基于西門子ET200SP的汽車測(cè)試臺(tái)電子油門仿真器

張兆輝

（西門子（中國(guó)）有限公司，北京 100102）

汽車行業(yè)做為制造業(yè)的標(biāo)桿，其科技含量、產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜度、安全要求和發(fā)展變化速度均處于較高水平［1］。相應(yīng)的，汽車行業(yè)也對(duì)測(cè)試提出了極高的需求。在進(jìn)行汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性測(cè)試時(shí)，測(cè)試臺(tái)需要?jiǎng)討B(tài)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)或者新能源汽車電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，這就需要測(cè)試臺(tái)具有高動(dòng)態(tài)性和高精度的電子油門仿真裝置以遂行測(cè)試需求。傳統(tǒng)進(jìn)口測(cè)試臺(tái)中，電子油門仿真器價(jià)格昂貴、備件周期長(zhǎng)，發(fā)生故障時(shí)，嚴(yán)重影響測(cè)試臺(tái)的可用性。本文深入分析測(cè)試臺(tái)對(duì)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(chuàng)建了高性價(jià)比的電子油門仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了良好的編程驗(yàn)證與應(yīng)用實(shí)施。

1 電子油門仿真器簡(jiǎn)介

在進(jìn)行汽車的動(dòng)力性測(cè)試時(shí)，會(huì)將動(dòng)力部件與電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行軸系互聯(lián)，為被測(cè)部件提供動(dòng)態(tài)的負(fù)載。以發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)為例，電力測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端通過聯(lián)軸器進(jìn)行連接。根據(jù)被測(cè)件的研發(fā)需求以及國(guó)家測(cè)試法規(guī)的要求，測(cè)試過程中，被試件的油門、轉(zhuǎn)速與扭矩需要按照特定的時(shí)間曲線工況進(jìn)行準(zhǔn)確控制。先進(jìn)的測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)通過變頻器的復(fù)雜控制實(shí)現(xiàn)電力測(cè)功機(jī)端的轉(zhuǎn)速與扭矩控制，而對(duì)于被試件的控制，則需要通過電子油門仿真系統(tǒng)來模擬實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU能夠接收的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)油門開度的控制［2-3］。圖1為某測(cè)試臺(tái)轉(zhuǎn)速扭矩閉環(huán)控制架構(gòu)。

圖1 某測(cè)試臺(tái)轉(zhuǎn)速扭矩閉環(huán)控制架構(gòu)

除對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)直接設(shè)定油門外，測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)還需要通過電子油門仿真器動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度以實(shí)現(xiàn)軸系上轉(zhuǎn)速或扭矩值的閉環(huán)控制。同時(shí)不同的被試件電子油門電氣信號(hào)與油門開度的定義規(guī)則不同，需要仿真器能夠進(jìn)行自定義調(diào)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(hào)輸出精度，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。通常要求精度指標(biāo)高于0.5%，分辨率大于12位。

2）高的動(dòng)態(tài)性能，以保證轉(zhuǎn)速扭矩閉環(huán)控制的精確性。通常要求從測(cè)試臺(tái)控制器發(fā)出油門開度設(shè)定至電信號(hào)輸出至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU時(shí)間延遲低于5ms。

3）信號(hào)的動(dòng)態(tài)配置。仿真器的電氣信號(hào)輸出可以在電壓信號(hào)、電流信號(hào)之間切換，可以進(jìn)行輸出信號(hào)與油門開度的線性標(biāo)定調(diào)整。

4）支持總線技術(shù)，這樣可以方便地集成于不同的測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)中，比如Profinet總線。

1.2 西門子電子油門仿真器

進(jìn)口測(cè)試臺(tái)中，通常選用西門子公司的PWG模塊（圖2）做為標(biāo)準(zhǔn)的電子油門信號(hào)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(shù)，可內(nèi)置多種電信號(hào)與油門開度的標(biāo)定曲線，亦有手動(dòng)操作桿可進(jìn)行手動(dòng)操作控制，技術(shù)先進(jìn)，功能豐富。然而該電子油門仿真器在國(guó)內(nèi)的實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)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(jià)格昂貴。

2）備件貨期長(zhǎng)。

3）功能冗余，實(shí)際項(xiàng)目中通常只會(huì)使用到一種總線技術(shù)，手動(dòng)操作功能通常沒有應(yīng)用。

4）需要專用軟件進(jìn)行參數(shù)配置，操作復(fù)雜，測(cè)試臺(tái)操作員通常不具備配置能力，需要國(guó)外測(cè)試臺(tái)廠家的工程師進(jìn)行配置，難以自行實(shí)現(xiàn)修改。

2 西門子ET200SP遠(yuǎn)程IO從站模塊介紹

可擴(kuò)展的西門子ET 200SP I/O系統(tǒng)是防護(hù)等級(jí)為IP20的高度靈活的模塊化I/O系統(tǒng)。通過具有PROFINET或PROFIBUS接口的接口模塊，它可以與更高級(jí)控制系統(tǒng)交換所連接I/O模塊的IO數(shù)據(jù)?；谖鏖T子在國(guó)內(nèi)自動(dòng)化控制市場(chǎng)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(jià)格低廉，性價(jià)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(shù)字量輸入模塊（DI）、數(shù)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(jī)直接起動(dòng)器（DS）、氣動(dòng)閥控制模塊，其中模擬量輸出模塊又可分為3類：標(biāo)準(zhǔn)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(jià)比考量，選用高性能版ET200SP模塊進(jìn)行電子油門仿真器的搭建。

3 系統(tǒng)的搭建與編程測(cè)試

3.1 硬件選型

ET200SP模塊的選型采用西門子提供的自動(dòng)化設(shè)備智能選型工具Selection Tool。該工具具有非常完善的向?qū)Чδ?，可以自?dòng)校驗(yàn)所選部件的兼容性，給出錯(cuò)誤提示，避免訂購(gòu)錯(cuò)誤；可以自動(dòng)添加必需的附件，避免漏訂；可以進(jìn)行工廠級(jí)別的自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合選型、24V供電校驗(yàn)、性能負(fù)荷計(jì)算等，是西門子免費(fèi)提供的一個(gè)非常優(yōu)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(gè)版本，本文采用離線版進(jìn)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(xiàng)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(gè)ET200SP高性能模擬量輸出模塊。每個(gè)模塊具有2個(gè)模擬量輸出通道，2個(gè)模塊總共具有4個(gè)輸出通道。

實(shí)際使用中，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制器或者新能源汽車的MCU電機(jī)控制器通常需要兩路模擬量輸入信號(hào)以做為油門開度的設(shè)定通道，兩路通道相互校驗(yàn)，針對(duì)油門開度，輸出電壓分別具有不同的比例系數(shù)和偏移值，需要單獨(dú)設(shè)定。

特別是針對(duì)新能源汽車，電機(jī)控制器除需要使用兩路模擬量設(shè)定做為驅(qū)動(dòng)扭矩的設(shè)定通道外，同時(shí)需要兩路模擬量通道檢測(cè)制動(dòng)踏板的踩踏深度，用以確定產(chǎn)生制動(dòng)扭矩反饋電能的控制。

仿真器中同時(shí)配置了ET200SP的Profinet高性能接口模塊，以使得測(cè)試臺(tái)主控系統(tǒng)可以通過Profinet總線來對(duì)電子油門仿真器進(jìn)行設(shè)定值設(shè)定和選項(xiàng)配置。IM155-6 PN HF模塊支持Profinet實(shí)時(shí)工業(yè)總線中的IRT等時(shí)同步控制，該種機(jī)制可以保證1ms的嚴(yán)格等時(shí)同步，對(duì)于測(cè)試臺(tái)這種對(duì)轉(zhuǎn)速扭矩精度具有極高控制要求的應(yīng)用是必須的。Profinet IRT網(wǎng)絡(luò)性能如圖5所示。

圖5 Profinet IRT網(wǎng)絡(luò)性能

在實(shí)際應(yīng)用中，項(xiàng)目選用西門子S7-1515SP系列軟件PLC做為測(cè)試臺(tái)的高性能轉(zhuǎn)速扭矩閉環(huán)控制器，故對(duì)該電子油門的搭建與編程測(cè)試也由該P(yáng)LC來進(jìn)行。同時(shí)配置了西門子ET200SP系列的模擬量采集模塊，用于采集驗(yàn)證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3.2 編程測(cè)試

本文采用TIA博圖軟件進(jìn)行編程，TIA博圖軟件是由西門子開發(fā)的為西門子全系列自動(dòng)化產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)和編程的統(tǒng)一平臺(tái)，目前已經(jīng)發(fā)展至V16版本，強(qiáng)大、成熟、穩(wěn)定、可靠。

3.2.1 編程測(cè)試實(shí)現(xiàn)的功能

編程測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）硬件組態(tài)，將ET200SP模塊集成至測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)中，以便進(jìn)行編程控制。

2）配置輸出通道的特性，允許在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)和設(shè)備運(yùn)行中變更輸出信號(hào)的種類：電壓或電流信號(hào)以及不同的輸出范圍。

3）實(shí)現(xiàn)油門開度至輸出電信號(hào)的標(biāo)定功能。

4）搭建模擬量信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換的程序模塊，用于對(duì)仿真器的輸出電信號(hào)進(jìn)行采集驗(yàn)證。

3.2.2 編寫軟件

根據(jù)前述分析編寫軟件。根據(jù)西門子PLC的編程規(guī)范，具體如下。

1）OB1：PLC的背景程序，持續(xù)循環(huán)運(yùn)行，沒有確定性的運(yùn)行周期。調(diào)用FC1。

2）OB61：PLC中的等時(shí)同步循環(huán)，與Profinet等時(shí)同步總線保持嚴(yán)格同步，具有準(zhǔn)確的等時(shí)同步運(yùn)行周期（此處為2ms），用以調(diào)用設(shè)定通道FC2和FC3。

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

4）FC2：FC_Normalization接收上級(jí)控制算法的油門開度設(shè)定值（0~100%），按照配置標(biāo)定轉(zhuǎn)換為西門子模擬量輸出模塊的標(biāo)準(zhǔn)線性轉(zhuǎn)換值（比如-27648~+27648對(duì)應(yīng)輸出范圍的正負(fù)最大值）。

5）FC3：FC_Input用于接收電子油門的輸出電壓信號(hào)，進(jìn)行輸出精確度和輸出響應(yīng)速度的測(cè)試。

程序采用類高級(jí)語言SCL語言進(jìn)行編程，部分代碼如圖6所示。

圖6 部分控制程序

3.3 測(cè)試結(jié)果與應(yīng)用實(shí)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(tǒng)，測(cè)試其設(shè)定通道的準(zhǔn)確性和快速性以及對(duì)于輸出電信號(hào)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(hào)采集，檢測(cè)其精確度和響應(yīng)快速性。

設(shè)定油門仿真器電信號(hào)通道類型為±10V信號(hào)，油門信號(hào)的標(biāo)定數(shù)據(jù)見表3。

表3 油門信號(hào)標(biāo)定規(guī)則

設(shè)定油門開度信號(hào)按照階躍信號(hào)變化，檢測(cè)接收到的實(shí)際輸出電壓信號(hào)，監(jiān)控其曲線，核算實(shí)際輸出的電信號(hào)準(zhǔn)確度。

根據(jù)公式計(jì)算，油門開度為50%時(shí)，兩路電信號(hào)分別為2.80V與1.40V，實(shí)際檢測(cè)電壓值為2.7998V與1.3996V，偏差小于等于0.04%，滿足實(shí)際使用需求和設(shè)計(jì)指標(biāo)。時(shí)間延遲約為2ms，滿足測(cè)試臺(tái)應(yīng)用閉環(huán)控制時(shí)的快速性。測(cè)試結(jié)果曲線如圖7所示。

圖7 測(cè)試結(jié)果曲線

實(shí)際項(xiàng)目中，該方案應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)知名汽車廠家的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成和新能源汽車動(dòng)力總成測(cè)試臺(tái)，均取得了良好的控制效果，為客戶所認(rèn)可。