叢憲冬，李秋實

（東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040）

電動空調(diào)壓縮機在智能化和電氣化的趨勢下被廣泛應(yīng)用于電動汽車及中高級燃油車中，空調(diào)系統(tǒng)主要功能是根據(jù)需求制冷或制熱，為駕乘人員提供一個舒適的環(huán)境[1]，減少駕駛員的駕駛疲勞。作為汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心-空調(diào)壓縮機控制器，它的質(zhì)量和安全性受到汽車廠家和消費者的廣泛關(guān)注。因此研制一套功能齊全的電動空調(diào)壓縮機ECU 測試方案，對消除用戶續(xù)航焦慮，排除產(chǎn)品安全隱患，具有重要意義。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對ECU 測試系統(tǒng)的開發(fā)研究工作已取得較大成果，但目前國內(nèi)對新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的測試工作仍存在一定空白，研究工作與工業(yè)界需求仍有一定差距。比如現(xiàn)有測試系統(tǒng)無法在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)測試產(chǎn)品，控制單元性能測試項目不完備、測試工藝冗長、平臺兼容性差等問題?；谏鲜黾夹g(shù)問題，本文研制一套高效完備的電動空調(diào)壓縮機ECU 測試方法，解決現(xiàn)有測試系統(tǒng)的某些缺陷。

1 車用電動空調(diào)ECU 工作原理

電控單元主體為一個集成電路板，外部由殼體封裝保護(hù)。板載集成了微處理器、輸入輸出接口、存儲器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、驅(qū)動電路、穩(wěn)壓器等多個部分。

電動空調(diào)系統(tǒng)的電子控制單元對外部傳感器采集到的各類信號進(jìn)行處理，如壓力傳感器和鼓風(fēng)機反饋的數(shù)字量信號直接傳遞給控制器邏輯運算，而壓縮機和鼓風(fēng)機的驅(qū)動信號需經(jīng)過A/D 變換為數(shù)字量信號后，被控制器采集處理。外圍的電源電路提供低壓電平，經(jīng)逆變器模塊將低壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟奫2]，被信號調(diào)理電路濾波調(diào)制后供電給控制器。保護(hù)電路防止電壓值過大擊穿器件，是功率電器中的常設(shè)模塊。控制器經(jīng)運算得到的指令輸出為低電平，無法驅(qū)動執(zhí)行器[3]，需經(jīng)驅(qū)動電路放大輸出信號至額定電壓值以驅(qū)動電機工作。

2 測試方案設(shè)計

搭建的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，電機ECU 與PC 機間通過以太網(wǎng)通信，電源模塊負(fù)責(zé)輸出被測電機的母線電壓，臺架上搭建電機對拖進(jìn)行負(fù)載仿真，兩臺電機之間通過聯(lián)軸器和扭矩傳感器相接。傳感器將采集的電機扭矩和轉(zhuǎn)速信號上傳至測試管理軟件中，被測控制器發(fā)送的三相電壓和電流被上位機的LabView 子程序?qū)崟r存儲，參數(shù)經(jīng)處理顯示為波形圖表，底層硬件之間利用CAN 總線通訊。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Test system structure block diagram

2.1 硬件組成

硬件組成部分包括電源管理單元、數(shù)據(jù)采集卡、CAN 通信板卡、信號調(diào)理單元和負(fù)載仿真單元。硬件各部分連接圖如圖2 所示，機柜內(nèi)部集成電源管理單元、板卡機箱、工控機和臺架。其中機柜內(nèi)部的板卡機箱有眾多卡槽可放置數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理板卡和CAN 通信卡，工控機作為測試系統(tǒng)的下位機負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機指令并反饋數(shù)據(jù)。

圖2 硬件部分連接圖Fig.2 Hardware part connection diagram

2.2 軟件設(shè)計

本文的軟件操作平臺以LabView 為開發(fā)環(huán)境，利用NI 公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡模擬測試過程中各類信號。軟件方案設(shè)計如圖3 所示，內(nèi)容可分為三大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、信號輸出模塊和測試管理模塊。

圖3 軟件方案結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software scheme structure diagram

利用LabView 編程各模塊的子程序，前面板是顯示界面負(fù)責(zé)輸出波形圖表。測試軟件操作界面實時顯示各項性能指標(biāo)，監(jiān)控電流和電壓變化曲線。信號輸出模塊對采樣信號降噪濾波處理并輸出波形。

測試管理模塊包括信息管理、用戶管理、測試序列執(zhí)行等多個界面[4]。如圖4 所示，界面支持顯示操作人員、產(chǎn)品工單、產(chǎn)品工裝信息和測試序列執(zhí)行的詳細(xì)過程，實時顯示測試的每一個測試項的結(jié)果和數(shù)據(jù)，測試標(biāo)準(zhǔn)值上限、下線、標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 測試執(zhí)行界面Fig.4 Test execution interface

3 測試項分析

在批量化生產(chǎn)中ECU 可能因油污、焊接、震動因素導(dǎo)致虛焊、短路等故障。因此，需要在研發(fā)及生產(chǎn)環(huán)節(jié)加入對ECU 的功能性檢測，以確保ECU 各模塊功能正常。根據(jù)需求將測試項目在系統(tǒng)內(nèi)劃分成4 個模塊：參數(shù)標(biāo)定、負(fù)載模擬、通訊功能測試及過欠壓保護(hù)。

3.1 參數(shù)標(biāo)定

方案選用基于CAN 總線的CCP 協(xié)議標(biāo)定參數(shù)，其采用主-從式通信方式。標(biāo)定系統(tǒng)由3 部分組成：主設(shè)備采用C# 編寫上位機標(biāo)定軟件[5]，通訊模塊采用USB-CAN 卡，從設(shè)備為待標(biāo)定ECU。CCP 協(xié)議棧的具體實現(xiàn)流程如圖5 所示。

圖5 CCP 協(xié)議棧實現(xiàn)流程Fig.5 CCP protocol stack implementation flow chart

初始化USB-CAN 卡，標(biāo)定系統(tǒng)成功建立邏輯連接，啟動CAN 報文接收器持續(xù)不斷的接受報文。從機接受主機發(fā)送的CRO 報文，讀取數(shù)據(jù)傳輸報文中第1 個字節(jié)的CMD 代碼和從機需執(zhí)行的指令參數(shù)。從機完成指令后向主機發(fā)送DTO 報文，主機根據(jù)返回報文中的第1 個字節(jié)PID 段識別DTO 報文類型，故障模式下返回故障代碼（ERR）供主機軟件處理，其余部分為數(shù)據(jù)參數(shù)區(qū)，用于反饋響應(yīng)主機指令后參數(shù)狀態(tài)。

3.2 負(fù)載模擬

方案以2 臺功率一致的無刷直流電機對拖方式連接，構(gòu)建負(fù)載仿真單元模擬過載工況。

數(shù)學(xué)模型可以更直觀描述各物理量之間的邏輯關(guān)系，對于無刷直流電機這種關(guān)系復(fù)雜、變量多的控制系統(tǒng)，優(yōu)先架構(gòu)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究分析，有利于對測試系統(tǒng)的精確模擬。為簡化分析過程，做出如下假設(shè)[6]：

（1）忽略電機鐵芯飽和，不計渦流和磁滯損失；

（2）永磁體材料的電導(dǎo)率為0，其內(nèi)部的磁導(dǎo)率和空氣一致；

（3）電機的氣隙磁場在空氣中呈正弦分布；

（4）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；

（5）電機電流為對稱三相電流。

式中：va、vb、vc是定子繞組兩端相電壓；Rs是每個定子繞組線圈的等效電阻；ia、ib、ic是流經(jīng)定子繞組線圈的相電流；ψa、ψb、ψc是每個定子繞組線圈的總磁鏈；p=d/dt 是微分算子。

式 中：Laa、Lbb、Lcc是定子繞組的自感；Mac、Mab、Mbc、Mba、Mcb是定子繞組的互感。

三相繞組總磁鏈由定子繞組的永磁體磁鏈和3個繞組共同組成，定義如下：

式中：ψam、ψbm、ψcm是轉(zhuǎn)子磁鏈過定子A、B、C 三相繞組時產(chǎn)生的磁鏈。

根據(jù)上述公式構(gòu)建電機數(shù)學(xué)模型，在LabView搭建仿真模塊采集輸出數(shù)據(jù)。搭建的電機試驗臺架如圖6 所示，主體包括負(fù)載電機、驅(qū)動電機以及扭矩傳感器，中間用聯(lián)軸器連接。

圖6 電機試驗臺架Fig.6 Motor test bench

左側(cè)驅(qū)動電機為真實電動空調(diào)壓縮機，右側(cè)為負(fù)載電機其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反。測試系統(tǒng)控制負(fù)載電機轉(zhuǎn)矩模擬實際負(fù)載，探究可能存在的隱形問題。負(fù)載可模擬在10%～78%的濕度和0℃～52℃的溫度下，調(diào)控電機輸出800～8500 r/min 范圍的轉(zhuǎn)速，輸出0～8 N·m 范圍的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

3.3 通訊功能測試

方案以無刷直流電機為被控對象，利用CAN 總線將測試各個節(jié)點聯(lián)合成完整的控制系統(tǒng)，測試系統(tǒng)驗證控制器接收各節(jié)點報文功能是否正常。ECU通訊功能測試中定義的各項目參數(shù)和功能如表1所示。

表1 其余測試項協(xié)議格式定義Tab.1 Protocol format definition of remaining test items

通訊模塊以CAN 總線為主要通信總線，上位機采用NI 公司的PCI-8512 板卡。測試過程如下：首先對CAN 模塊數(shù)據(jù)初始化，實現(xiàn)對CAN 控制器的自定義配置。板卡初始化完成后，測試系統(tǒng)中的ECU與上位機互相發(fā)送接收報文，交互信息被存放在緩沖器中，根據(jù)表1 中定義的格式解析報文內(nèi)容，觀察發(fā)送和返回的報文是否與表1 中定義一致。PC 機與CAN 板卡之間通過驅(qū)動程序進(jìn)行通訊，動態(tài)鏈接庫中包括常見CAN 通道開啟、初始化、啟動、復(fù)位、報文接受/發(fā)送、關(guān)閉等函數(shù)，進(jìn)程可自由調(diào)用執(zhí)行代碼相關(guān)函數(shù)。

3.4 過欠壓保護(hù)

過欠壓保護(hù)是大功率電氣設(shè)計中不可或缺的一部分。為有效檢測電壓值，防止瞬時高壓擊穿IGBT。通常會在控制器內(nèi)部設(shè)置2 個高壓傳感器，定時比較兩者差值。當(dāng)傳感器差值超過設(shè)定值時，壓縮機進(jìn)入停機保護(hù)。在本方案中電機的額定電壓為350 V，設(shè)計持續(xù)輸入450 V 的過壓和215 V 的欠壓驗證電路閾值精度，探究電路對溫度和電流敏感度的變化。

基于上述測試方案設(shè)計，分析測試需求梳理框架對產(chǎn)品進(jìn)行實際測試。測試完成對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對方案評價。測試總體流程如圖7 所示。

圖7 測試方案流程Fig.7 Test scheme flow chart

4 測試結(jié)果分析

測試總體過程如下：先完成上電準(zhǔn)備開始測試，配置測試所需的參數(shù)搭建硬件環(huán)境。測試正式開始，操作上位機進(jìn)入測試界面準(zhǔn)備測試，持續(xù)給被測ECU 上電4 s，記錄控制器電源和PSM 板電壓；隨后增壓操作，持續(xù)2 s 輸出350 V 的額定電壓，完成u，v，w 三相電壓上電，讀取電壓值并通過高壓互鎖測試驗證高壓電路連接情況。

進(jìn)入測試第1 項參數(shù)標(biāo)定：設(shè)置負(fù)載電機，壓縮機轉(zhuǎn)子在額定功率下啟動并開始發(fā)送報文，延時18 s 后轉(zhuǎn)子通過CAN 發(fā)送報文被上位機讀取，持續(xù)2 s 讀取轉(zhuǎn)子工作碼、軟件版本日期、版本號以及故障碼，校驗故障碼是否正常，若正常則繼續(xù)測試，若失敗則根據(jù)碼值解析具體故障原因；轉(zhuǎn)子返回母線電壓值、壓縮機功率、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，判斷采集轉(zhuǎn)速是否正常記錄數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)子在壓縮機內(nèi)以額定功率正常運作，繼續(xù)讀取母線電壓和u，v，w 三相電壓再依次采集數(shù)值，延時5 s 后該測試項結(jié)束。

進(jìn)入測試第2 項控制器過欠壓保護(hù)測試：電壓經(jīng)過二次增壓達(dá)到450 V 的過壓并持續(xù)12 s，再降低電源電壓至420 V 并保持15 s，依次讀取轉(zhuǎn)速、電壓值、轉(zhuǎn)子狀態(tài)等信息。參數(shù)讀取完成，設(shè)置電壓回歸額定狀態(tài)350 V，讀取電機轉(zhuǎn)速，過壓保護(hù)測試結(jié)束進(jìn)入欠壓測試。設(shè)置電壓為215 V 的欠壓狀態(tài)輸出12 s，讀取相關(guān)參數(shù)，欠壓保護(hù)測試結(jié)束。

恢復(fù)額定電壓等待10 s 上電，轉(zhuǎn)子工作停止保持通訊連接正常讀取狀態(tài)，此時控制器停止發(fā)送報文等待結(jié)束，觀測到三相電壓源采集為0，電壓采集顯示壓縮機已停止工作，關(guān)閉控制器電源測試結(jié)束。

電壓隨時間變化曲線如圖8 所示，觀察到實驗效果達(dá)到預(yù)期。在整個測試執(zhí)行過程中驗證了產(chǎn)品的可靠性，通過了安全規(guī)范生產(chǎn)的行業(yè)要求，絕緣測試、耐壓測試和漏電流測試通過表征產(chǎn)品絕緣性能良好；高壓互鎖測試佐證電路器件連接完好，沒有線束短接或外露風(fēng)險；過欠壓保護(hù)中電壓波動處于正常范圍內(nèi)，被控單元能在規(guī)定的時間內(nèi)完成過壓和欠壓的恢復(fù)、停機，可保障操作人員的人生安全。整個測試方案設(shè)計合理、可靠，測試方案的準(zhǔn)確性和有效性滿足預(yù)期設(shè)想。

圖8 電壓隨時間變化曲線Fig.8 Voltage curve over time

5 結(jié)語

本文基于電動空調(diào)壓縮機的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，開發(fā)設(shè)計一款車載空調(diào)壓縮機ECU 的測試方案，使測試人員從繁瑣的機械化流程中解放出來。自動化測試系統(tǒng)有效提高電動空調(diào)壓縮機控制器的檢測質(zhì)量，優(yōu)化測試流程，提高測試效率，使產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性得到有效保證。

方案充分發(fā)揮LabView 虛擬儀器平臺的智能化和可塑性強的特點，設(shè)計出集成度高的軟件界面和硬件平臺。目前該方案在工業(yè)界逐步推廣，已產(chǎn)生一定的商業(yè)價值，具有良好的示范效應(yīng)。