汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU環(huán)境耐久性測(cè)試原理與實(shí)現(xiàn)*

余 淼，帥 璐，劉勝龍，浮 潔

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，智能結(jié)構(gòu)研究中心，重慶 400044)

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)是汽車的控制中樞，其主要功能是接受發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門和曲軸位置等傳感器信號(hào)，按照控制策略，精確控制燃油供給量、點(diǎn)火提前角和怠速空氣流量等，會(huì)極大地提高汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并可有效地降低尾氣排放。由于ECU的工作環(huán)境十分惡劣，因此要求其具有非常高的可靠性和環(huán)境耐久性［1］。ECU生產(chǎn)廠商須通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試證明其ECU產(chǎn)品符合客戶的要求，通過生產(chǎn)驗(yàn)證證明其生產(chǎn)工藝可以保證產(chǎn)品合格，因此在ECU的開發(fā)和生產(chǎn)過程中，必須應(yīng)用相關(guān)測(cè)試設(shè)備對(duì)其進(jìn)行測(cè)試［2］。目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)和高等院校針對(duì)ECU設(shè)計(jì)出一些仿真測(cè)試系統(tǒng)，用于ECU的環(huán)境耐久性測(cè)試，如江蘇大學(xué)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開發(fā)一套自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)［3］;北京理工大學(xué)開發(fā)一套ECU硬件在環(huán)柴油機(jī)控制仿真平臺(tái)［4］。針對(duì)現(xiàn)階段ECU耐久性測(cè)試設(shè)備通用性差，不夠靈活的問題，本文中開發(fā)了一套ECU環(huán)境耐久性測(cè)試系統(tǒng)，它具有高度開放、可擴(kuò)展和智能等特點(diǎn)，能為不同汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供特定的工作環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ECU的運(yùn)行狀態(tài)，以測(cè)試該ECU的耐久性是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1 ECU環(huán)境耐久性測(cè)試原理與規(guī)范

環(huán)境耐久性測(cè)試是汽車ECU產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。以ECU為測(cè)試對(duì)象，最快地激發(fā)ECU內(nèi)部缺陷，縮短試驗(yàn)周期，排除各種故障和修改設(shè)計(jì)缺陷，以提高產(chǎn)品的可靠性水平。ECU環(huán)境耐久性測(cè)試系統(tǒng)(EDTS)對(duì)ECU進(jìn)行耐久性測(cè)試的原理如圖1所示。在ECU環(huán)境耐久性測(cè)試中，EDTS提供ECU所需的各種傳感器信號(hào)和各種執(zhí)行負(fù)載［5］，并能夠?qū)崿F(xiàn)主機(jī)與ECU的總線通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控ECU的運(yùn)行狀況，且能對(duì)ECU樣品在試驗(yàn)過程中發(fā)生的各種故障類型和故障時(shí)間進(jìn)行記錄。模塊耐久性測(cè)試代碼(MDTC)運(yùn)行在ECU之中，用于ECU產(chǎn)品的工程開發(fā)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和生產(chǎn)驗(yàn)證等項(xiàng)目測(cè)試，主要監(jiān)控在正常和特定工作條件下，ECU模塊的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)輸入信號(hào)和ECU輸出執(zhí)行負(fù)載的信號(hào)。同時(shí)，在ECU的環(huán)境耐久性測(cè)試規(guī)范中，需要對(duì)ECU進(jìn)行各種工況測(cè)試。在每種工況下，模塊的執(zhí)行負(fù)載和環(huán)境參數(shù)都是特定的，因此需要EDTS對(duì)ECU的測(cè)試進(jìn)行統(tǒng)一管理。ECU的實(shí)際工作環(huán)境包括電氣環(huán)境和物理環(huán)境，通過配置MDTC和EDTS來模擬ECU工作時(shí)所處的電氣環(huán)境;通過把ECU放進(jìn)環(huán)境箱或振動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，來模擬ECU運(yùn)行時(shí)所處的物理環(huán)境。

耐久性測(cè)試規(guī)范是ECU耐久性測(cè)試的依據(jù)，為提高ECU正常運(yùn)行時(shí)的可靠性和耐久性，必須建立能最大限度激發(fā)ECU失效的測(cè)試規(guī)范。由于耐久性試驗(yàn)(模擬性試驗(yàn))需要較長(zhǎng)時(shí)間，生產(chǎn)廠家難以接受，因此采用加速壽命試驗(yàn)方法，主要通過增加對(duì)試驗(yàn)影響因素量度的方法，加快產(chǎn)品失效，以縮短試驗(yàn)周期［6－7］。

在耐久性試驗(yàn)中，把溫度和電壓同時(shí)作為加速應(yīng)力(將濕度設(shè)為定值)，即雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法，也即在規(guī)定ECU運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)向ECU同時(shí)施加有一定變化的電壓和溫度，該雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)服從加速模型(廣義艾林模型)［8］:

式中:θ為測(cè)試ECU的壽命特征;A、B、C、D為模型參數(shù);T為施加的溫度，－55℃≤T≤100℃;U為施加的電壓，0≤U≤17V;φ1(T)=1/T;φ2(U)=U。

由于在該雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中，溫度T與電壓U之間無交互作用，則式(1)簡(jiǎn)化得

根據(jù)氣象記載，我國(guó)極端的最低氣溫或地溫幾乎沒有低于－55℃，故－55℃已滿足要求。同時(shí)，極端最高氣溫為47.6℃，加上一般電子設(shè)備本身有20℃左右的溫升，所以我國(guó)地面設(shè)備使用的電子元器件，溫度上限定為85℃。本次雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中，采用溫度循環(huán)試驗(yàn)方法，其目的是考核電子器件在短期內(nèi)反復(fù)承受溫度的能力和不同結(jié)構(gòu)材料之間的熱匹配性能。結(jié)合低溫和高溫等級(jí)，按照ECU耐久性測(cè)試規(guī)范［9－13］，制定溫度值與時(shí)間的關(guān)系式為

式中:f(t)為循環(huán)溫度，℃;t為時(shí)間，min。

試驗(yàn)中施加于ECU的溫度循環(huán)曲線見圖2。

在雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中，除溫度外的另一應(yīng)力是隨機(jī)電壓應(yīng)力，目的是考核電源電壓變化，包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的異常波動(dòng)電壓和發(fā)動(dòng)機(jī)電壓調(diào)節(jié)器故障時(shí)產(chǎn)生的過壓等對(duì)ECU的影響。通常，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU正常工作電壓為14V。根據(jù)以往多次試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，施加一定概率分布的電壓［11］，能更快地激發(fā)ECU內(nèi)部的缺陷。電壓參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系式為

式中:ψ(t)為電壓參數(shù)，V。

試驗(yàn)中施加于ECU的電壓參數(shù)曲線見圖3。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件組成

ECU環(huán)境耐久性測(cè)試系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、模擬負(fù)載模塊、環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱和應(yīng)用軟件等組成。該系統(tǒng)基于嵌入式技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)建立。每一個(gè)測(cè)試單元由信號(hào)發(fā)生模塊、被測(cè)ECU模塊、模擬負(fù)載模塊和狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊組成。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示。

2.1 信號(hào)發(fā)生模塊

信號(hào)發(fā)生模塊以32位ARM微控制器LPC2294為核心，擴(kuò)展 CPLD芯片 ispLSI1048E以增加LPC2294的片外資源，通過分配各個(gè)信號(hào)發(fā)生模塊不同的標(biāo)識(shí)號(hào)(ID)，實(shí)現(xiàn)多模塊的信號(hào)發(fā)生模塊網(wǎng)絡(luò)。該模塊的主要功能是模擬產(chǎn)生汽車上的各種傳感器信號(hào)［2］。主要包括曲軸位置信號(hào)(CKP)和車速傳感器信號(hào)(VSS)等。

曲軸位置信號(hào)CKP是ECU控制點(diǎn)火系統(tǒng)中最主要的傳感器信號(hào)，它運(yùn)用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)技術(shù)產(chǎn)生特殊的正弦波信號(hào)，即ARM單片機(jī)控制CPLD發(fā)地址信號(hào)周期性地查詢正弦波形數(shù)據(jù)表，再將所得的波形數(shù)據(jù)通過后面的D/A，濾波放大后得到所需波形，如36－1型CKP信號(hào)，其一個(gè)周期由34個(gè)T周期的正弦波再加1個(gè)2T周期的正弦波組成，其中2T周期的正弦波信號(hào)即為缺齒信號(hào)，以表征活塞的位置。圖5為信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的36－1型CKP信號(hào)。同時(shí)可以通過修改參數(shù)而改變所產(chǎn)生缺齒信號(hào)的個(gè)數(shù)和位置，進(jìn)而產(chǎn)生其它型號(hào)的CKP信號(hào)，如36－2型、60－1型等。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊主要對(duì)被測(cè)ECU所輸出的噴油信號(hào)和點(diǎn)火信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)卡是基于ARM微控制器LPC2294和CPLD芯片ispLSI1048E為主要硬件框架的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

對(duì)于點(diǎn)火信號(hào)的監(jiān)測(cè)，CPLD的主要任務(wù)是判斷點(diǎn)火信號(hào)與CKP的同步關(guān)系，和2個(gè)或4個(gè)點(diǎn)火信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，當(dāng)尋找到點(diǎn)火信號(hào)與CKP同步的起始點(diǎn)后，根據(jù)輸入的PIP_IN信號(hào)，對(duì)各點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。每當(dāng)一個(gè)點(diǎn)火周期完成后，在下一個(gè)點(diǎn)火周期向ARM產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，進(jìn)入中斷處理程序，由ARM讀入對(duì)各點(diǎn)火信號(hào)的計(jì)數(shù)值，判斷點(diǎn)火信號(hào)的時(shí)序和周期，并設(shè)置點(diǎn)火信號(hào)正常與否的標(biāo)志。

對(duì)ECU輸出的噴油信號(hào)監(jiān)測(cè)原理如圖6所示，將PIP_IN與ECU所輸出的噴油信號(hào)進(jìn)行比較，以判斷噴油信號(hào)的相位。相位的比較在CPLD中通過硬件編程完成，當(dāng)4個(gè)噴油信號(hào)中任何一個(gè)信號(hào)的下降沿到來時(shí)，CPLD都會(huì)檢測(cè)其它3個(gè)噴油信號(hào)的狀態(tài)，如果其它3個(gè)噴油信號(hào)的狀態(tài)正常，即給出噴油信號(hào)正常標(biāo)志，反之則給出噴油信號(hào)異常標(biāo)志。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊

不同型號(hào)的ECU產(chǎn)品采用不同的通信接口進(jìn)行通信，如CAN、KLINE、USB和Flex Ray等，因此必須考慮EDTS與ECU之間通信接口的通用性，以便于實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，因而得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。CAN總線為主要通信總線，兼有K-LINE、GPIB和RS485總線，靈活組成多個(gè)通信子網(wǎng)，以滿足多模塊的測(cè)試要求［3］。上位機(jī)采用CAN通信卡PCI9840作為系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的通信接口，下位機(jī)采用 ARM芯片LPC2294自帶的4路CAN控制器作為CAN節(jié)點(diǎn)通信控制器［7］，并增加CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與總線的通信。系統(tǒng)采用多層CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，CAN通信網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)CAN子網(wǎng)(CAN0、CAN1、CAN2)組成。下位機(jī)通過CAN1和CAN2子網(wǎng)分別與被測(cè)ECU模塊和狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行通信，并組成一個(gè)ECU測(cè)試單元;上位機(jī)則通過CAN0與各個(gè)下位機(jī)進(jìn)行通信，并將各個(gè)測(cè)試單元集成起來。系統(tǒng)CAN通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.4 電源電壓控制模塊

上位機(jī)測(cè)試管理軟件(EDE)通過控制GPIB通信卡Contec GPIB(PCL)F對(duì)Agilent大功率電源設(shè)備進(jìn)行參數(shù)控制，接收電源的響應(yīng)消息以實(shí)現(xiàn)按一定規(guī)律變化的電壓曲線，根據(jù)ECU測(cè)試規(guī)范將該電壓曲線施加于被測(cè)ECU，加快ECU老化，提前暴露ECU的內(nèi)部故障。

電源電壓控制模塊主要處理過程有GPIB通信卡的啟動(dòng)、電壓控制命令的發(fā)送和控制電源響應(yīng)消息的接收，其流程圖如圖8所示。

2.5 環(huán)境試驗(yàn)箱控制模塊

EDE通過控制485通信卡向環(huán)境試驗(yàn)箱發(fā)送溫濕度設(shè)定命令，給ECU提供環(huán)境條件，其中濕度為一定值，溫度按一定的規(guī)律循環(huán)變化，同時(shí)監(jiān)控環(huán)境箱的運(yùn)行狀態(tài)，在環(huán)境箱出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)報(bào)告。本模塊的主要處理流程有環(huán)境箱啟動(dòng)流程、環(huán)境箱溫濕度設(shè)定流程和環(huán)境箱響應(yīng)消息處理流程。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在ECU樣品中任取n個(gè)進(jìn)行雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行到事先規(guī)定時(shí)間t0時(shí)刻停止，記錄ECU樣品失效的個(gè)數(shù)和時(shí)間，然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)平均壽命MTTF進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)。在［0，t0］時(shí)間內(nèi)n個(gè)參加試驗(yàn)樣品的總時(shí)間為［14］

式中:r為ECU樣品的失效個(gè)數(shù);t0為試驗(yàn)時(shí)間;n為參加試驗(yàn)樣品個(gè)數(shù);ti為每個(gè)失效ECU樣品失效前的工作時(shí)間。

由于壽命服從指數(shù)分布，則可求得ECU樣品的平均壽命MTTF的極大似然點(diǎn)估計(jì)為

然后對(duì)平均壽命MTTF進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，由于2T*/θ服從自由度為2r的χ2分布，則置信度為1－α的置信下限為

在某型號(hào)ECU中，任取20個(gè)樣品進(jìn)行ECU環(huán)境耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間t0為240h(10天)。所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第一次ECU環(huán)境耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及式(6)和式(7)計(jì)算得到該批ECU樣品的平均壽命MTTF的極大似然點(diǎn)估計(jì)為θ^ =1 180h，置信水平為0.9的單側(cè)置信下限為θL= 706h。基于以上分析可知，該批ECU可靠性水平較低，分析失效原因，在ECU電路設(shè)計(jì)方面存在問題，原設(shè)計(jì)中采用的曲軸位置傳感器(CPS)信號(hào)是單端輸入，抗干擾性能較差，故對(duì)CPS信號(hào)處理電路進(jìn)行改進(jìn)，將單端信號(hào)改為差分信號(hào)，提高其抗干擾能力，有效抑制電磁干擾(EMI);部分失效ECU樣品內(nèi)部點(diǎn)火電路被燒毀，原因是點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生高溫所致，對(duì)其增加泄放二極管，以釋放一部分點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生的能量;部分失效ECU的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)燒壞，原因是IGBT為不合格產(chǎn)品，更換IGBT后問題解決。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后，按照新設(shè)計(jì)重新制作一批ECU樣品，然后從該批ECU樣品中任取20個(gè)，按照相同的工況進(jìn)行第二次ECU環(huán)境耐久性試驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。

表2 第二次ECU環(huán)境耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

同樣根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算得到該批ECU樣品平均壽命MTTF的極大似然點(diǎn)估計(jì)為θ^=4 752h，置信水平為0.9的單側(cè)置信下限為θL=2 064h。表3為兩次試驗(yàn)后所得的該型ECU平均壽命MTTF的點(diǎn)估計(jì)值及區(qū)間估計(jì)值。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過EDTS系統(tǒng)測(cè)試的ECU產(chǎn)品，其平均壽命MTTF得到較大幅度的增長(zhǎng)，環(huán)境耐久性和可靠性等水平都得到顯著提高［15］。

表3 兩次試驗(yàn)后ECU的MTTF估計(jì)值

4 結(jié)論

根據(jù)電子產(chǎn)品可靠性測(cè)試?yán)碚摚贫ǖ钠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)ECU環(huán)境耐久性測(cè)試規(guī)范切實(shí)可行。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供仿真環(huán)境，進(jìn)行在線環(huán)境耐久性試驗(yàn)。該測(cè)試系統(tǒng)能夠最大限度地激發(fā)ECU內(nèi)部缺陷，定位故障部位，縮短試驗(yàn)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

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