基于柔性测试技术的节气门反应时间测试系统设计

1 引言

ETC是伴随汽车电子驱动理念将节气门由机械控制向电子控制转变的新一代产品。ETC避免了传统机械式节气门拉索或拉杆的机械连接，通过采用油门执行器、电控单元以及相应的各种传感器，实现对汽车节气门开度的精确控制。ETC能将节气门调节到最佳位置，实现发动机在不同负荷和工况下，都能以接近理论空燃比的状态工作，这将有利于提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性，同时降低排放污染。

如何生产出比竞争对手更高效、更低成本、更高质量且不影响测试覆盖的ETC，已成为快节奏的汽车电子行业难以应付的挑战。在开发ETC检测设备时，要兼顾三个彼此冲突的目标：时间（测试开发、执行和系统部署）；成本（资金和集成）；范围（吞吐率、精度和灵活性）。因此，泛华恒兴为某公司开发了双工位第五代ETC反应时间测试系统，很好的兼顾了对时间、成本和范围的要求。

2 ETC工作原理

电子节气门由节气门体、驱动电机和节气门位置传感器等构成，来自发动机ECU的指令使驱动电机动作，通过传动机构使节气门转动，保证发动机工作所需的节气门开度。节气门位置传感器由两个电位器组成，节气门开度变化时，电阻值发生变化，输出的电压信号随之变化，与电子油门踏板位置传感器信号一起，输入到发动机ECU，经计算后，输出驱动电机控制信号，从而控制发动机节气门开度。其工原理如图1所示。

图1 ETC工作原理示意图

直流电机在驱动电流作用下旋转一定角度，通过齿轮传动机构，将直流电机轴的运动传递给节气门轴，节气门轴带动节气门旋转到所需角度，改变进气通道的截面积，从而控制发动机的进气流量。同时，由于节气门轴的转动，改变电位计的工作位置，电位计输出的信号发生变化，发动机控制单元根据信号值可确定节气门的具体开度位置反馈，从而精确微调其位置。电位计为两个反向信号计组成，一个反映节气门的正向开度位置，另一个反映节气门的反向开度位置，比较两个信号计的信号值可相互检查其工作状态，作为判断是否有失效的一个依据。

3 系统硬件设计

为了满足实际生产过程中对效率的要求，系统设计为双工位。核心部件完全独立，两个工位互不影响。大大减少了研发成本，提高了测试效率。设备外观如图2所示。

图2 设备外观

上位系统为稳定的IPC系统，通过显示器、鼠标、键盘实现人机交互，通过PCI总线控制DAQ板卡和数字I/O板卡。
DAQ板卡采用NI多功能DAQ板卡来实现对传感器信号、电机电压、参考电压等参数的采集，即使在高采样率下也能保持高精度。
数字I/O采用NI工业数字I/O板卡，通过利用数字I/O板卡配合相应的信号调理电路实现了对信号通道切换模块的动作、测试启动鼠尾开关、急停按钮等的状态，气缸动作控制，报警等状态指示，工件有无、废品检测等传感器的状态监测。
计算机通过多功能DAQ板卡的模拟输出控制编程电源。编程电源能够提供0～±20V电压及 0～±10A电流,用来驱动直流电机。位置传感器参考电源由精密5V直流电源提供。

4系统软件的实现

本系统的开发和使用环境相同，操作系统为Windows XP SP2，开发环境为LabVIEW8.6。
LabVIEW的高效图形化应用开发环境，结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言优势。它可以提供：直观明了的图形化开发环境；开放且符合工业标准的软件；内置编译器加快运行速度；多平台兼容；可与大量硬件接口（I/O）紧密结合。

4.1 测试方法

作为终检测试设备，测试项包括全开电压测试、全关电压测试、反应时间测试、相关性和摩擦力测试、弹簧漏装检测等多种测试。

图3 反应时间曲线

反应时间测试是检验产品是否合格的重要指标，数据曲线如图3所示。
全开电压测试和全关电压测试，核心算法采用PID调节方式。首先供给电机一个电压，使电机处于关闭或打开状态；实时采集传感器信号，根据当前阀片角度和目标角度的差值，给出调节电压，如此反复调节。直至阀片角度跟目标角度的差值小于预设值或到达预设时间退出。但是由于工件自身的差异性，不合适的PID参数会导致调节过程不够稳定。针对此问题，做了大量重复性试验，确定了最终的PID参数，保证了PID调节的稳定性。得到的波形如图4所示。

图4 全开电压、全关电压测试和相关性摩擦力测试曲线

相关性和摩擦力测试最核心的是数据分析的过程。相关性和摩擦力测试的数据处理过程，包括简单的传感器信号电压和角度的换算，也涉及了电动力学中的反电动势的计算等处理方法。在各阶段的数据处理过程中，更是涉及了中值滤波、线性填充和线性化等多种算法。充分保证了测试结果的准确性和稳定性。得到的数据波形如图4所示。 
弹簧漏装检测是新的测试项。经过前期的验证，漏装弹簧的节气门由打开位置返回的默认位置角度和由关闭位置返回的默认位置角度的差值稳定在4°～6°，而没有漏装弹簧的节气门的差值稳定在0.6°以下。因此，让节气门由一个稍微打开的位置返回默认位置，再让节气门由一个稍微关闭的位置返回默认位置，分别采集传感器电压，通过计算两个位置角度的差值来判断弹簧是否漏装。

4.2 软件整体设计

软件在功能实现上采用模块化设计，特定的模块实现特定的功能。主要由参数配置、单步调试、自动测试、用户管理和数据存储等模块组成。
为了生产安全和质量保证的需要，在软件中设计了用户登录和用户管理模块，可以分配管理员和操作员两种权限，一般操作者只有操作权限。管理员可通过参数配置模块实现对测试流程参数和测试项的设置。自动测试模块是本系统的核心模块，此模块完过系统的主要测试和统计记录功能。单步调试模块可以完成气缸单步测试、传感器检测、报警灯调试的功能，用于维护和维修。
软件系统基于生产者和消费者架构进行了拓展，两工位并行测试，互不影响。其程序流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

5 系统特点及总结

此系统采用了先进的模块化、标准化测试技术和可靠的产品，硬件选用NI公司的板卡，软件采用LabVIEW开发。
系统中硬件均使用成熟可靠的部件，系统设计充分考虑各种意外发生的可能性，使系统具有很高的可靠性。系统硬件设计充分考虑ETC规格的兼容性，预留了五种夹具类型；软件上采用成熟的模块化设计，并且可对系统中各种参数进行配置，从软硬件上完美兼容不同规格的ETC。系统具有很高的灵活性。系统设计充分考虑工业现场环境的要求，对硬件及结构等方面做了专门的设计。系统具有很高的适用性。系统对很多重要资源如工控机PCI插槽，数据采集通道，数字控制通道等进行了适当的预留，使系统具有很高的可扩展性。
由于有了优良的配置组合，该系统具有非常好的性能。双工位的设计节省了成本，提高了测试效率。体现了柔性测试技术可靠性、灵活性、适用性和可扩展性等特点。

参考文献
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