuǎn)換模塊和繼電器開關(guān)模塊，能夠控制電源輸出種類和模式。

(3)IO板。IO板實現(xiàn)底層測試內(nèi)容，完成信號調(diào)理并傳輸?shù)街骺匦酒幚怼０鳳WM(pulse width modulation)輸入輸出電路、雙向IO隔離電路、AD采集電路、DAC(digital to analog converter)輸出電路、BSD(bit serial data)通信電路和LIN(local interconned network)通信電路等。IO板規(guī)格一致，接口標準一致，可按需增刪信號調(diào)理模塊。

通過IO板與模塊電路的排列組合，就可以拼接底層硬件測試平臺，為測試系統(tǒng)提供硬件基礎(chǔ)。其次，下位機加入軟件編程控制的測試流程以及測試方式，軟件設(shè)計采用STM32封裝庫組合，代碼的編寫和和維護效率比較高，可讀性強，易于閱讀和修改。

2.2 電機驅(qū)動器測試流程設(shè)計

由于許多電機驅(qū)動器裝配成產(chǎn)品后，便不容易拆卸下來，給后期的電機驅(qū)動器故障定位增加了難度，如汽車電子水泵，其成品的電機驅(qū)動器被密封膠包裹，不利于電機驅(qū)動器拆卸分析。因此電機驅(qū)動器測試的目的不僅僅是要篩選出不合格件，還需要使產(chǎn)品參數(shù)可以進行追溯，有利于產(chǎn)品后期的故障定位。

電機驅(qū)動器性能測試流程如圖7所示，下位機配置測試方案后便調(diào)用對應(yīng)的測試模塊，待被測電機驅(qū)動器裝夾到位，用戶可通過開關(guān)按鈕(如腳踏開關(guān)、雙手按鍵開關(guān)和上位機軟件開關(guān)均可，可按實際需求設(shè)計)開始測試，當下位機系統(tǒng)檢測到測試開始的信號后，系統(tǒng)掃碼電機驅(qū)動器PCB(printed circuit board)的ID號，進行身份識別后展開相應(yīng)的測試進程，最后將測試的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送給上位機處理，完成一次測試。

圖7 電機驅(qū)動器的測試流程

2.3 系統(tǒng)自檢

電機驅(qū)動器測試系統(tǒng)的可靠性決定著電機驅(qū)動器的測試數(shù)據(jù)是否精確、測試速度是否高效、測試結(jié)果是否準確，測試系統(tǒng)的自檢功能則可以監(jiān)視自身設(shè)備狀態(tài)以及自身故障定位。根據(jù)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計一款設(shè)備自檢器來完成自檢工作。因為測試系統(tǒng)本身就有激勵信號輸出和信號采集的功能，設(shè)備自檢器可以把激勵信號接入到信號采集接口中，讓測試系統(tǒng)處于一個閉環(huán)狀態(tài)。主控芯片根據(jù)輸出的信號特征，并分析采集回來的信號特征，與預期值進行比對，根據(jù)比對結(jié)果分析出測試系統(tǒng)的可靠性，完成自檢工作。

3 實驗與驗證

LabVIEW與傳統(tǒng)的計算機語言不同，程序在運行過程中采用自動多線程機制，即如果兩個模塊之間沒有數(shù)據(jù)交互，可以同時運行，則系統(tǒng)會將這兩個模塊分配到不同的線程執(zhí)行，采用自動多線程的方法，軟件的執(zhí)行速度得到大幅提高，節(jié)省了程序的運行時間[10-11]。目前多數(shù)基于 LabVIEW的軟件執(zhí)行過程中是由數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，其定義為一個函數(shù)或模塊只有當它所有的輸入都獲得數(shù)據(jù)且滿足條件時，這個函數(shù)或模塊才能執(zhí)行，即在LabVIEW中，程序的運行受計算機性能等條件的影響較小。

筆者以STM32為主控芯片，附加外圍電路設(shè)計主控板，功能板主要以信號調(diào)理電路為主建立下位機系統(tǒng)，上位機以LabVIEW生成軟件平臺，最終形成一個完整的測試系統(tǒng)，再以電機驅(qū)動器為研究對象，進行多組合格測試實驗。上位機主界面如圖8所示，整個系統(tǒng)包括軟件配置、軟件狀態(tài)、測試結(jié)果、故障類型以及數(shù)據(jù)存儲等功能，用戶進行相應(yīng)的配置后即可進行測試工作。

圖8 上位機主界面

3.1 測試系統(tǒng)自檢功能測試

測試系統(tǒng)的自檢功能通過“系統(tǒng)自檢”按鍵觸發(fā)。系統(tǒng)自檢正常時“硬件現(xiàn)況”的“正?！敝甘緹魹轱@示狀態(tài)，而“故障”指示燈則是熄滅狀態(tài)；若系統(tǒng)的硬件部分出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)自檢報錯界面如圖9所示?！爱斍盃顟B(tài)”為“系統(tǒng)自檢完成”，“故障”指示燈為顯示狀態(tài)，同時“測試結(jié)果說明”會將故障類型顯示出來，圖9顯示為“AD模塊通道2無反饋”，用戶即可優(yōu)先排除對應(yīng)錯誤并改正，以保證測試系統(tǒng)的可靠性。

圖9 系統(tǒng)自檢報錯界面

3.2 電機驅(qū)動器的合格性測試

測試系統(tǒng)自檢無問題即可進行電機驅(qū)動器測試，根據(jù)電機驅(qū)動器的型號選擇“測試項目”、“測試標準”和“測試流程”，生成測試方案，即可完成電機驅(qū)動器的測試準備工作。測試不合格主界面如圖10所示，系統(tǒng)能夠?qū)y試結(jié)果和原因顯示出來，以便測試人員記錄和分析。

圖10 測試不合格主界面

3.3 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面

對于電機類產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)來說，電機驅(qū)動器的測試工作往往是批量進行的，對于測試設(shè)備的要求不僅僅要測試效率高，更需要對測試數(shù)據(jù)進行分析和處理。本測試系統(tǒng)預裝“轉(zhuǎn)速統(tǒng)計”(圖11)、“故障統(tǒng)計”(圖12)、“測試報表”(圖13)和“ID查詢”(圖14)功能，以方便用戶及時獲取測試數(shù)據(jù)，用戶也可以根據(jù)自身需求，增加或者改動軟件功能，提高測試系統(tǒng)的可拓展性。

圖11 轉(zhuǎn)速統(tǒng)計折線圖

圖12 故障類型分布圖

圖13 測試數(shù)據(jù)報表

圖14 ID數(shù)據(jù)查詢界面

“轉(zhuǎn)速統(tǒng)計”將測試合格的電機驅(qū)動器在帶載模式下的轉(zhuǎn)速信息進行整合，根據(jù)轉(zhuǎn)速的波動情況，能夠反映出控制算法的優(yōu)缺性；“故障統(tǒng)計”則將不合格的電機驅(qū)動器進行分類，能夠直觀發(fā)現(xiàn)問題所在，方便研發(fā)人員分析；“測試報表”則統(tǒng)計每一個電機驅(qū)動器在測試過程中的重要參數(shù)，形成一個報表后發(fā)送給企業(yè)數(shù)據(jù)庫，用戶再通過“ID查詢”找到被測電機驅(qū)動器的詳細數(shù)據(jù)，在售后過程中能夠?qū)Τ鰪S參數(shù)的分析，從而提高故障定位的效率。

4 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的優(yōu)化，以主從式通信和模塊化硬件平臺的方式，基于STM32微處理器和LabVIEW，對不同型號電機驅(qū)動器進行測試實驗。系統(tǒng)能夠迅速轉(zhuǎn)變測試流程和測試標準，生成對應(yīng)的測試方案，得到正確的測試結(jié)果，驗證了可重構(gòu)測控系統(tǒng)的可行性。該測試系統(tǒng)的研制能滿足多種電機驅(qū)動器測試需求，對加快測試的效率以及減少測試所耗費的人力有重要意義。