一種汽車風(fēng)機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)

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(wàn)輛,2019年同比增長(zhǎng)9.5%,2020年受疫情影響增長(zhǎng)趨勢(shì)有所放緩,但據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示僅中國(guó)2020年新能源汽車銷量可突破116萬(wàn)輛[1]。全球新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展,也積極推動(dòng)著汽車零部件的不斷升級(jí)換代。在汽車電子成本下降、節(jié)能減排要求以及人們對(duì)汽車駕駛舒適性的追求提高等因素推動(dòng),以往只在奔馳、寶馬等傳統(tǒng)中高端車型上才應(yīng)用的汽車無(wú)刷風(fēng)機(jī)也開(kāi)始逐漸進(jìn)入中低端車型,并有望成為空調(diào)系統(tǒng)的基本配置。

無(wú)刷控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較早且較為廣泛,但在汽車領(lǐng)域卻是近幾年才逐漸呈上升趨勢(shì)。目前汽車風(fēng)機(jī)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器主要分為兩種:BLDC驅(qū)動(dòng)器和FOC驅(qū)動(dòng)器,其中FOC又稱之為矢量控制。基于矢量控制驅(qū)動(dòng)的汽車風(fēng)機(jī)因具有運(yùn)轉(zhuǎn)更平滑、風(fēng)噪小、效率更高等優(yōu)點(diǎn),正成為各汽車風(fēng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器廠家當(dāng)前的主要研發(fā)對(duì)象或主推產(chǎn)品。為了業(yè)內(nèi)同行間相互交流,共同學(xué)習(xí),共同助力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,本文將結(jié)合公司開(kāi)發(fā)的汽車風(fēng)機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)器在其生產(chǎn)過(guò)程中遇到的檢測(cè)設(shè)備問(wèn)題,介紹一種汽車風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)。該汽車風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)集成了程序裝載、參數(shù)標(biāo)定和復(fù)測(cè)篩選功能,一鍵式傻瓜操作,制作簡(jiǎn)單,具有良好的性價(jià)比,非常適合生產(chǎn)線批量使用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本檢測(cè)臺(tái)為機(jī)電一體化系統(tǒng),由機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置和電氣控制電路兩大部分組成,機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,其由工作臺(tái)架、測(cè)試工裝組成,具體為(1)主臺(tái)架、(2)測(cè)試區(qū)、(3)作業(yè)指導(dǎo)書區(qū)、(4)供電指示表、(5)HMI觸摸屏、(6)和(7)開(kāi)關(guān)、按鈕及指示燈、(8)照明燈管、(9)裝有電機(jī)裝置的測(cè)試工裝。

電氣控制電路則由控制器主機(jī)、HMI觸摸屏、直流電源箱、分流器和變送器、光電轉(zhuǎn)速計(jì)、負(fù)載風(fēng)機(jī)、大功率繼電器、開(kāi)關(guān)按鈕和指示燈等組成,安裝在主臺(tái)架內(nèi)部或面板上。控制器主機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)臺(tái)的在線標(biāo)定以及FCT測(cè)試功能的邏輯控制和計(jì)算操作。HMI選用威綸通的MT8102IE,與控制器主機(jī)通過(guò)RS485通信,完成檢測(cè)臺(tái)各參數(shù)的人工輸入設(shè)置和檢測(cè)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(cè)驅(qū)動(dòng)器和風(fēng)機(jī)工作提供主電源,在驅(qū)動(dòng)器和電源箱回路中串聯(lián)了一個(gè)75mV/50A的分流器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器工作電流,同時(shí)在風(fēng)機(jī)側(cè)面安裝了一個(gè)光電轉(zhuǎn)速計(jì)用于監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)外圍裝置檢測(cè)到的參數(shù)與被測(cè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部讀回的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,從而實(shí)現(xiàn)本自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)對(duì)被測(cè)驅(qū)動(dòng)器各項(xiàng)主要參數(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確性以及參數(shù)標(biāo)定的有效性[2]。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

本檢測(cè)臺(tái)除機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置外,主要由控制器主機(jī)及外圍電氣電路和上位機(jī)HMI軟件界面組成。

2.1 控制器主機(jī)及外圍電路

控制器主機(jī)及外圍電氣電路主要由基于STM32F103控制器開(kāi)發(fā)的控制器主機(jī)、用于FCT測(cè)試針床裝置自動(dòng)升降控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、FCT測(cè)試接口、用于向被測(cè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品下載Code的Bootloader接口、用于被測(cè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取和標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入的TTL通信接口、外部參數(shù)檢測(cè)電路、HMI通信接口電路、電源控制和報(bào)警電路組成,如圖2所示。

圖2 控制器主機(jī)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(cè)臺(tái)機(jī)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(jī)HMI采用的是威綸通的MT8102IE,其功能強(qiáng)大,且具有良好的穩(wěn)定性和人性化界面編輯特點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)功能需求,運(yùn)行主界面設(shè)計(jì)如圖3所示,主要分為主控板參數(shù)區(qū)、檢測(cè)臺(tái)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(guò)TTL通信接口從被測(cè)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部讀取的參數(shù),檢測(cè)臺(tái)參數(shù)為檢測(cè)臺(tái)自帶電路檢測(cè)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(cè)臺(tái)通過(guò)外置溫度探頭檢測(cè)環(huán)境溫度對(duì)主板的溫度傳感器NTC進(jìn)行校準(zhǔn)。故障顯示區(qū)可將故障點(diǎn)的具體數(shù)值顯示,便于工程人員后續(xù)產(chǎn)品返修時(shí)作分析用。狀態(tài)參數(shù)區(qū)則將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前檢測(cè)狀態(tài)以及當(dāng)前執(zhí)行到哪一步驟。如系統(tǒng)狀態(tài)框,將會(huì)根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)執(zhí)行的順序,依次顯示“程序裝載——靜態(tài)啟動(dòng)——上電校準(zhǔn)——功能復(fù)測(cè)——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(cè)臺(tái)主要使用流程為:測(cè)試時(shí),將待測(cè)汽車風(fēng)機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)器的PCBA電路板放置于測(cè)試工裝的針床上,按下啟動(dòng)測(cè)試按鈕后,測(cè)試工裝上的電機(jī)裝置開(kāi)始工作,自動(dòng)下壓板將PCBA電路板壓緊于測(cè)試工裝的探針上,通過(guò)探針來(lái)對(duì)PCBA電路板進(jìn)行上電檢測(cè),檢測(cè)無(wú)異常后,控制器主機(jī)通過(guò)Bootloader模式自動(dòng)向待測(cè)汽車風(fēng)機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)器裝載CODE。待CODE裝載完畢后,控制器主機(jī)將給驅(qū)動(dòng)器重新上電,并向其發(fā)送PWM調(diào)速信號(hào),驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到信號(hào)后啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)控制器主機(jī)一方面實(shí)時(shí)檢測(cè)主電源電壓、工作電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度等參數(shù),另一方面采用TTL接口與被測(cè)驅(qū)動(dòng)器通信,讀取其內(nèi)部測(cè)得的各參數(shù)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下數(shù)據(jù)的分析,控制器可及時(shí)有效的將不良品篩選出來(lái),同時(shí)對(duì)合格品自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定寫入以及復(fù)測(cè),本工作流程可一鍵式自動(dòng)完成。同時(shí)考慮到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的首件檢和設(shè)備維修方便,本自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)還設(shè)置了手動(dòng)操作功能,在圖1的(7)處安裝了一個(gè)檔位開(kāi)關(guān),用于自動(dòng)/手動(dòng)切換。手動(dòng)操作模式下,需人工每按一次啟動(dòng)按鈕,才執(zhí)行上述流程的一個(gè)步驟。

2.4 標(biāo)定及復(fù)測(cè)

相對(duì)于傳統(tǒng)的有刷風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,無(wú)刷風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器基本上采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu),直接將PCBA卡在風(fēng)機(jī)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(shí)風(fēng)機(jī)的線圈電感量、反電動(dòng)勢(shì)、摩擦系數(shù)等對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能和穩(wěn)定性都有影響,加上驅(qū)動(dòng)器自身電路元件帶來(lái)的誤差,為保證驅(qū)動(dòng)器的最佳控制性能和驅(qū)動(dòng)效率,必須對(duì)每塊驅(qū)動(dòng)器控制板做出廠前標(biāo)定。

本方案采用檢測(cè)臺(tái)外部檢測(cè)參數(shù)為參考,與從驅(qū)動(dòng)板內(nèi)部讀取到的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算生成對(duì)應(yīng)的系數(shù),通過(guò)TTL接口寫入驅(qū)動(dòng)板。驅(qū)動(dòng)板上的MCU將系數(shù)存入flash,待下次上電后讀取數(shù)據(jù),對(duì)各主要參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整輸出,至此標(biāo)定操作結(jié)束。若在對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者參數(shù)明顯偏差較大,則檢測(cè)臺(tái)將自動(dòng)提出異常報(bào)警,并顯示異常代碼,方便工人進(jìn)行質(zhì)量異常分類統(tǒng)計(jì)和產(chǎn)品返修。檢測(cè)臺(tái)控制器主機(jī)與驅(qū)動(dòng)板的TTL通信協(xié)議采用MODBUSRTU協(xié)議,與上位機(jī)通信協(xié)議一致,其優(yōu)點(diǎn)在于工程技術(shù)人員在脫離檢測(cè)臺(tái)的情況下,仍舊可以采用USB轉(zhuǎn)TTL數(shù)據(jù)線在PC機(jī)端直接讀寫驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部數(shù)據(jù),同時(shí)滿足了研發(fā)和工程量產(chǎn)階段的需求。

經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的驅(qū)動(dòng)器控制板,需采用與實(shí)際使用一致的匹配風(fēng)機(jī)負(fù)載進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)全程運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試,并設(shè)置啟動(dòng)、中速、高速三個(gè)基本測(cè)試點(diǎn)或更多測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀察比對(duì),確認(rèn)驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)性能符合產(chǎn)品要求,同時(shí)也是對(duì)標(biāo)定的效果進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)筆者實(shí)際測(cè)試,采用1個(gè)靜態(tài)點(diǎn)和3個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試點(diǎn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行標(biāo)定和復(fù)測(cè),已基本能滿足要求。

在整個(gè)標(biāo)定與復(fù)測(cè)過(guò)程中,需要注意的是,標(biāo)定結(jié)束后必須對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行重上電操作,確保標(biāo)定系數(shù)已順利寫入flash,同時(shí)在斷電前應(yīng)根據(jù)待寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)預(yù)留適當(dāng)延時(shí)時(shí)間,確保數(shù)據(jù)鏈的完整性。另外在傳統(tǒng)的檢測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)中,多采用單一對(duì)象形式標(biāo)定,即參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為固定值,產(chǎn)品根據(jù)固定參考值對(duì)內(nèi)部自身檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正標(biāo)定,優(yōu)點(diǎn)為標(biāo)定功能代碼量小、無(wú)需外部配合,操作簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)定形式,則對(duì)產(chǎn)品的型號(hào)更換、負(fù)載變化等都具有良好的適應(yīng)性,且在外部檢測(cè)精度可保證情況下,通過(guò)兩組參數(shù)的對(duì)比,可通過(guò)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(dòng)器一定的內(nèi)存空間和運(yùn)行時(shí)間,在驅(qū)動(dòng)器MCU選型時(shí)應(yīng)考慮內(nèi)存空間和時(shí)鐘頻率。因標(biāo)定功能只需在出廠前使用,在正常運(yùn)行工作時(shí),該功能可以通過(guò)使能位禁止,從而避免占用運(yùn)行時(shí)間以及不必要的干擾風(fēng)險(xiǎn),故通過(guò)適當(dāng)?shù)拇a優(yōu)化,對(duì)采用目前主流MCU開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)際并無(wú)太大影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本檢測(cè)臺(tái)在對(duì)汽車風(fēng)機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功能檢測(cè)和標(biāo)定操作時(shí),具有測(cè)試精準(zhǔn)度高,速度快等優(yōu)點(diǎn);避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方式下,人工插拔產(chǎn)品接口引發(fā)的觸點(diǎn)打火、接觸不良、以及劃傷產(chǎn)品等缺陷。同時(shí)還考慮實(shí)際應(yīng)用方便和效率提升需要,在檢測(cè)功能的基礎(chǔ)上增加了驅(qū)動(dòng)器程序自動(dòng)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(shè)計(jì)的檢測(cè)臺(tái)目前已成功投入到汽車風(fēng)機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)線中使用,經(jīng)過(guò)近半年多的驗(yàn)證和不斷完善,具備了產(chǎn)品在線程序?qū)搿?biāo)定以及FCT測(cè)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。