ABS调节器检测仪的嵌入式系统设计*

王学影,王 欢,陆 艺,郭 斌,杨维和

(中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018)

ABS调节器检测仪的嵌入式系统设计*

王学影*,王 欢,陆 艺,郭 斌,杨维和

(中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018)

针对目前ABS调节器检测设备功耗高、成本高的问题,研制了一套基于嵌入式技术的ABS调节器的动态性能检测系统。该检测系统以ARM芯片Cortex-A9为控制核心;采用Linux操作系统作为应用程序的开发平台;使用软件Qt5.3.2实现了友好的人机交互;完成了对ABS调节器动态性能的测量。完成了对ABS调节器动态性能的测量。通过大量的试验得出该检测系统的各单项性能测量能力指标Cg为1.7～8.3。测量结果均大于1.67,符合JB/T10633—2006中对新设备的验收要求。采用嵌入式系统,减少了检测设备的能耗,降低了成本。

嵌入式系统;调节器;检测;防抱死系统;Cortex-A9芯片

汽车防抱死系统(简称ABS)是汽车的重要组成部分,在制动过程中可以缩短汽车的制动距离,从而提高汽车的制动性能。ABS调节器是ABS的执行机构,它通过高速运动完成指定的动作来实现ABS的防抱死作用。目前,国外微型处理器和嵌入式技术的发展十分迅速,发达国家开展的电磁阀性能测试也步入了微型计算机和智能化的道路,在ABS调节器动态性能测试的研究上也处于世界领先水平。国内ABS调节器检测设备生产厂家的一般做法是采用电脑作为工控机,使用数据采集卡进行气压数据的采集[1]。整套检测设备体积大、功耗高、成本高。而嵌入式系统具有体积小、运算速度快、功耗低、可运行操作系统的特点,可以极大地降低检测设备的成本[2]。本文在对相关领域分析研究的基础上,设计了机电一体化、使用便利的嵌入式系统ABS调节器检测系统[3]。

1 系统设计

1.1 ABS调节器动态特性分析

根据QC/T 1006—2015《汽车防抱制动系统气压电磁调节器技术要求及台架试验方法》测试标准的要求,ABS调节器动态特性主要包括3个,分别是响应特性、调节特性以及残留特性。因此,对ABS调节器主要完成以下3项测试。

(1)响应特性测试

如图1所示,控制器控制被测ABS调节器升压、保压与降压,记录最后一次动作,并绘制被测阀的出气口压力―时间曲线。测量在升压过程中的响应时间(简称t1)和降压过程中的响应时间(简称t2);在压力增加过程中,升压起步的时候压力信号与电信号的延迟时间(简称t3),以及压力降低过程中,降压起步的时候压力信号与电信号的延迟时间(简称t4);测量0.2 MPa上升到0.5 MPa时压力上升速率(简称V1)与0.5 MPa下降到0.2 MPa时压力下降速率(简称V2)。

图1 响应特性测试参数

图2 调节特性测试参数

(2)调节特性测试

如图2所示,控制器控制被测ABS调节器完成指定动作,记录被测阀的出气口压力―时间曲线。测量其在完成12次阶梯增压动作的过程中第4个台阶处的压力值(简称p1),以及测量其在完成7次阶梯减压的过程中第2个和第3个台阶处的压力的差值(简称p2)、第6个和第7个台阶处的压力的差值(简称p3)。

(3)残留特性测试

控制器控制被测ABS调节器模拟制动过程的指定动作—7次阶梯减压(时间设定为500 ms),然后切断被测ABS调节器进气口前的压力源,进气口和排气口都不通电;测量ABS调节器30(可以根据实际情况自行设定)秒后出气口处的最低压力值(简称p4)。

1.2 ABS调节器检测系统设计

为了满足测试标准的要求,设计的ABS调节器检测系统必须具有以下功能:(1)能够完成对被测ABS调节器响应特性、调节特性和残留特性等动态性能的测试;(2)应用软件可以对采集系统采集到的数据进行自动的计算处理,并且能够显示测试曲线[4]。

以上对被测ABS调节器动态特性测试要求进行了系统的分析,现在提出以下对ABS调节器检测系统的技术要求:(1)测量气压范围:0～1.0 MPa;(2)气压测量精度:0.25%;(3)时间测量精度:0.1 ms;(4)时间控制精度:0.1 ms;(5)压力采样精度为±0.15%FS。

结合检测系统的功能需求及测试要求,搭建起嵌入式ABS调节器检测系统,如图3所示。

图3 系统设计图

工作原理如下:空气经过气源三联件、调压阀进入测试气路系统,进入系统后的干燥空气最终分为2路,一路用于控制气控阀,另一路用于ABS调节器控制口进气。控制器控制进气阀和排气阀通、断电,使被测ABS调节器完成升压、保压、降压等过程,进而完成响应特性、调节特性以及残留特性的测试。在测试过程中,气压很不稳定,有很大的波动性,储气罐起到了缓冲和储能的作用,使得气路中的空气稳定的输出。储气罐的后面接入气控阀,对进气和排气进行控制。根据测试要求,在ABS调节器的出气口处连接一个储气罐,传感器接收储气罐内的气压变化信号来间接反映ABS调节器动态特性[5-9]。通过输入控制和参数设置完成对整个ABS调节器测试系统的控制功能:处理器通过功率驱动模块完成对ABS调节器动作的控制,通过数据采集模块完成对气压传感器信号的采集,进而实现数据处理和图形显示的功能。

2 检测系统硬件设计

检测系统硬件主要由ARM处理器模块、A/D转换模块、电磁阀功率驱动模块、滤波电路、气压传感器、ABS调节器以及相应的气路等组成,检测系统硬件如图4所示。根据测试标准的要求,安装的气压传感器的量程0～1.0 MPa,精度可以达到0.1%FS。

图4 检测系统硬件图

检测系统硬件部分工作原理描述如下:由基于ARM的微处理器模块发送驱动控制指令到ABS调节器驱动模块,通过ABS调节器驱动模块控制被测ABS调节器的进气口和排气口动作,可以完成ABS调节器压力的升高、保持和降低的过程。在功率驱动模块控制被测ABS调节器动作的过程中,启动高速中断采集线程,气压传感器检测被测ABS调节器出口的压力,并通过滤波电路传送到A/D转换模块,经过数据采集模块处理后,传送至ARM处理器模块,ARM处理器模块对数据进行分析计算之后,最终在液晶显示屏上显示数据的实时曲线。

3 检测系统软件设计

微处理器是嵌入式系统最重要的部分,本文选用基于ARM结构的Cortex-A9的高性能处理器。基于成本、通用性和可扩展性的考虑,本文选择Linux操作系统。该系统是一个基于UNIX的操作系统,支持多用户、多任务、多线程并且开源。采用模块化的设计思想来设计嵌入式系统应用软件。测试软件完成的主要工作包括:对数据采集系统进行初始化设置;通过I/O口对ABS调节器进行控制;启动数据采集模块;对采集的数据进行处理分析;计算被测特性曲线特征点的值;以及接收用户测试参数、显示实时曲线[10-11]。

ABS调节器动态特性测试的具体检测流程,如图5所示。测试软件在完成初始化和参数设置后,依次判断是否要进行响应特性、调节特性和残留特性的检测,测试完毕后结束整个测试过程。检测系统将测试的数据绘制成曲线,对数据进行分析处理,方便ABS调节器的性能质量分析,为ABS调节器的质量改进提供一个依据。

图5 测试流程图

4 测试数据分析

为了验证该测试系统测量结果的可靠性,参照JB/T 10633—2006《专用检测设备评定方法指南》,采用测量系统分析(简称MSA)中的评定方法Ⅰ对系统性能进行评定[12]。利用所研制设备对威伯科ABS调节器的性能进行测试。在常温,800 kPa压力的测试条件下,对同一ABS调节器测试50次。分别测试其响应特性、调节特性和残留特性[13]。测试结果如图6～图8所示。其中,横轴表示试验次数,纵轴为在该次实验下各物理量的数值。

图6 800 kPa测试气压下ABS调节器响应特性测试结果

图7 800 kPa测试气压下ABS调节器调节特性测试结果

图8 800 kPa测试气压下ABS调节器残留特性测试结果

根据测得值Xi计算出平均值Xg,再由Xi和Xg计算标准偏差Sg,最后由公差T和Sg计算出测量能力指数Cg,Cg能反映整个测试过程中的随机误差影响。针对新系统的验收,要求其各项检测项目的测量能力指数Cg均大于1.67,方可评定该系统验收合格可投入生产检测。计算公式如下所示。

(1)

(2)

(3)

式中:Xi为单次测得数据;n为测量次数;T为合格公差。

选取ABS调节器测试件作为测试对象来完成对其动态性能的测试过程。表1～表3分别是其响应特性、调节特性和残留特性的单项计算结果。通过实验结果和ABS调节器测试标准相比较,发现标准件的测试结果在ABS调节器允许值范围之内。该测试系统能够完成正常的测试流程。然后分别计算其测量能力指数Cg。

表1 800 kPa测试气压下ABS调节器响应特性计算结果

表2 800 kPa测试气压下ABS调节器调节特性计算结果

表3 800 kPa测试气压下ABS调节器残留特性计算结果

由表1～表3计算结果可知,响应特性、调节特性和残留特性各测量项的测量能力指标Cg均大于1.67,符合JB/T 10633—2006规定的验收要求。因此,该检测设备具有良好的重复性,满足检测的需求。

5 结语

本文通过分析ABS调节器动态特性测试需求,设计了套基于嵌入式技术的ABS调节器动态性能检测系统。该检测系统的硬件以ARM芯片Cortex-A9为控制核心,软件采用嵌入式Linux操作系统作为应用程序的开发平台,使用了图形开发软件Qt5.3.2实现了友好的人机交互界面,完成了对ABS调节器动态性能的测量。通过大量的试验检测,ABS调节器动态性能测试系统的单项性能测量能力指标Cg均符合 JB/T10633—2006中对新设备的验收要求。采用嵌入式系统,使得ABS调节器检测设备的功耗降低,降低了生产成本,并使得操作简单方便。

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EmbeddedSystemDesignofABSRegulatorDetector*

WANGXueying*,WANGHuan,LUYi,GUOBin,YANGWeihe

(Institute of Precision Measurement and Control,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

In view of the problem that ABS regulator detection equipment volume is high power consumption,and high cost at present,a set of ABS regulator dynamic performance testing system based on embedded technology is developed. The system is designed in modular with the ARM chip architecture A9 as the core;Embedded Linux operation system is used as the software application development platform;The powerful graphical software Qt5.3.2 realizes friendly human-computer interaction environment. The dynamic performance of the ABS regulator is measured. Through a large number of experiments,it is concluded that the performance indexCgof this system is 1.7～8.3. The measurement results are thatCgis more than 1.67 meeting the new equipment requirements of JB/T10633—2006. The adoption of the embedded system reduces the power consumption of the ABS regulator detection equipment and the cost.

embedded system;regulator;detection;ABS;Cortex-A9 chip

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.043

项目来源:浙江省公益技术项目液压制动卡钳综合性能测试系统(2016c31G208002S);杭州市汽车零部件智能检测科技创新服务平台(20151433S01)

2016-09-15修改日期2017-01-04

TP206

A

1005-9490(2017)06-1556-05

王学影(1979-),女,黑龙江大庆人,中国计量大学副教授,硕士研究生导师,主要从事为光电检测技术、三坐标测量机技术方向的研究,7560731@qq.com;

王欢(1988-),男,河北沧州人,中国计量大学硕士,主要研究方向为嵌入式系统、汽车零部件检测,1530094596@qq.com。