基于ARM Cortex-M3的汽车摇窗电机综合性能测试系统

包佳东，韩 强

（东华大学 机械工程学院，上海 201620）

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，我国机动车的数量也在逐年递增，并且汽车上较普遍地采用了电动摇窗系统，以实现摇窗玻璃的电动升降，提高汽车的舒适性、方便性和安全性。故此作为电动车窗升降器核心的摇窗电机，其市场需求量也越来越大。电动车窗升降器的好坏很大程度上取决于摇窗电机的性能，因此摇窗电机的性能测试必不可缺。

摇窗电机是一种涡轮蜗杆减速直流电机，需测试的性能繁多，其中有机械特性、起动性能、齿间隙、自锁性能、反向起动、转速同步性、耐久性等。为了实现高效、便捷的自动化测试，在此提出了一种摇窗电机性能测控方案。该测试系统能够满足摇窗电机多项性能测试，具有一定的工业应用价值。

1 系统组成及工作原理

1.1 主要技术指标

—摇窗电机电流为0～30 A，精度误差为±0.2%FS（full scale，满量程）；

—摇窗电机供电电压为0～30 V，精度误差为±0.3%FS；

—旋转角度的精度误差为±0.02%FS；

—摇窗电机转速为0～200 r/min；精度误差为±0.25%FS；

—负载转矩为-20～20N·m，精度误差为±0.2%FS。

1.2 系统组成

摇窗电机性能测试系统需要检测电机的多项性能，系统组成如图1所示，由PC，恒温箱、嵌入式测控单元、摇窗电机电源、摇窗电机、各类传感器、负载、负载驱动器、正反转控制模块等组成。如实现多台摇窗电机的耐久测试，则需在CAN总线和RS485并联相同的设备过程。

测试过程中，需要检测电流、电压、角度、转速、转矩，图中各类传感器主要包括霍尔电流传感器、绝对式光电编码器、扭矩传感器、霍尔非接触式开关。

PC通过RS232或者RS485实现对摇窗电机供电电源（单台用 RS232，多台用 RS485），用 RS485对恒温箱温湿度进行读写。摇窗电机采用AN50400SV1型号电源，其输出电压为0～35 V，电流为0～50 A，具有最大4 V的引线压降补偿。因为正常摇窗电机在12 V供电下，堵转最大电流为20～30 A，线损电压非常严重，会明显影响摇窗电机的测试情况。

对比磁粉离合器在空载的测试中会产生过大的空载力矩，而且在摇窗电机齿间隙和自锁测试中，需要把负载切换成主动驱动电机来使用。为避免机械装置的拆卸，负载采用力矩电机，其具有低速运行特性稳定，反应速度快，线性度好等优点[1]。

在测试过程中，需要对电机正反转进行测试。由于正反转切换频繁，为保证正反切换寿命，采用了LSD-50P75FID2型全隔离直流电机正反转控制模块，其使用寿命长，导通压降小，有短路和过载保护功能，能很好保证测试需求。

2 硬件设计

2.1 嵌入式测控板总体设计

嵌入式测控板的主要功能是对各类传感器进行数据采集，对负载驱动器和正反转控制模块控制以及信息通讯。其设计思路如图2所示。

图2 嵌入式结构控制框图Fig.2 Embedded structure control block diagram

测控板以STM32F103ZET6作为主控芯片，分别由A/D模块、DI模块、DO模块、SSI采集模块、RS232和CAN通讯模块、高速计数模块组成。

2.2 DO/DI模块

DO模块用于控制正反转控制模块的信号通断，实现对摇窗电机正反转的隔离控制；DI模块用来接受固定位置的霍尔行程开关信号。其模块电路如图3所示。

图3 DO/DI模块电路Fig.3 DO/DI module circuit

因MCU的I/O端口的驱动能力不够，一般需要光耦合器来实现电气隔离和功率放大[2]。其中，为了保护主控芯片，在DO模块与MCU接入74HC245芯片，不仅添加了缓冲器，又可增强MCU引脚的驱动能力。DI模块与MCU用2个74HC14施密特触发器连接，其不仅作为电平转换单元，亦能起到防抖滤波的作用。

2.3 电流/电压检测

为了保证A/D转换的精度，模拟信号在送至A/D转换之前，需要进行适当的信号调理，其中采用运算放大器，以提高电路的输入阻抗能力。电流信号采集采用TBC25D的霍尔电流传感器，该元件具有线性好，精准度高，不损耗被测电路能量，频带宽，可以测直流、交流脉冲电流等一系列优点[3]，其电路如图4所示。

图4 电流采集及信号调理Fig.4 Current acquisition and signal conditioning circuit

为保证的检测电路的高分辨，A/D转化电路选用通道同步采样芯片MAX125作为A/D转换芯片。MAX125是2×4通道14位同步采样转换芯片，每个通道转换时间仅为3 μs，可实现2×4通道同时采样。单通道工作时采样速率可达250 kS/s（千次采样每秒），双通道工作时采样速率可达142 kS/s，三通道工作时同步采样速率可达100 kS/s，四通道工作时同步采样速率可达76 kS/s[4-5]。

2.4 高速计数模块

扭矩检测由型号为JN338-20AE的智能数字式转矩转速传感器。该扭矩检测的原理是采用应变电测原理，当应变轴受扭力影响产生微小变形后，粘贴在应变轴上的应变片阻值发生相应变化，将具有相同应变特性的应变片组成测量电桥，应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化[6]。

由于扭矩传感器的扭矩信号是周期性幅值为±5 V方波，测得的扭矩与方波频率存在正比关系，其中随着扭矩正向增大，其脉冲频率会变大，而扭矩反向增大，脉冲频率会变小。由于脉冲频率的范围在（5～15）kHz。 在图 5 所示电路中，通过 6N137 高速光耦再经2个74HC14施密特触发器反相器对信号处理，然后传到MCU。

图5 高速计数电路Fig.5 High speed counter circuit

图6 SSI208P硬件连接Fig.6 SSI208P hardware connection

2.5 SSI模块

角度传感器采用AFS60A型18位绝对式编码器。MCU通过SSI208P并行接口模块与编码器，实现SSI高速通讯，如图6所示。其中，SSI208P接口转换模块将同步串行接口数据转换并行数据，其内部集成SSI同步时钟发生器、脉冲计数器、数据串并转换、接口控制逻辑、输出控制以及收发驱动器（TTL-RS422电平转换）等功能单元，通过该模块将至多32位数据转化为4个8位并行数据[7]。

该模块D0—D7作为数据总线；START，END，CS，A0，A1 作为控制总线，其中以 A0，A1 的电平变化来选择高低的4组8位数据。

通过CLKMD1和CLKMD2外接电平进行通信速率配置，00 为 250kHz，01 为 500kHz，10 为1 MHz，11 为 2 MHz。

2.6 通讯模块

嵌入式测控板带有2个通讯模块，一个是RS232模块，另一个是CAN模块。其中，RS232模块主要用于对负载电机驱动器的通讯控制，CAN模块用于与PC进行通讯。其电路如图7所示。

由于在实际测试中，有些电机测试项目需要稳定的实时性，在保证CAN高速通信速率上，需要在CAN模块需要并联120 Ω的终端电阻来作为阻抗匹配，以减少回波反射[8]。

图7 RS232&CAN电路Fig.7 RS232&CAN circuit

3 软件设计

该测试系统采用模块化设计，由主程序、定时程序、AD采集子程序、输入捕获中断程序、SSI子程序、通讯子程序等组成。

程序设计在Keil uVision集成开发环境进行标准C语言开发。主程序包括对系统时钟配置、各个模块的初始化。主程序的主要内容是对于霍尔开关的信号采集，用来标记当引脚电平的下降沿，其他模块程序都写在中断服务程序中。该测试板的控制流程受PC的指令进行操作如图8所示。MCU根据接受CAN通讯数据进行判断，执行应用层协议中的功能操作，并进行消息反馈。

图8 测试板程序控制实现Fig.8 Test board program control implementation

通过该程序框架进行编写，易于在PC上进行二次开发，摇窗电机多项性能测试项目可以根据实际的需求进行程序流程控制。

4 试验结果

基于该测控板开发的上位机测试，由于摇窗电机其性能测试繁多，受篇幅所限，仅以机械特性和起动性能测试为例，性能显示界面如图9，10所示。

图9 摇窗电机机械特性显示界面Fig.9 Mechanical characteristic display interface of window lifter motor

图10 摇窗电机起动性能显示界面Fig.10 Starting performance display interface of window lifter motor

机械特性是指摇窗电机在固定电压下，随着外部负载扭矩增加下的转速和电流关系。起动性能是指上电瞬间的电机电流、转速需要到达稳定转动需要的时间。测试情况如图所示，可见该摇窗电机综合性能测试测试系统设计可行，并能满足摇窗电机生产过程中测试需求。

5 结语

所设计的摇窗电机性能测试系统，程序模块化，易在此基础上开发多变的测试流程，便于进行二次开发。通过PC与下位机的控制策略，能很好的保证摇窗电机的测试过程，提高了摇窗电机各类测试的效率。在实际运用中，能到达“一平台，多应用”的设计目标。应用软件采用模块化程序设计，降低了开发难度，由于一定意义上的通用性、可维护、模块化等特点。实际应用表明系统具有可靠性好、稳定性能好的特点。

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