重型汽車發(fā)動機自動化測試臺的設計

重型汽車發(fā)動機自動化測試臺的設計

引言

濰坊柴油機廠生產(chǎn)的斯太爾柴油機具有巨大的功率，是我國重型機械和大型貨車廣泛采用的主要動力機型之一。為了提高質(zhì)量，在出廠前對每一臺斯太爾柴油機進行嚴格的性能測試。根據(jù)《出廠檢驗規(guī)范》，主要測試每臺柴油機在一定工況(油門)下的溫度、壓力、功耗、轉(zhuǎn)速。以及在一定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距的情況下的功耗、溫度、壓力等指標。設計重型汽車發(fā)動機自動化測試臺，通過測試臺管理計算機形成操作菜單和測試表格，測試命令，傳送到各個單片機測控系統(tǒng)。測試的結(jié)果發(fā)送到管理計算機進行相應處理和顯示。機器出廠前，經(jīng)過自動化測試臺嚴格的測試，檢查是否滿足出廠檢驗規(guī)范的要求，滿足要求的柴油機可以試機后出廠，對不滿足要求的柴油機根據(jù)自動化測試臺測試數(shù)據(jù)寫出測試分析報告，返回車間進行整改，并對測試的每臺機器的形成技術(shù)檔案。

系統(tǒng)組成

柴油發(fā)動機自動化測試臺由管理計算機，CAN總線、溫度測控單片機系統(tǒng)、壓力測控單片機系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測控單片機系統(tǒng)、功耗測控單片機系統(tǒng)組成，如圖1。各種單片機測試系統(tǒng)硬件設計原則是，改變軟件控制方案或增加其它功能時，不必更換硬件或改動較??；運行穩(wěn)定可靠，具有較高的性能價格比；操作人員可以方便地調(diào)節(jié)各種參數(shù)。管理計算機裝配有PCI總線PCAN總線轉(zhuǎn)換卡。軟件由VB和Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和用戶操作界面。計算機仿真軟件采用SIMULINK軟件包。它是MATLAB軟件的擴展，可以建立起直觀的系統(tǒng)模型。這種系統(tǒng)模型可以用SIMULINK軟件包動態(tài)的建立和修改，并實時的通過VB和測試系統(tǒng)連接。這對于柴油發(fā)動機的試制和查找故障原因非常方便。



圖1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通過CAN總線轉(zhuǎn)送到各個單片機測控系統(tǒng)中。

CAN總線

允許CAN網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點作為主節(jié)點發(fā)送信息，任何節(jié)點均可在任何時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點，一點對多點和全局廣播方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。通信介質(zhì)采用120Ω雙絞線，通信速率可達到1Mbps，以幀為單位按優(yōu)先級高低傳送信息，適用于實時性要求比較高的場合。CAN總線驅(qū)動器用PCA82C250，采用差分發(fā)送、差分接收，PCA82C250有兩個信號輸出端CANH、CANL。CANH端的2個狀態(tài)是高電平和高阻態(tài)，CANL端的2個狀態(tài)是是低電平和高阻態(tài)。因而由它構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)，即使多個節(jié)點同時向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，也不會像RS485那樣發(fā)生短路現(xiàn)象。

溫度測控單片機系統(tǒng)
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溫度測控單片機系統(tǒng)如圖2。



圖2　溫度測控單片機系統(tǒng)

溫度傳感器采用鉑電阻，并進行溫度標定。模數(shù)傳感器采用12位APD傳感器AD678，它具有高速、適用于AC和DC信號特性的信號采集，該芯片內(nèi)部含有采樣P保持放大電路，與微處理器兼容的總線接口、參考電壓源及時鐘發(fā)生器。單片機采用P835C91VFA芯片，該芯片具有CAN控制器、CAN接收中斷、擴展的驗收濾波器、多主機結(jié)構(gòu)、信息識別碼(11位或29位)確定總線訪問優(yōu)先級。在CAN總線收發(fā)器PCA82C250和CAN控制器之間加入高速光耦6N137進行隔離，以提高抗干擾能力。

壓力測控單片機系統(tǒng)

壓力測控單片機系統(tǒng)與溫度測控單片機系統(tǒng)的硬件不同之處是使用的傳感器不同，壓力傳感器使用壓力應變片傳感器。

轉(zhuǎn)速測控單片機系統(tǒng)

目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展，轉(zhuǎn)速測控單片機系統(tǒng)采用飛利浦(Philips)公司生產(chǎn)的KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強。KMI15-1芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比，電流信號的變化幅度為7mA～14mA。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉(zhuǎn)速。KMI15-1器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是0～25kHz，而且即使在轉(zhuǎn)動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為2. 9mm(典型值)，由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾( EMI)濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。

KMI15-1的體積較小，其最大外形尺寸為8×6×21mm ，能可靠固定在齒輪附近。

KMI15采用+12V電源供電(典型值)，最高不超過16V。工作溫度范圍寬達-40～+85℃。

傳感器簡化電路如圖3所示。


圖3　傳感器簡化電路

從U2端輸出的電流信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。通過單片機計數(shù)即可測定轉(zhuǎn)速。

功耗測控單片機系統(tǒng)

功耗測控單片機系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)距傳感器采集的信號經(jīng)過處理和轉(zhuǎn)速經(jīng)過運算得到某工況下的功耗。各種單片機測試系統(tǒng)裝配的軟件不同。

PCI總線/CAN總線轉(zhuǎn)換卡

PCI總線/CAN總線轉(zhuǎn)換卡是基于PCI總線，集成了CAN通信協(xié)議的PC機智能板卡。內(nèi)置的V20CPU完成了PC機與CANBUS現(xiàn)場網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信，硬固化在適配器上的驅(qū)動程序固件完成數(shù)據(jù)的解包和打包。該板卡的PCI橋內(nèi)置16KB雙口SRAM，通過雙口RAM實現(xiàn)PC機與現(xiàn)場測控節(jié)點的雙向數(shù)據(jù)傳送。適配器與PC機最高傳輸速率132MBPS，可以充分滿足CAN網(wǎng)絡高實時性要求，通過該適配器可對工業(yè)現(xiàn)場具有CAN通信接口的儀表和設備進行監(jiān)控。該適配器無需配置，支持即插即用。驅(qū)動支持Win98/2000/xp，以DLL方式提供?？偩€隔離1000VDC。

功能要求

柴油發(fā)動機系統(tǒng)龐大，測試點多。自動化測試臺設置有多路溫度測控系統(tǒng)，多路壓力測控系統(tǒng)，根據(jù)《出廠檢驗規(guī)范》要求，柴油機的測試項目分為：啟動系性能測試，，供油系油壓測試，充電系性能測試，動力性能測試，異響性能測試。在某工況下，某些測控系統(tǒng)在控制軟件下運行，某些測控系統(tǒng)在測試軟件下運行。并進行數(shù)據(jù)交換。

管理主機把各種工況下的測控數(shù)據(jù)形成表格存入Access數(shù)據(jù)表，用VB形成功能菜單。

工況管理，增加、瀏覽、調(diào)整工況。常用工況已錄入計算機，日常只作少量調(diào)整即可。顯示、打印時以表格的形式顯示、打印數(shù)據(jù)，直觀方便。

參數(shù)管理，增加、瀏覽、調(diào)整參數(shù)。常用工況下的參數(shù)已錄入計算機，日常只作少量調(diào)整即可。顯示、打印時以表格的形式顯示、打印數(shù)據(jù)，直觀方便。參數(shù)調(diào)整通過SIMULINK軟件包實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模生成的PID參數(shù)，經(jīng)過DDE傳到VB形成各種數(shù)據(jù)傳到相應的單片機測控系統(tǒng)中。

測試任務管理：首先進行工況選擇，參數(shù)選擇，啟動測試。每臺機器測試完畢后，形成技術(shù)檔案，并可進行瀏覽打印。采用全中文界面，并配有詳細的幫助和提示信息。

自動化測試臺軟件實現(xiàn)

微機軟件實現(xiàn)

用VB編制各種菜單實現(xiàn)在各種工況下，各種參數(shù)的測試命令，各種工況下經(jīng)過測試得到的測試數(shù)據(jù)以表格的形式存入Access的數(shù)據(jù)庫的表中。用VB編制與各個單片機測試系統(tǒng)通信軟件。傳送的數(shù)據(jù)有工況號、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、軟件模型數(shù)據(jù)、精度。單片機測試系統(tǒng)軟件采用PID調(diào)節(jié)，PID參數(shù)的調(diào)整采用計算機仿真。既計算機采用數(shù)值解法求解差分方程的過程。采用這種技術(shù)修改PID參數(shù)，使系統(tǒng)接近實際情況。計算機仿真軟件采用SIMULINK軟件包是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。他實現(xiàn)了可視化建模，建立直觀的系統(tǒng)模型，并進行仿真；實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。建模形成的參數(shù)以數(shù)據(jù)的形式傳送到單片機測試系統(tǒng)中去。

在測試過程中對溫度、壓力、功耗、轉(zhuǎn)速等測試數(shù)據(jù)，形成測試過程記錄表，記錄機器編號、工況號、時間、軟件模型參量、精度要求。根據(jù)生產(chǎn)過程測試表對建立的軟件模型進行修改。根據(jù)測試過程記錄表形成每臺機器的測試技術(shù)檔案。

單片機測試系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

單片機測試系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送接收軟件，計算機仿真PID調(diào)節(jié)控制軟件，參數(shù)測試軟件，APD控制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取軟件。并根據(jù)實際控制過程記錄表對PID的調(diào)節(jié)值進行適當修改。

結(jié)論

設計的重型汽車發(fā)動機自動化測試臺，屬于校企橫向聯(lián)合項目。現(xiàn)生產(chǎn)3臺樣機正在試用階段，經(jīng)過使用，重型汽車發(fā)動機自動化測試臺能夠滿足設計要求。使柴油機的測試過程，測試結(jié)果準確可靠。完善的全中文界面和詳細的幫助使一線測試者易于學習和掌握操作過程。對經(jīng)過測試的每臺機器都建有測試檔案，它不僅對即將出廠的機器進行嚴格的把關(guān)，還對以后產(chǎn)品的使用與維修起到重要作用。