CN102156459B - 一种整车控制器模拟负载装置 - Google Patents

Abstract

一种整车控制器模拟负载装置，包括：电源系统电路，为整车控制器、转速测量模块负载电路、开关量输入模块负载电路、低端开关输出模块负载电路和高端开关输出模块负载电路供电；电机控制模块负载电路，接收整车控制器的PWM信号驱动电机转动；转速测量模块负载电路，测量电机控制模块负载电路中电机的转速，并反馈给整车控制器；开关量输入模块负载电路，为整车控制器提供功能判断所需的高低电平；模拟量输入模块负载电路，为整车控制器提供模拟信号输入；低端开关输出模块负载电路和高端开关输出模块负载电路，接收整车控制器的驱动信号；通信电路，提供外接通信接口。本发明满足混合动力客车整车控制器功能测试需求，接近实车运行状态。

Description

一种整车控制器模拟负载装置

技术领域

本发明属于车辆工程领域，涉及的是整车控制器模拟负载装置，特别涉及一种可用于混合动力客车的整车控制器电磁兼容测试的模拟负载装置。

背景技术

整车控制器是混合动力客车的核心功能模块，它根据实时测量的驾驶员操控信息、车辆行驶信息以及各个子系统实时反馈的信息，通过计算和逻辑推理向各个子系统控制器发送控制指令，来达到整车级别的功能控制。在控制器级别的测试阶段，关于整车控制器的功能测试和电磁兼容测试尤为重要。因此，设计一个与混合动力客车的整车控制器相匹配的模拟负载装置，用来配合功能测试和电磁兼容测试，是首要且关键的任务。一方面，负载装置要满足整车控制器的功能要求，包括电源模块、模拟信号、模拟开关和通信等；另一方面，负载装置的设计还要具备良好的电磁兼容特性，并且设计可靠，本身引起的额外干扰应低于一定水平。最终的设计必须保证，与整车控制器的配合可以通过各项严格的测试，而且还要考虑到一定的经济成本和未来应用上的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种整车控制器模拟负载装置，模拟混合动力客车电力系统、车辆运行状态、驾驶员操作、各个子系统控制器状态，并可用于电磁兼容测试。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种整车控制器模拟负载装置，其包括：

电源系统电路，为整车控制器、转速测量模块负载电路、开关量输入模块负载电路、低端开关输出模块负载电路和高端开关输出模块负载电路供电；

电机控制模块负载电路，与整车控制器相连，接收整车控制器的PWM信号驱动电机转动；

转速测量模块负载电路，测量电机控制模块负载电路中电机的转速，并将转速反馈给整车控制器；

开关量输入模块负载电路，为整车控制器提供功能判断所需的高低电平；

模拟量输入模块负载电路，为整车控制器提供模拟信号输入，且其工作电压由整车控制器提供；

低端开关输出模块负载电路，一端连接电源系统电路的电源VBAT端，另一端连接整车控制器接收整车控制器的驱动信号，整车控制器为低端开关负载电路提供低电平；

高端开关输出模块负载电路，一端连接电源系统电路的地GND端，另一端连接整车控制器接收整车控制器的驱动信号，整车控制器为高端开关负载电路提供高电平；

通信电路，提供外接通信接口。

所述电源系统电路包括常开式自保继电器，其分别与外接电源、整车控制器连接，常开式自保继电器与串联的两个拨动开关和一个点触式开关并联，模拟混合动力客车点火钥匙的三个状态；电源系统电路还包括测量用电压表、电流表以及短路保护电路。

所述电机控制模块负载电路包括直流有刷电机和限流电阻，直流有刷电机接收来自控制器的PWM信号，限流电阻直接串联至直流有刷电机的控制回路，对电机进行过流保护，同时还采用共模电感和滤波电容对直流有刷电机进行电磁兼容处理。

所述转速测量模块负载电路包括直流有刷电机转子上的导磁齿轮、磁电感应式转速传感器和两个分压电路组成，导磁齿轮的侧面正对磁电感应式转速传感器，二者之间保持5cm的距离，分压电路中两个电阻的连接点为磁电感应式转速传感器提供工作电压，磁电感应式转速传感器感受导磁齿轮对磁力线的切割，输出与切割速率相对应的频率的正弦波信号，经整车控制器进一步调理和计算后得出直流电机的转速。

所述低端开关输出模块负载电路设有12路低端开关输出电路，低端开关输出电路包括并联的两个电阻、以及与其中一电阻串联的LED指示灯，LED指示灯一端常接高电平，在整车控制器低端开关输出电路的驱动下，另一端通过串联电阻置低电平，LED指示灯被点亮。

所述高端开关输出模块负载电路设有3路高端开关输出电路，高端开关输出电路包括并联的两个电阻、以及与其中一电阻串联的LED指示灯，LED指示灯一端通过与其串联的电阻接模拟负载装置地，在整车控制器高端开关输出电路的驱动下，另一端置高电平，LED指示灯被点亮。

所述开关量输入模块负载电路设有多个开关量输入电路，开关量输入电路包括串联的拨动开关和电阻，拨动开关断开时，整车控制器开关量输入电路通过电阻接模拟负载装置地，整车控制器监测到低电平；拨动开关闭合后，整车控制器通过开关量输入电路监测到高电平，其中，开关量输入电路的开关量输入包括打气泵报警信号输入、手柄L档信号输入、发动机舱门检测输入、4个预留档位、主驱动电机舱门检测输入、油门踏板怠速开关输入、制动踏板开关信号输入、转向泵报警输入、手刹开关输入、手柄R档信号输入、蓄电池舱门检测输入、经济性/动力性选择、手柄N档信号输入、气压开关输入。

所述模拟量输入模块负载电路设有多个模拟量输入电路，模拟量输入电路由电位器构成，电位器通过输出端口输出0～5V的电压信号至整车控制器模拟信号采集电路，其中，模拟量输入电路的模拟量输入包括制动踏板信号输入、第一加速踏板信号输入、2路模拟量输入预留信号、第二加速踏板信号输入和温度传感器信号输入。

所述通信电路包括串口通信和CAN通信接口，实现外部控制器通过该模拟负载装置与整车控制器进行通信。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：实际测试证明，本发明能够完全满足混合动力客车整车控制器功能测试需求，整车控制器运行状态接近实车运行状态。电磁兼容实验室内测试发现，负载装置产生的背景噪声低于要求限值6dB以上，完全符合国际电磁兼容测试标准关于模拟负载装置的设计要求。

附图说明

图1为电源系统电路的示意图。

图2为电机控制模块负载电路的示意图。

图3为转速测量模块负载电路的示意图。

图4为低端开关输出模块负载电路的示意图。

图5为高端开关输出模块负载电路的示意图。

图6为开关量输入模块负载电路的示意图。

图7为模拟量输入模块负载电路的示意图。

图8为CAN通信接口电路的示意图。

图9为串口通信接口电路的示意图。

图10为混合动力客车的整车控制器模拟负载装置的系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

一种用于功能测试和电磁兼容测试的混合动力客车的整车控制器模拟负载装置，包括以下电路：电源系统电路I、电机控制模块负载电路II、转速测量模块负载电路III、低端开关输出模块负载电路IV、高端开关输出模块负载电路IV、开关量输入模块负载电路VI、模拟量输入模块负载电路VII以及通信电路VIII。其中电源系统I负责为整车控制器、转速测量模块负载电路III、开关量输入模块负载电路VI、低端开关输出模块负载电路IV和高端开关输出模块负载电路V提供工作所需的电源和地。电机控制模块负载电路II接收来自整车控制器的PWM信号后按照设定的转速转动。转速测量模块负载电路III通过转速传感器将测量得到的电机转速反馈给整车控制器。开关量输入模块负载电路VI负责为整车控制器提供功能判断所需的高低电平。模拟量输入模块负载电路VII的工作5V电压由整车控制器提供，该模块负责为整车控制器提供模拟信号输入。低端开关模块负载电路IV和高端开关模块负载电路IV的一端接模拟负载箱电源系统的电源或地，另一端接收来自整车控制器的的驱动信号。通信电路VIII与整车控制器的CAN通信模块和串行通信模块相连，提供了外接的通信接口。整个系统示意图如图9所示。

1、电源系统电路

模拟负载箱电源系统负责为负载箱中各电路和整车控制器上电，上电过程要求模拟驾驶员钥匙开关动作以验证整车控制器上电自保电路逻辑。电源系统同时应具有电压、电流检测和短路保护功能。

电源接口C1、C2和50V量程电压表VM、10A量程电流表CM、常开式自保继电器和30安培保险丝组成负载装置主电源系统，用来模拟混合动力客车的供电系统和启动系统。该系统电路示意图如图1所示。

图中C1、C2分别为外接电源接口，通过一个船型的开关将电源引入模拟负载装置。串联在主电源电路上的30安培保险丝对模拟负载装置和整车控制器进行短路保护。50V量程的电压表VM和10A量程的电流表CM用于实时显示整个系统的电压电流状态，便于测试人员对测试系统工作状况的直观把握。自保继电器为四触点、常开式、启动电压8V、耐压40V的继电器，其两个开关触点分别连接外接电源和模拟负载装置系统电源VBAT，电感线圈的两个触点分别连接外接电源和连接器端口R60，通过端口R60来连接整车控制器的自保继电器控制信号。KEY1、KEY3为拨动开关，KEY2为点触式开关，串联的两个拨动开关KEY1、KEY3和一个点触式开关KEY2与继电器成并联联结，分别用来模拟混合动力客车点火钥匙的三个状态。当KEY3、KEY1闭合后，按下KEY2，此时外接电源不通过自保继电器直接给系统上电，整车控制器上电工作后将端口R60置低电平，自保继电器动作，外接电源通过自保继电器引入系统，此时松开KEY2、端开KEY1，完成系统上电过程。如欲断开系统外接电源，只需断开KEY3，整车控制器监测到端口R61和端口R11均断开后，延迟5秒将端口R60置高，自保继电器断开，完成断电过程。

2、电机控制模块负载电路

电机模块用于验证整车控制器直流电机驱动功能(包括位置和转速控制等)。电机控制模块负载电路由功率为8W的直流有刷电机M和限流电阻R组成，用来模拟混合动力客车发动机内的节气门电机。该电路示意图如图2所示。

功率为8W的直流有刷电机M通过负载装置连接器端口R48和R55接收来自控制器的PWM信号，按控制器要求的速度进行旋转。由于直流有刷电机在启动和断电的时候不可避免的会产生反向电压脉冲和电火花，不但对控制器电路造成冲击，而且其所包含的高频成分会带来很大的辐射和传导骚扰。因此，共模电感L和滤波电容C则用来对电机电路进行电磁兼容处理。

3、转速测量模块负载电路

转速测量模块用于验证整车控制器转速提取电路和处理逻辑的正确性。与负载箱电机模块协调使用。转速测量模块负载电路由直流电机转子上的导磁齿轮与磁电感应式转速传感器和两个4.7K欧姆电阻组成的分压电路组成，用来模拟混合动力客车转速测量电路。该电路示意图如图3所示。

由于磁电感应式转速传感器的工作电压为8～12V，因此需要采用两个4.7K欧姆的电阻对24V的系统电源进行分压。磁电感应式转速传感器感受直流电机转子上的导磁齿轮对磁力线的切割，通过端口L27和端口L45输出与切割速率相对应频率的正弦波信号，在软件中进行简单的计算后便可得出直流电机的转速。转速传感器的外壳应接模拟负载装置的地，为共模电流提供低阻抗路径，从而减小由外壳天线效应造成的电磁辐射。磁电感应式传感器在工作过程中会对电源系统电路造成瞬态骚扰，应对的措施是在磁电感应式传感器的电源引脚处增加10uF的旁路电容C，并与两个4.7K欧姆电阻一起组成RC滤波器。

4、低端开关输出模块负载电路

低端开关输出模块主要用于验证整车控制器低端开关驱动电路能否按照设计意图正常工作。低端开关输出模块负载电路由功率为15W的56欧姆电阻、功率为1/2W的2K欧姆电阻和LED指示灯组成，用来模拟混合动力客车相关的低端负载。该电路示意图如图4所示(以低端开关2为例)。

该电路中的LED在不工作时一端常接高电平，在整车控制器低端开关电路驱动下端口R50置低电平，LED指示灯被点亮。2K欧姆的串联电阻对LED进行限流保护。并联56欧姆15W的功率电阻是为了模拟低端开关电路工作电流为0.5安培的状态。对应于混合动力客车的整车电气电路，低端开关输出负载电路共有12路，分别是低端开关2、低端开关预留、发动机电源、低端开关预留1、发动机启动马达、低端开关1、低端开关3、低端开关4、START启动发动机、PWM1、24V控制继电器和PWM2。

每一路的低端开关负载电路由两个电阻和一个LED组成，而负载装置内总共有12个这样的电路，这12路低端开关负载电路共同组成了整车控制器模拟负载装置的低端开关负载电路。上述介绍只是其中的一路，其他11路电路结构是一样的。

5、高端开关输出模块负载电路

高端开关输出模块主要用于验证整车控制器高端开关驱动电路能否按照设计意图正常工作。高端开关输出模块负载电路由功率为100W的8欧姆电阻、功率为1/2W的2K欧姆电阻和LED指示灯组成，用来模拟混合动力客车相关的高端负载。该电路示意图如图5所示(以高端开关3为例)。

该电路中的LED在不工作时，一端通过与LED指示灯串联的2K欧姆的限流电阻接模拟负载装置地，在整车控制器高端开关驱动电路下端口R3置高电平，LED指示灯被点亮。并联8欧姆100W的功率电阻是为了模拟高端开关电路工作电流为3安培的状态。

对应于混合动力客车的整车电气电路，高端开关输出负载电路共有3路，分别是高端开关1、高端开关2和高端开关3，其中，高端开关1和高端开关2与上述介绍的高端开关3的电路结构相同。

6、开关量输入模块负载电路

开关量输入模块主要用于为整车控制器开关量采集电路提供工作所需的各开关量信号。开关量输入模块负载电路由拨动开关和功率为1/4W的4.7K欧姆电阻组成，用来模拟混合动力客车相关的开关量输入。该电路示意图如图6所示(以打气泵报警信号为例)。

当拨动开关断开时，端口R59通过4.7K欧姆限流电阻接电源系统电路的地，整车控制器开关量输入电路监测到低电平。当拨动开关闭合后，端口R59为高电平，整车控制器开关量输入电路监测到高电平。

该电路用来模拟混合动力客车中17路状态切换和模式转换电路，包括：打气泵报警信号输入、手柄L档信号输入、发动机舱门检测输入、4个预留档位、主驱动电机舱门检测输入、油门踏板怠速开关输入、制动踏板开关信号输入、转向泵报警输入、手刹开关输入、手柄R档信号输入、蓄电池舱门检测输入、经济性/动力性选择、手柄N档信号输入、气压开关输入。上述仅以打气泵报警信号输入为例，其他电路都与打气泵报警信号输入这一路电路相同。

7、模拟量输入模块负载电路

模拟量输入模块负责为整车控制器提供模拟量信号，以检验整车控制器模拟量输入电路及其逻辑功能。模拟量输入模块负载电路由电位器组成，用来模拟混合动力客车相关的模拟量输入。该电路示意图如图7所示(以温度传感器信号为例)。

其中，G为电位器，通过端口L36输出0～5V的电压信号至整车控制器模拟信号采集电路。对应于混合动力客车的实际工作模式，电位器工作5V电压由整车控制器通过端口L9和L17提供。

该电路用来模拟混合动力客车中制动踏板信号输入、加速踏板1信号输入、2路模拟量输入预留信号、加速踏板2信号输入和温度传感器信号输入。上述是以温度传感器信号输入为例的，其他电路都与温度传感器信号输入这一路电路相同。

8、通信电路。预留的串口通信和CAN通信接口用于整车控制器通过模拟负载装置与PC上位机和其他控制器的通信。该模块电路示意图如图8所示。

在CAN通信接口电路中，除了连接CANA_H和CANA_L的端口R43和R51外，还专门留出了CAN屏蔽线接口R44；CANB_H和CANB_L亦如此。如果将CANA&CANB的两个开关闭合，可实现整车控制器中CAN A与CAN B的通信，该功能可用于整车控制器CAN通信电路的自检。如果将CANA&CANB的两个开关断开，CAN通信接口电路可与PC上位机或其它控制器的CAN电路相连。串口通信接口电路是专门为上位机PC准备的，为将来通过串口开发上位机监控软件提供了可能。

设计过程中采用了多种专门针对模拟负载装置的电磁兼容措施，如对电源输出端采用共模电感抑制共模电流，负载装置连接器的地连接至金属外壳为共模电流提供低阻抗回路等。实际测试证明，本模拟负载装置能够完全满足整车控制器的功能测试需求，整车控制器运行状态接近实车运行状态。电磁兼容实验室内测试发现，本负载装置产生的背景噪声低于要求限值6dB以上，完全符合国际电磁兼容测试标准关于负载装置的设计要求。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种整车控制器模拟负载装置，其特征在于：其包括：

电源系统电路，为整车控制器、转速测量模块负载电路、开关量输入模块负载电路、低端开关输出模块负载电路和高端开关输出模块负载电路供电；

电机控制模块负载电路，与整车控制器相连，接收整车控制器的PWM信号驱动电机转动；

转速测量模块负载电路，测量电机控制模块负载电路中电机的转速，并将转速反馈给整车控制器；

开关量输入模块负载电路，为整车控制器提供功能判断所需的高低电平；

模拟量输入模块负载电路，为整车控制器提供模拟信号输入，且其工作电压由整车控制器提供；

低端开关输出模块负载电路，一端连接电源系统电路的电源VBAT端，另一端连接整车控制器接收整车控制器的驱动信号；

高端开关输出模块负载电路，一端连接电源系统电路的地GND端，另一端连接整车控制器接收整车控制器的驱动信号；

通信电路，通信电路与整车控制器通信连接，提供外接通信接口。

2.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述电源系统电路包括常开式自保继电器，其分别与外接电源、整车控制器连接，常开式自保继电器与串联的两个拨动开关和一个点触式开关并联，模拟混合动力客车点火钥匙的三个状态；电源系统电路还包括测量用电压表、电流表以及短路保护电路。

3.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述电机控制模块负载电路包括直流有刷电机和限流电阻，直流有刷电机接收来自控制器的PWM信号，限流电阻直接串联至直流有刷电机的控制回路，对电机进行过流保护，同时还采用共模电感和滤波电容对直流有刷电机进行电磁兼容处理。

4.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述转速测量模块负载电路包括直流有刷电机转子上的导磁齿轮、磁电感应式转速传感器和两个分压电路组成，导磁齿轮的侧面正对磁电感应式转速传感器，二者之间保持5cm的距离，分压电路中两个电阻的连接点为磁电感应式转速传感器提供工作电压，磁电感应式转速传感器感受导磁齿轮对磁力线的切割，输出与切割速率相对应的频率的正弦波信号，得出直流电机的转速。

5.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述低端开关输出模块负载电路设有12路低端开关输出电路，低端开关输出电路包括并联的两个电阻、以及与其中一电阻串联的LED指示灯，LED指示灯一端常接高电平，在整车控制器低端开关输出电路的驱动下，另一端通过串联电阻置低电平，LED指示灯被点亮。

6.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述高端开关输出模块负载电路设有3路高端开关输出电路，高端开关输出电路包括并联的两个电阻、以及与其中一电阻串联的LED指示灯，LED指示灯一端通过与其串联的电阻接模拟负载装置地，在整车控制器高端开关输出电路的驱动下，另一端置高电平，LED指示灯被点亮。

7.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述开关量输入模块负载电路设有多个开关量输入电路，开关量输入电路包括串联的拨动开关和电阻，拨动开关断开时，整车控制器开关量输入电路通过电阻接模拟负载装置地，整车控制器监测到低电平；拨动开关闭合后，整车控制器通过开关量输入电路监测到高电平；开关量输入包括打气泵报警信号输入、手柄L档信号输入、发动机舱门检测输入、4个预留档位、主驱动电机舱门检测输入、油门踏板怠速开关输入、制动踏板开关信号输入、转向泵报警输入、手刹开关输入、手柄R档信号输入、蓄电池舱门检测输入、经济性/动力性选择、手柄N档信号输入、气压开关输入。

8.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述模拟量输入模块负载电路设有多个模拟量输入电路，模拟量输入电路由电位器构成，电位器通过输出端口输出0~5V的电压信号至整车控制器模拟信号采集电路；模拟量输入包括制动踏板信号输入、第一加速踏板信号输入、2路模拟量输入预留信号、第二加速踏板信号输入和温度传感器信号输入。

9.如权利要求1所述的整车控制器模拟负载装置，其特征在于：所述通信电路包括串口通信和CAN通信接口，实现外部控制器通过该模拟负载装置与整车控制器进行通信。

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