电子节气门电机综合性能测试系统的嵌入式电路设计

金一晨，韩 强

（东华大学 机械工程学院，上海 201620）

0 引言

近年来电子技术的迅猛发展，特别是微型计算机技术的巨大进步，为汽车电子技术的发展提供了条件。电子节气门（ETC）电机已经在汽车上得到广泛的应用，以实现发动机节气门开度的精准控制，提高了汽车的舒适性、操控性、燃油经济性。在此过程中，ETC电机的综合性能和可靠性尤为重要。

根据Delphi工程规范：ESP24106784的要求，需对ETC电机进行以下项目的测试：定位转矩、电机转矩常数、电机动态电阻、堵转力矩、堵转电流、空载转速、空载电流、转矩脉动、机械/电气时间常数、启动电流、电流波形采集。为了方便快捷地完成这一系列测试项目，现提出了一种基于STM32F103ZET6芯片的综合测试方案，该方案已在实践中被证明具有完善、可靠的功能，可以满足ETC电机的测试需求。

1 测试需求及整体架构

1.1 测试需求

根据产品的设计和测试过程中的各项要求，完成准确、高效的测试任务，测试过程中各个变量须满足如下调节范围与控制精度。

ETC电机负载电流：范围0～10A，精度±0.1A。ETC电机适用电压：范围2～30V，精度±0.1V。ETC电机许用转速：范围0～8500rpm，精度±0.1 rpm。

ETC电机输出扭矩：范围1～150mNm，精度±0.1mNm。

ETC电机旋转方向：双向。

1.2 整体架构

ETC电机综合性能测试系统的整体架构如图1所示。系统由测试机架和测控装置组成，其中测试机架部分包括待测电机、通轴式扭矩/角度传感器和力矩电机，三者使用联轴器相连。测控装置包括嵌入式测控板卡（MCU）、正/反转控制器、程控电源、力矩电机驱动器、PC和CAN总线中继器。测试时，根据不同测试的要求，用户在PC端操作发出指令，控制程控电源给待测电机供电，同时力矩电机产生反拖力矩，传感器模块接受实时检测数据并发送至嵌入式测控板卡，测控板卡再通过CAN总线中继器将数据上传至PC端，便于用户实时观察数据并保存测试结果。

图1 ETC电机综合性能测试系统

由于测试时需要频繁切换待测电机的正/反转，选用型号为lsd_50p75FID2的全隔离型直流电机正/反转控制模块，模块内部采用MOSFET功率管做输出器件，导通压降小，可靠性高，寿命长。模块内A向和B向之间转换在控制端设置了硬件软件互锁，可有效防止正反转开关同时导通，满足测试需求。

各项不同测试项目要求程控电源能够精确控制对待测电机施加的电压和电流，为了满足测试要求，选用恒惠HSP系列可编程开关直流电源。该电源的分辨率可达到1mA、1mV，满足控制要求，同时它具有压降补偿功能，可以在大电流测试时有效补偿线阻产生的压降。

2 硬件设计

2.1 嵌入式测控板卡设计

对ETC电机的各项综合测试需要采集大量数据，并显示在PC机上，由于采集速度很快，本系统需先将获得的数据存储在芯片的FLASH中。下位机与PC的通讯使用CAN总线通讯，相比于速度较慢的RS485通讯，CAN的通讯速度最高可以达到1MHz bps[1]，可以满足设计要求。同时系统要求芯片具有可进行输入捕获的定时器、I/O引脚等硬件条件，基于上述需求本控制系统选用STM32F103ZET6作为主控芯片，它是32位基于ARM核心带512k字节闪存的微控制器。

根据功能要求，在板卡上设计了如图2所示的外部电路。

图2 测控板卡模块

2.2 DO模块

DO模块用于驱动lsd_50p75FID2电机正/反转切换模块，实现对电机的正/反控制。由于CPU的控制总线端口都有一定的负载能力，本系统使用74HC245总线收发器作为缓冲，利用其14-13引脚作为信号输入，6-7引脚作为信号输出。

此芯片的外部电路如图3所示，当Doport端口被置0时，P521光耦导通，继电器吸合开关，产生DO信号，这样的设计可以保护主控芯片，增强其驱动能力同时还有防抖滤波的作用。本系统中需要驱动一台电机，用到2个DO端口控制正/反切换模块，控制规则如图4所示。

图3 DO模块电路

表1 正/反转控制规则

2.3 输入捕获模块

测控板卡的输入捕获模块用于捕获宝宜威0261E扭矩/角度传感器的角度信号，CPU捕捉到脉冲信号的频率后换算成角度值发送给PC机。

图4 输入捕获模块

输入捕获模块的外部电路如图4所示，在外部信号输入端口Hcin与CPU的CAP引脚之间使用了6N137光耦合器和74HC14AD六反相斯密特触发器。其中光耦合器是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，具有抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高等优点[2]。当外部信号上升沿电压不稳时，可以起到电压补偿的作用。74HC14AD是一个六反相斯密特触发器，通常从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。通过使用施密特反相触发器整形可以得到比较理想的矩形脉冲波形，消除信号干扰导致的测量误差。

2.4 RS232通讯模块

RS232是美国电子工业协会（EIA）制定的一种串行物理接口标准。它适合于数据传输速率为0～20kb/s的通信[3]。系统中的RS232通讯模块用于CPU与恒惠程控电源间的通讯。在测试时，根据不同的测试要求控制程控电源以特定值的恒流源或恒压源工作。模块电路图如图5所示。

图5 RS232模块

标准RS232电平很高，达正负15V常用的TTL电平最高5V。相互连接的话，必须进行电平转换，由于在使用及系统搭建调试时串口输出电压会达到12V，直接与单片机连接会烧坏芯片，所以用MAX232来进行电平转换，使串行通信的性能更加可靠，而且成本低廉[4]。

2.5 CAN通讯模块

本系统利用CAN总线实现PC与测控板卡的通讯。CAN总线能够进行分布式控制，并且实时监控串行通讯网络，具有可靠性高，抗干扰能力强，纠错能力强等特点[5]。模块电路如图6所示。

图6 CAN模块

其中CAN总线收发器选用UC5350，它是CAN控制器和物理总线之间的接口，作用是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，在两条有差分电压的总线电缆上传输数据。为了防止回波反射，提高通信可靠性和准确性，需要在终端并联一个120Ω的电阻。

2.6 A/D模块

外部电流电压信号在进入A/D转换之前先经过信号调理电路，以提高其测量精度。其中运算放大器选用LM358，用于放大信号电压，电路如图7所示。

图7 信号调理电路

图中VHall端接TBC25D霍尔传感器，该型号传感器具有可靠性高，测量范围广，响应速度快，测量精度高，线性度好，工作频带宽等优点，可以测量在0～100kHz频率范围内的任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等；响应时间最快可以达到1us；其测量精度可达到1%[6]。信号采集电路如图8所示，在12V两端并联两个0.1μF的电容可以起到滤波防抖的作用。

图8 信号采集电路

3 软件设计

PC机与下位机的通讯利用CAN总线中继器，根据CAN总线的通讯协议编写PC机与下位机的代码。其中PC机上程序使用MFC编写，程序根据不同测试项目分为多个模块，模块之间代码互相独立，实现所需功能的同时防止出现严重bug，并可方便地进行二次开发。程序主界面如图9所示。

图9 测试界面

下位机程序使用KeilμVision编写，程序利用STM32F10ZET6芯片控制MCU上的各个模块，实现与上位机的通讯、发回传感器数据、控制电机、接收传感器数据等功能。程序运行模式如图10所示。主程序包括进行时钟配置，定时器、串口通讯等多个模块的初始化。对传感器数据的采集和RS232、CAN总线的通讯代码则包含在定时器中断函数中，利用高频率的更新中断完成数据的收发。

图10 程序运行流程图

4 结束语

本测试平台设计了一种可以对汽车ETC电机多项性能指标进行测试的智能系统，并搭建了满足测试要求的PCB板和测试程序。得益于程序的模块化设计，该系统可以方便地进行二次开发，能够满足多样的升级需求。通过实际的测试检验，该系统运行过程稳定、可靠，测试结果准确，可以简化测试步骤，缩短测试时间，具有极大的实际意义。