基于西门子ET200SP的汽车测试台电子油门仿真器

张兆辉

（西门子（中国）有限公司，北京 100102）

汽车行业做为制造业的标杆，其科技含量、产业链复杂度、安全要求和发展变化速度均处于较高水平［1］。相应的，汽车行业也对测试提出了极高的需求。在进行汽车的动力性、经济性测试时，测试台需要动态地控制发动机或者新能源汽车电动机的动力输出，这就需要测试台具有高动态性和高精度的电子油门仿真装置以遂行测试需求。传统进口测试台中，电子油门仿真器价格昂贵、备件周期长，发生故障时，严重影响测试台的可用性。本文深入分析测试台对电子油门的功能需求，基于西门子高性能的ET200SP分布式IO模块，创建了高性价比的电子油门仿真系统，并进行了良好的编程验证与应用实施。

1 电子油门仿真器简介

在进行汽车的动力性测试时，会将动力部件与电力测功机进行轴系互联，为被测部件提供动态的负载。以发动机测试台为例，电力测功机与发动机的曲轴输出端通过联轴器进行连接。根据被测件的研发需求以及国家测试法规的要求，测试过程中，被试件的油门、转速与扭矩需要按照特定的时间曲线工况进行准确控制。先进的测试台控制系统通过变频器的复杂控制实现电力测功机端的转速与扭矩控制，而对于被试件的控制，则需要通过电子油门仿真系统来模拟实现发动机ECU能够接收的电信号，实现油门开度的控制［2-3］。图1为某测试台转速扭矩闭环控制架构。

图1 某测试台转速扭矩闭环控制架构

除对发动机直接设定油门外，测试台控制系统还需要通过电子油门仿真器动态地调整发动机的油门开度以实现轴系上转速或扭矩值的闭环控制。同时不同的被试件电子油门电气信号与油门开度的定义规则不同，需要仿真器能够进行自定义调整适配。

1.1 电子油门需具备的功能

基于以上需求，电子油门需要具备以下功能。

1）高的电信号输出精度，以保证测试数据的有效性。通常要求精度指标高于0.5%，分辨率大于12位。

2）高的动态性能，以保证转速扭矩闭环控制的精确性。通常要求从测试台控制器发出油门开度设定至电信号输出至发动机ECU时间延迟低于5ms。

3）信号的动态配置。仿真器的电气信号输出可以在电压信号、电流信号之间切换，可以进行输出信号与油门开度的线性标定调整。

4）支持总线技术，这样可以方便地集成于不同的测试台控制系统中，比如Profinet总线。

1.2 西门子电子油门仿真器

进口测试台中，通常选用西门子公司的PWG模块（图2）做为标准的电子油门信号仿真器。该仿真器支持Profinet、Profibus、CAN总线及串行总线等多种总线技术，可内置多种电信号与油门开度的标定曲线，亦有手动操作杆可进行手动操作控制，技术先进，功能丰富。然而该电子油门仿真器在国内的实际项目应用中，亦存在以下问题。

图2 西门子PWG电子油门仿真器

1）备件价格昂贵。

2）备件货期长。

3）功能冗余，实际项目中通常只会使用到一种总线技术，手动操作功能通常没有应用。

4）需要专用软件进行参数配置，操作复杂，测试台操作员通常不具备配置能力，需要国外测试台厂家的工程师进行配置，难以自行实现修改。

2 西门子ET200SP远程IO从站模块介绍

可扩展的西门子ET 200SP I/O系统是防护等级为IP20的高度灵活的模块化I/O系统。通过具有PROFINET或PROFIBUS接口的接口模块，它可以与更高级控制系统交换所连接I/O模块的IO数据。基于西门子在国内自动化控制市场庞大的占有率，该模块在各地代理商处均有备货，货期非常短，且价格低廉，性价比非常高。图3为西门子ET200SP模块。

图3 西门子ET200SP模块

ET 200SP提供了全面的I/O模块（包括故障安全型）：数字量输入模块（DI）、数字量输出模块（DQ）、模拟量输入模块（AI）、模拟量输出模块（AQ）、工艺模块（TM）、通信模块（CM）、专用模块、电机直接起动器（DS）、气动阀控制模块，其中模拟量输出模块又可分为3类：标准版、高性能版、高速版，详见表1。

表1 ET200SP模拟量输出模块类型

综合性能需求和性价比考量，选用高性能版ET200SP模块进行电子油门仿真器的搭建。

3 系统的搭建与编程测试

3.1 硬件选型

ET200SP模块的选型采用西门子提供的自动化设备智能选型工具Selection Tool。该工具具有非常完善的向导功能，可以自动校验所选部件的兼容性，给出错误提示，避免订购错误；可以自动添加必需的附件，避免漏订；可以进行工厂级别的自动化系统的综合选型、24V供电校验、性能负荷计算等，是西门子免费提供的一个非常优秀的选型软件。

图4为Selection Tool选型软件界面，该软件具有离线版和在线版两个版本，本文采用离线版进行了电子油门仿真器所用的ET200SP模块的选型。如果想要快速上手使用，也可以通过以下链接访问Selection Tool的在线版本：https：//mall.industry.siemens.com/spice/tstweb/#/Start/。

图4 Selection Tool选型软件界面

本项目中为电子油门仿真器选定的组成模块见表2。

表2 电子油门仿真器硬件配置

基于上述分析的原因，仿真器包含2个ET200SP高性能模拟量输出模块。每个模块具有2个模拟量输出通道，2个模块总共具有4个输出通道。

实际使用中，发动机ECU控制器或者新能源汽车的MCU电机控制器通常需要两路模拟量输入信号以做为油门开度的设定通道，两路通道相互校验，针对油门开度，输出电压分别具有不同的比例系数和偏移值，需要单独设定。

特别是针对新能源汽车，电机控制器除需要使用两路模拟量设定做为驱动扭矩的设定通道外，同时需要两路模拟量通道检测制动踏板的踩踏深度，用以确定产生制动扭矩反馈电能的控制。

仿真器中同时配置了ET200SP的Profinet高性能接口模块，以使得测试台主控系统可以通过Profinet总线来对电子油门仿真器进行设定值设定和选项配置。IM155-6 PN HF模块支持Profinet实时工业总线中的IRT等时同步控制，该种机制可以保证1ms的严格等时同步，对于测试台这种对转速扭矩精度具有极高控制要求的应用是必须的。Profinet IRT网络性能如图5所示。

图5 Profinet IRT网络性能

在实际应用中，项目选用西门子S7-1515SP系列软件PLC做为测试台的高性能转速扭矩闭环控制器，故对该电子油门的搭建与编程测试也由该PLC来进行。同时配置了西门子ET200SP系列的模拟量采集模块，用于采集验证输出信号的准确性和实时性。

3.2 编程测试

本文采用TIA博图软件进行编程，TIA博图软件是由西门子开发的为西门子全系列自动化产品进行组态和编程的统一平台，目前已经发展至V16版本，强大、成熟、稳定、可靠。

3.2.1 编程测试实现的功能

编程测试主要实现以下功能。

1）硬件组态，将ET200SP模块集成至测试台控制系统中，以便进行编程控制。

2）配置输出通道的特性，允许在设备启动时和设备运行中变更输出信号的种类：电压或电流信号以及不同的输出范围。

3）实现油门开度至输出电信号的标定功能。

4）搭建模拟量信号采集及转换的程序模块，用于对仿真器的输出电信号进行采集验证。

3.2.2 编写软件

根据前述分析编写软件。根据西门子PLC的编程规范，具体如下。

1）OB1：PLC的背景程序，持续循环运行，没有确定性的运行周期。调用FC1。

2）OB61：PLC中的等时同步循环，与Profinet等时同步总线保持严格同步，具有准确的等时同步运行周期（此处为2ms），用以调用设定通道FC2和FC3。

3）FC1：FC_AO_Config，用于对模拟量输出通道进行配置的封装块，允许用户对模拟量通道的输出类型进行配置。

4）FC2：FC_Normalization接收上级控制算法的油门开度设定值（0~100%），按照配置标定转换为西门子模拟量输出模块的标准线性转换值（比如-27648~+27648对应输出范围的正负最大值）。

5）FC3：FC_Input用于接收电子油门的输出电压信号，进行输出精确度和输出响应速度的测试。

程序采用类高级语言SCL语言进行编程，部分代码如图6所示。

图6 部分控制程序

3.3 测试结果与应用实例

本文采用西门子1515SPPLC控制由ET200SP模块组成的电子油门仿真系统，测试其设定通道的准确性和快速性以及对于输出电信号的类型配置功能。通过ET200SP模拟量采集模块将仿真器输出的电信号采集，检测其精确度和响应快速性。

设定油门仿真器电信号通道类型为±10V信号，油门信号的标定数据见表3。

表3 油门信号标定规则

设定油门开度信号按照阶跃信号变化，检测接收到的实际输出电压信号，监控其曲线，核算实际输出的电信号准确度。

根据公式计算，油门开度为50%时，两路电信号分别为2.80V与1.40V，实际检测电压值为2.7998V与1.3996V，偏差小于等于0.04%，满足实际使用需求和设计指标。时间延迟约为2ms，满足测试台应用闭环控制时的快速性。测试结果曲线如图7所示。

图7 测试结果曲线

实际项目中，该方案应用于国内多个知名汽车厂家的传统内燃机动力总成和新能源汽车动力总成测试台，均取得了良好的控制效果，为客户所认可。