电驱动控制器耐久性激活测试系统浅析

喻建军　李辰　任勇　陈伟鹏　韩涛

摘 要：本文较为详细的介绍了“电驱动控制器耐久性激活”测试系统的解决方案。该测试系统通过PLC控制电驱动控制器的多种高/低电压信号有序接通/断开，同时PLC与电驱动控制器通过CAN报文进行数据交互。由此提供一个闭环控制、高性价比的“耐久性激活”测试系统的新思路。

关键词：电驱动控制器 PLC CAN

1 前言

随着国产新能源汽车井喷式发展，新能源汽车产业迭代升级正在高速迈进。作为新能源汽车“心脏”——电驱动总成，其性能永远是业界关注的焦点。而电驱动总成的“大脑”——电驱动控制器，则是电驱动总成成败的关键。优秀的电驱动控制器理论设计需要实践测试来验证评估。本文将对电驱动控制器关键性能指标之一 ——“耐久性激活”测试的闭环检测系统进行浅析，为该类型测试提供一种新思路和解决方案。如图1所示。

2 耐久性激活测试系统功能简介

“耐久性激活”测试系统，主要包含：低压控制模块、CAN报文监控模块、高压直流控制模块、预充/主动放电模块、模拟旋变信号模块五部分。该系统的测试原理：通过PLC编程，周期性“通&断”电驱动控制器的各种高、低压信号，并且同时PLC控制闭环步进系统模拟电驱动的旋转变压器旋转，从而激发电驱动总成的旋变信号。PLC通过第三方通信厂家的“TCP-CAN”模块监测电驱控制器反馈的CAN报文信息并记录，并针对电驱动总成突发的错误或故障及时采取应对举措，形成闭环控制。由此实现更加安全、高效、低成本的测试模式，如图2所示。

3 模拟旋变信号模块进行转速模拟

模拟旋变信号模块作为“耐久性激活”测试系统中主要的机械结构，且长期连续运行，其可靠性和效费比显得尤其重要。该模拟旋变信号模块已经由传统设计模式水平轴“一个电机对一个旋变”结构，变更为垂直向下方向双轴承定位的“一个电机对多个旋变”结构。在兼顾了转速和扭矩满足测试需求的前提下，大幅提升可靠性和效费比。该模块可同时安装4个旋转变压器，连接4台电驱动控制器测试。同时该模块在外框架结构四周加装克力材质的透明挡板，既能便于观察旋转变压器的运行状态，又能防止在高速旋转过程中有异物飞出伤人。

亚克力板上安装有接线端子，便于引出旋变线束，读取旋变信号，如图3所示。该接线端子为螺丝压紧结构，接线灵活、便捷。模拟旋变信号模块主体使用电木材料，刚性、强度满足技术要求，且绝缘性良好。目前大多数模拟旋变信号模块驱动源选用的是直流无刷电机、开环步进电机或者交流伺服电机，用其模拟电驱动带动旋变转子高速旋转。但是直流无刷电机调速不精确，转速波动较大。开环步进电机最高转速通常只能达到600rpm，转速较低，且长时间高转速运行时容易出现过热发生故障。伺服电机转速可精确控制，额定工作转速较高，但其价格昂贵，在此应用场景中性价比很低。反观“闭环步进系统”，即闭环步进电机+闭环步进驱动器，既能实现较高运行转速（高速可达2000rpm），也能较为精确的控制和反馈转速。并且在长时间高转速运行条件下，机体发热情况良好，且噪音低、振动小，性价比较高。PLC通过脉冲指令能轻易控制“闭环步进系统”。因此“闭环步进系统”是此应用场景下的不二之选。

4 PLC实现CAN报文数据收发

当前在汽车电驱动控制器监测领域，普遍使用PCAN或CANOE等开发硬件工具配合配套专用上位机软件，用于监测和录取电驱动控制器发出的CAN报文。但PCAN或CANOE自身无对外扩展的I/O功能，且通常只能实现1个PCAN或CANOE与1台被测样机通信。如果监测过程中需要进行外部I/O扩展及多通道CAN报文同时监测，则需定制专用的带有I/O扩展功能的CAN通信板卡，此类型板卡设计采购费用动辄过万。

PLC作为工业生产的逻辑控制基础单元，具有强大的I/O控制、模拟量监测、多种模式通信能力。尤其在通信模式上，PLC正变得越来越丰富，例如TCP/IP、RS485、Modbus、Profinet等。通常一线品牌厂家（例如西门子、三菱等）的低端PLC不具备CAN报文的收发能力。而这些厂家的PLC产品中，只有中、高端PLC在配置自家生产的专用CAN通信模块才能实现CAN报文的收发，而配置该类型CAN收发模块也需花费数千。

目前PLC在汽车整车及零部件检测领域得到广泛的应用。尤其在数据通信方式上PLC正在呈多样化和相互交融的趋势。当前众多第三方通信协议科研厂家为了降低工控自动化领域的工程项目中各种通信协议间的转化成本，陆续开发出了各种通信协议之间进行转换的成品模块，例如TCP与CAN转换、Modbus与CAN转换、RS485与TCP转换等。通过选择第三方厂家提供的“TCP-CAN通信协议转换”模块，可将电驱动控制器发送出的报文从CAN2.0B协议转化为TCP/IP协议，而PLC与第三方模块的硬件连接通常只需要一根普通的成品网线，被测样机连接到第三方模块也仅需要一根两芯屏蔽双绞线。西门子、三菱等品牌的低端PLC编程软件也带有“TCP/IP协议收/发指令”。例如使用西门子S7-200SMART PLC，在其编程软件中首先通过调用“TCP_CONNECT”模块，将第三方通信转换模块视为服务器，使用TCP_client客户端模式让PLC主动访问第三方通信转换模块。在“TCP_CONNECT”中设置好第三方通信转换模块的IP地址、RemPort端口以及ConnID，并一直“使能”和“激活”。再使用“TCP_RECV”模块，指定接受字节长度和存储区起始地址。通过软件编程比对“帧ID”是否与所需一致，就能使PLC接收到指定“帧ID”处13个字节长度的报文，如图4所示。

最后结合被测电驱动总成的“通信矩阵表”释义和所接收到指定的“帧ID”报文，使用PLC编程软件中的字“与逻辑运算”和字“右移位运算”指令，便可以提取到所需的特定长度的“字节”或“位”信息，从而实现解析报文内容的目的，如图5所示。最后将解析完成的报文中有用的数据信息从16进制数转换为10进数，便于后续PLC进行I/O逻辑控制、数据阈值的判断。

通常“TCP-CAN通信模块”至少有2通道，可实现2台被测样机的CAN报文同时监测。如果再结合多LAN口的工业交换机一并使用，通过设置不同的IP地址，则可以大幅度的拓展CAN通道（理论上最多255个通道），实现更多的被测样机同时域监测，如图6所示。最后在PLC软件编程中设置好相应的各项参数（诸如电驱动“电流”、“电压”、“故障等级”、“故障代码”等）的阈值，并编写应对不同“状态值”的处置措施，诸如通/断低压直流或高压直流继电器、增/减闭环步进电机的转速等。从而实现了对电驱动总成 “耐久性激活测试”的闭环监测功能。

5 耐久性激活测试系统的待改进方向

由于PLC在与第三方“TCP-CAN”转换模块进行通信协议转换过程中需要处理大量的数据；电驱动控制器根据数据重要性差异使用不同的发送周期发送报文；以及PLC自身扫描周期等3方面的主要原因，在实际运用过程中监测数据会产生一定程度的延时，其实时性仍待提高。同时随着CAN通信对数据传输带宽要求的增加，传统的CAN总线由于带宽的限制难以满足这种增加的需求。于是BOSCH公司推出了CAN FD。CAN FD总线弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约。但是目前绝大多数第三方“TCP-CAN”模块仅支持CAN2.0B与TCP之间的转化，少有支持CAN FD与TCP的转换模块。后续第三方通信科研厂家需加快进度，尽快推出工业级的“CAN FD-TCP”转换模块，以满足行业需求。

6 结束语

伴随着工业通信领域技术的飞速发展，众多的通信方式正在被应用到汽车检测领域，以便于更大程度的提高生产、协作效率。而基于工业以太网（RJ45網口）的通信协议更是在飞速的发展，被应用于工业制造生产、检测监控等行业。希望仅借此文能为新能源汽车的控制器研发、测试领域提供更多可供选择的新思路和途径。

参考文献：

[1]深入浅出 西门子S7-200 SMART PLC（第2版） 北京：航空航天大学出版社 2018.8．

[2]刘春晖. 汽车车载网络技术详解（第3版）北京：机械工业出版社 2019.6．

[3]陈树学. Labview宝典（第2版）  北京： 电子工业出版社2017.9．