基于西門子ET200SP的汽車測試臺電子油門仿真器

張兆輝

（西門子（中國）有限公司，北京 100102）

汽車行業做為制造業的標桿，其科技含量、產業鏈復雜度、安全要求和發展變化速度均處于較高水平［1］。相應的，汽車行業也對測試提出了極高的需求。在進行汽車的動力性、經濟性測試時，測試臺需要動態地控制發動機或者新能源汽車電動機的動力輸出，這就需要測試臺具有高動態性和高精度的電子油門仿真裝置以遂行測試需求。傳統進口測試臺中，電子油門仿真器價格昂貴、備件周期長，發生故障時，嚴重影響測試臺的可用性。本文深入分析測試臺對電子油門的功能需求，基于西門子高性能的ET200SP分布式IO模塊，創建了高性價比的電子油門仿真系統，并進行了良好的編程驗證與應用實施。

1 電子油門仿真器簡介

在進行汽車的動力性測試時，會將動力部件與電力測功機進行軸系互聯，為被測部件提供動態的負載。以發動機測試臺為例，電力測功機與發動機的曲軸輸出端通過聯軸器進行連接。根據被測件的研發需求以及國家測試法規的要求，測試過程中，被試件的油門、轉速與扭矩需要按照特定的時間曲線工況進行準確控制。先進的測試臺控制系統通過變頻器的復雜控制實現電力測功機端的轉速與扭矩控制，而對于被試件的控制，則需要通過電子油門仿真系統來模擬實現發動機ECU能夠接收的電信號，實現油門開度的控制［2-3］。圖1為某測試臺轉速扭矩閉環控制架構。

圖1 某測試臺轉速扭矩閉環控制架構

除對發動機直接設定油門外，測試臺控制系統還需要通過電子油門仿真器動態地調整發動機的油門開度以實現軸系上轉速或扭矩值的閉環控制。同時不同的被試件電子油門電氣信號與油門開度的定義規則不同，需要仿真器能夠進行自定義調整適配。

1.1 電子油門需具備的功能

基于以上需求，電子油門需要具備以下功能。

1）高的電信號輸出精度，以保證測試數據的有效性。通常要求精度指標高于0.5%，分辨率大于12位。

2）高的動態性能，以保證轉速扭矩閉環控制的精確性。通常要求從測試臺控制器發出油門開度設定至電信號輸出至發動機ECU時間延遲低于5ms。

3）信號的動態配置。仿真器的電氣信號輸出可以在電壓信號、電流信號之間切換，可以進行輸出信號與油門開度的線性標定調整。

4）支持總線技術，這樣可以方便地集成于不同的測試臺控制系統中，比如Profinet總線。

1.2 西門子電子油門仿真器

進口測試臺中，通常選用西門子公司的PWG模塊（圖2）做為標準的電子油門信號仿真器。該仿真器支持Profinet、Profibus、CAN總線及串行總線等多種總線技術，可內置多種電信號與油門開度的標定曲線，亦有手動操作桿可進行手動操作控制，技術先進，功能豐富。然而該電子油門仿真器在國內的實際項目應用中，亦存在以下問題。

圖2 西門子PWG電子油門仿真器

1）備件價格昂貴。

2）備件貨期長。

3）功能冗余，實際項目中通常只會使用到一種總線技術，手動操作功能通常沒有應用。

4）需要專用軟件進行參數配置，操作復雜，測試臺操作員通常不具備配置能力，需要國外測試臺廠家的工程師進行配置，難以自行實現修改。

2 西門子ET200SP遠程IO從站模塊介紹

可擴展的西門子ET 200SP I/O系統是防護等級為IP20的高度靈活的模塊化I/O系統。通過具有PROFINET或PROFIBUS接口的接口模塊，它可以與更高級控制系統交換所連接I/O模塊的IO數據。基于西門子在國內自動化控制市場龐大的占有率，該模塊在各地代理商處均有備貨，貨期非常短，且價格低廉，性價比非常高。圖3為西門子ET200SP模塊。

圖3 西門子ET200SP模塊

ET 200SP提供了全面的I/O模塊（包括故障安全型）：數字量輸入模塊（DI）、數字量輸出模塊（DQ）、模擬量輸入模塊（AI）、模擬量輸出模塊（AQ）、工藝模塊（TM）、通信模塊（CM）、專用模塊、電機直接起動器（DS）、氣動閥控制模塊，其中模擬量輸出模塊又可分為3類：標準版、高性能版、高速版，詳見表1。

表1 ET200SP模擬量輸出模塊類型

綜合性能需求和性價比考量，選用高性能版ET200SP模塊進行電子油門仿真器的搭建。

3 系統的搭建與編程測試

3.1 硬件選型

ET200SP模塊的選型采用西門子提供的自動化設備智能選型工具Selection Tool。該工具具有非常完善的向導功能，可以自動校驗所選部件的兼容性，給出錯誤提示，避免訂購錯誤；可以自動添加必需的附件，避免漏訂；可以進行工廠級別的自動化系統的綜合選型、24V供電校驗、性能負荷計算等，是西門子免費提供的一個非常優秀的選型軟件。

圖4為Selection Tool選型軟件界面，該軟件具有離線版和在線版兩個版本，本文采用離線版進行了電子油門仿真器所用的ET200SP模塊的選型。如果想要快速上手使用，也可以通過以下鏈接訪問Selection Tool的在線版本：https：//mall.industry.siemens.com/spice/tstweb/#/Start/。

圖4 Selection Tool選型軟件界面

本項目中為電子油門仿真器選定的組成模塊見表2。

表2 電子油門仿真器硬件配置

基于上述分析的原因，仿真器包含2個ET200SP高性能模擬量輸出模塊。每個模塊具有2個模擬量輸出通道，2個模塊總共具有4個輸出通道。

實際使用中，發動機ECU控制器或者新能源汽車的MCU電機控制器通常需要兩路模擬量輸入信號以做為油門開度的設定通道，兩路通道相互校驗，針對油門開度，輸出電壓分別具有不同的比例系數和偏移值，需要單獨設定。

特別是針對新能源汽車，電機控制器除需要使用兩路模擬量設定做為驅動扭矩的設定通道外，同時需要兩路模擬量通道檢測制動踏板的踩踏深度，用以確定產生制動扭矩反饋電能的控制。

仿真器中同時配置了ET200SP的Profinet高性能接口模塊，以使得測試臺主控系統可以通過Profinet總線來對電子油門仿真器進行設定值設定和選項配置。IM155-6 PN HF模塊支持Profinet實時工業總線中的IRT等時同步控制，該種機制可以保證1ms的嚴格等時同步，對于測試臺這種對轉速扭矩精度具有極高控制要求的應用是必須的。Profinet IRT網絡性能如圖5所示。

圖5 Profinet IRT網絡性能

在實際應用中，項目選用西門子S7-1515SP系列軟件PLC做為測試臺的高性能轉速扭矩閉環控制器，故對該電子油門的搭建與編程測試也由該PLC來進行。同時配置了西門子ET200SP系列的模擬量采集模塊，用于采集驗證輸出信號的準確性和實時性。

3.2 編程測試

本文采用TIA博圖軟件進行編程，TIA博圖軟件是由西門子開發的為西門子全系列自動化產品進行組態和編程的統一平臺，目前已經發展至V16版本，強大、成熟、穩定、可靠。

3.2.1 編程測試實現的功能

編程測試主要實現以下功能。

1）硬件組態，將ET200SP模塊集成至測試臺控制系統中，以便進行編程控制。

2）配置輸出通道的特性，允許在設備啟動時和設備運行中變更輸出信號的種類：電壓或電流信號以及不同的輸出范圍。

3）實現油門開度至輸出電信號的標定功能。

4）搭建模擬量信號采集及轉換的程序模塊，用于對仿真器的輸出電信號進行采集驗證。

3.2.2 編寫軟件

根據前述分析編寫軟件。根據西門子PLC的編程規范，具體如下。

1）OB1：PLC的背景程序，持續循環運行，沒有確定性的運行周期。調用FC1。

2）OB61：PLC中的等時同步循環，與Profinet等時同步總線保持嚴格同步，具有準確的等時同步運行周期（此處為2ms），用以調用設定通道FC2和FC3。

3）FC1：FC_AO_Config，用于對模擬量輸出通道進行配置的封裝塊，允許用戶對模擬量通道的輸出類型進行配置。

4）FC2：FC_Normalization接收上級控制算法的油門開度設定值（0~100%），按照配置標定轉換為西門子模擬量輸出模塊的標準線性轉換值（比如-27648~+27648對應輸出范圍的正負最大值）。

5）FC3：FC_Input用于接收電子油門的輸出電壓信號，進行輸出精確度和輸出響應速度的測試。

程序采用類高級語言SCL語言進行編程，部分代碼如圖6所示。

圖6 部分控制程序

3.3 測試結果與應用實例

本文采用西門子1515SPPLC控制由ET200SP模塊組成的電子油門仿真系統，測試其設定通道的準確性和快速性以及對于輸出電信號的類型配置功能。通過ET200SP模擬量采集模塊將仿真器輸出的電信號采集，檢測其精確度和響應快速性。

設定油門仿真器電信號通道類型為±10V信號，油門信號的標定數據見表3。

表3 油門信號標定規則

設定油門開度信號按照階躍信號變化，檢測接收到的實際輸出電壓信號，監控其曲線，核算實際輸出的電信號準確度。

根據公式計算，油門開度為50%時，兩路電信號分別為2.80V與1.40V，實際檢測電壓值為2.7998V與1.3996V，偏差小于等于0.04%，滿足實際使用需求和設計指標。時間延遲約為2ms，滿足測試臺應用閉環控制時的快速性。測試結果曲線如圖7所示。

圖7 測試結果曲線

實際項目中，該方案應用于國內多個知名汽車廠家的傳統內燃機動力總成和新能源汽車動力總成測試臺，均取得了良好的控制效果，為客戶所認可。