付忠亮 黃慧凱

(浙江毅力汽車空調(diào)有限公司,浙江龍泉 323700)

0 引言

2018年全球新能源乘用車銷量突破200萬輛,2019年同比增長9.5%,2020年受疫情影響增長趨勢有所放緩,但據(jù)相關部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示僅中國2020年新能源汽車銷量可突破116萬輛[1]。全球新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展,也積極推動著汽車零部件的不斷升級換代。在汽車電子成本下降、節(jié)能減排要求以及人們對汽車駕駛舒適性的追求提高等因素推動,以往只在奔馳、寶馬等傳統(tǒng)中高端車型上才應用的汽車無刷風機也開始逐漸進入中低端車型,并有望成為空調(diào)系統(tǒng)的基本配置。

無刷控制技術在工業(yè)領域應用較早且較為廣泛,但在汽車領域卻是近幾年才逐漸呈上升趨勢。目前汽車風機無刷驅(qū)動器主要分為兩種:BLDC驅(qū)動器和FOC驅(qū)動器,其中FOC又稱之為矢量控制?；谑噶靠刂乞?qū)動的汽車風機因具有運轉(zhuǎn)更平滑、風噪小、效率更高等優(yōu)點,正成為各汽車風機及其驅(qū)動器廠家當前的主要研發(fā)對象或主推產(chǎn)品。為了業(yè)內(nèi)同行間相互交流,共同學習,共同助力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,本文將結(jié)合公司開發(fā)的汽車風機矢量控制驅(qū)動器在其生產(chǎn)過程中遇到的檢測設備問題,介紹一種汽車風機驅(qū)動器自動檢測臺的設計。該汽車風機驅(qū)動器自動檢測臺集成了程序裝載、參數(shù)標定和復測篩選功能,一鍵式傻瓜操作,制作簡單,具有良好的性價比,非常適合生產(chǎn)線批量使用。

1 系統(tǒng)整體設計

本檢測臺為機電一體化系統(tǒng),由機械結(jié)構裝置和電氣控制電路兩大部分組成,機械結(jié)構示意圖見圖1,其由工作臺架、測試工裝組成,具體為(1)主臺架、(2)測試區(qū)、(3)作業(yè)指導書區(qū)、(4)供電指示表、(5)HMI觸摸屏、(6)和(7)開關、按鈕及指示燈、(8)照明燈管、(9)裝有電機裝置的測試工裝。

電氣控制電路則由控制器主機、HMI觸摸屏、直流電源箱、分流器和變送器、光電轉(zhuǎn)速計、負載風機、大功率繼電器、開關按鈕和指示燈等組成,安裝在主臺架內(nèi)部或面板上。控制器主機實現(xiàn)檢測臺的在線標定以及FCT測試功能的邏輯控制和計算操作。HMI選用威綸通的MT8102IE,與控制器主機通過RS485通信,完成檢測臺各參數(shù)的人工輸入設置和檢測數(shù)據(jù)顯示。直流電源箱采用的是大功率直流穩(wěn)壓電源,為待測驅(qū)動器和風機工作提供主電源,在驅(qū)動器和電源箱回路中串聯(lián)了一個75mV/50A的分流器用于實時監(jiān)測驅(qū)動器工作電流,同時在風機側(cè)面安裝了一個光電轉(zhuǎn)速計用于監(jiān)測風機轉(zhuǎn)速。通過外圍裝置檢測到的參數(shù)與被測驅(qū)動器內(nèi)部讀回的參數(shù)進行對比,從而實現(xiàn)本自動檢測臺對被測驅(qū)動器各項主要參數(shù)的檢測準確性以及參數(shù)標定的有效性[2]。

2 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

本檢測臺除機械結(jié)構裝置外,主要由控制器主機及外圍電氣電路和上位機HMI軟件界面組成。

2.1 控制器主機及外圍電路

控制器主機及外圍電氣電路主要由基于STM32F103控制器開發(fā)的控制器主機、用于FCT測試針床裝置自動升降控制的電機驅(qū)動電路、FCT測試接口、用于向被測驅(qū)動器產(chǎn)品下載Code的Bootloader接口、用于被測驅(qū)動器產(chǎn)品內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取和標定數(shù)據(jù)寫入的TTL通信接口、外部參數(shù)檢測電路、HMI通信接口電路、電源控制和報警電路組成,如圖2所示。

圖2 控制器主機主要硬件組成框圖Fig.2 Block diagram of the main hardware composition of the controller host

圖1 檢測臺機械裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanical device of the detection platform

2.2 操作界面

本系統(tǒng)上位機HMI采用的是威綸通的MT8102IE,其功能強大,且具有良好的穩(wěn)定性和人性化界面編輯特點。根據(jù)系統(tǒng)檢測功能需求,運行主界面設計如圖3所示,主要分為主控板參數(shù)區(qū)、檢測臺參數(shù)區(qū)、故障顯示區(qū)、狀態(tài)參數(shù)區(qū)。主控板參數(shù)為通過TTL通信接口從被測風機驅(qū)動器內(nèi)部讀取的參數(shù),檢測臺參數(shù)為檢測臺自帶電路檢測的參數(shù),主要顯示工作電壓、電流、以及轉(zhuǎn)速和溫度,其中檢測臺通過外置溫度探頭檢測環(huán)境溫度對主板的溫度傳感器NTC進行校準。故障顯示區(qū)可將故障點的具體數(shù)值顯示,便于工程人員后續(xù)產(chǎn)品返修時作分析用。狀態(tài)參數(shù)區(qū)則將實時動態(tài)顯示當前檢測狀態(tài)以及當前執(zhí)行到哪一步驟。如系統(tǒng)狀態(tài)框,將會根據(jù)當前檢測執(zhí)行的順序,依次顯示“程序裝載——靜態(tài)啟動——上電校準——功能復測——產(chǎn)品篩選”。

2.3 工作流程

圖3 HMI操作界面Fig.3 HMI operation interface

本檢測臺主要使用流程為:測試時,將待測汽車風機矢量控制驅(qū)動器的PCBA電路板放置于測試工裝的針床上,按下啟動測試按鈕后,測試工裝上的電機裝置開始工作,自動下壓板將PCBA電路板壓緊于測試工裝的探針上,通過探針來對PCBA電路板進行上電檢測,檢測無異常后,控制器主機通過Bootloader模式自動向待測汽車風機矢量控制驅(qū)動器裝載CODE。待CODE裝載完畢后,控制器主機將給驅(qū)動器重新上電,并向其發(fā)送PWM調(diào)速信號,驅(qū)動器檢測到信號后啟動驅(qū)動風機運轉(zhuǎn)。此時控制器主機一方面實時檢測主電源電壓、工作電流、風機轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度等參數(shù),另一方面采用TTL接口與被測驅(qū)動器通信,讀取其內(nèi)部測得的各參數(shù)數(shù)據(jù),通過對驅(qū)動器靜態(tài)和動態(tài)下數(shù)據(jù)的分析,控制器可及時有效的將不良品篩選出來,同時對合格品自動進行參數(shù)標定寫入以及復測,本工作流程可一鍵式自動完成。同時考慮到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的首件檢和設備維修方便,本自動檢測臺還設置了手動操作功能,在圖1的(7)處安裝了一個檔位開關,用于自動/手動切換。手動操作模式下,需人工每按一次啟動按鈕,才執(zhí)行上述流程的一個步驟。

2.4 標定及復測

相對于傳統(tǒng)的有刷風機驅(qū)動器,無刷風機驅(qū)動器基本上采用內(nèi)嵌式結(jié)構,直接將PCBA卡在風機線圈背部的鋁殼上,一旦安裝后發(fā)現(xiàn)異常,返修十分不便。同時風機的線圈電感量、反電動勢、摩擦系數(shù)等對驅(qū)動器的性能和穩(wěn)定性都有影響,加上驅(qū)動器自身電路元件帶來的誤差,為保證驅(qū)動器的最佳控制性能和驅(qū)動效率,必須對每塊驅(qū)動器控制板做出廠前標定。

本方案采用檢測臺外部檢測參數(shù)為參考,與從驅(qū)動板內(nèi)部讀取到的參數(shù)進行對比,計算生成對應的系數(shù),通過TTL接口寫入驅(qū)動板。驅(qū)動板上的MCU將系數(shù)存入flash,待下次上電后讀取數(shù)據(jù),對各主要參數(shù)進行修正調(diào)整輸出,至此標定操作結(jié)束。若在對比時發(fā)現(xiàn)兩者參數(shù)明顯偏差較大,則檢測臺將自動提出異常報警,并顯示異常代碼,方便工人進行質(zhì)量異常分類統(tǒng)計和產(chǎn)品返修。檢測臺控制器主機與驅(qū)動板的TTL通信協(xié)議采用MODBUSRTU協(xié)議,與上位機通信協(xié)議一致,其優(yōu)點在于工程技術人員在脫離檢測臺的情況下,仍舊可以采用USB轉(zhuǎn)TTL數(shù)據(jù)線在PC機端直接讀寫驅(qū)動器內(nèi)部數(shù)據(jù),同時滿足了研發(fā)和工程量產(chǎn)階段的需求。

經(jīng)過標定后的驅(qū)動器控制板,需采用與實際使用一致的匹配風機負載進行靜態(tài)和動態(tài)全程運轉(zhuǎn)測試,并設置啟動、中速、高速三個基本測試點或更多測試點進行數(shù)據(jù)的觀察比對,確認驅(qū)動器的各項性能符合產(chǎn)品要求,同時也是對標定的效果進行驗證。經(jīng)筆者實際測試,采用1個靜態(tài)點和3個動態(tài)測試點對驅(qū)動器進行標定和復測,已基本能滿足要求。

在整個標定與復測過程中,需要注意的是,標定結(jié)束后必須對驅(qū)動器進行重上電操作,確保標定系數(shù)已順利寫入flash,同時在斷電前應根據(jù)待寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)預留適當延時時間,確保數(shù)據(jù)鏈的完整性。另外在傳統(tǒng)的檢測標定系統(tǒng)中,多采用單一對象形式標定,即參數(shù)標準值為固定值,產(chǎn)品根據(jù)固定參考值對內(nèi)部自身檢測參數(shù)進行修正標定,優(yōu)點為標定功能代碼量小、無需外部配合,操作簡單;缺點為標準值固定,缺少靈活性,不適合多品種生產(chǎn)。而采用本方案的內(nèi)外部參數(shù)比對標定形式,則對產(chǎn)品的型號更換、負載變化等都具有良好的適應性,且在外部檢測精度可保證情況下,通過兩組參數(shù)的對比,可通過產(chǎn)品內(nèi)部參數(shù)的微小提前篩選出異常產(chǎn)品。但該方案也存在一定不足,其需占用驅(qū)動器一定的內(nèi)存空間和運行時間,在驅(qū)動器MCU選型時應考慮內(nèi)存空間和時鐘頻率。因標定功能只需在出廠前使用,在正常運行工作時,該功能可以通過使能位禁止,從而避免占用運行時間以及不必要的干擾風險,故通過適當?shù)拇a優(yōu)化,對采用目前主流MCU開發(fā)的驅(qū)動器實際并無太大影響。

3 結(jié)語

本檢測臺在對汽車風機矢量控制驅(qū)動器進行功能檢測和標定操作時,具有測試精準度高,速度快等優(yōu)點;避免了傳統(tǒng)檢測方式下,人工插拔產(chǎn)品接口引發(fā)的觸點打火、接觸不良、以及劃傷產(chǎn)品等缺陷。同時還考慮實際應用方便和效率提升需要,在檢測功能的基礎上增加了驅(qū)動器程序自動下載功能,減少生產(chǎn)工序,降低了生產(chǎn)成本。

根據(jù)本方案設計的檢測臺目前已成功投入到汽車風機矢量控制驅(qū)動器生產(chǎn)線中使用,經(jīng)過近半年多的驗證和不斷完善,具備了產(chǎn)品在線程序?qū)?、標定以及FCT測試功能,已完全可滿足生產(chǎn)需要,且性能穩(wěn)定,制造成本低,使用反饋良好。