汽車電喇叭啟動耐久性能實驗臺設(shè)計

1、畢 業(yè) 設(shè) 計汽車電喇叭啟動、耐久性能實驗臺設(shè)計*4指導(dǎo)教師 學(xué)院名稱工程學(xué)院 專業(yè)名稱自動化論文提交日期2010年5月 論文答辯日期年 月答辯委員會主席 _評 閱 人 _摘 要隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車電喇叭的性能檢測與認證工作越來越重要。但長期以來不是儀器系統(tǒng)龐大靈活性小，就是精密度不夠高。在這種情況下，必須兼顧儀器的精密度和靈活性。本文將對電喇叭性能測試儀的硬件、軟件進行設(shè)計，并對儀器進行相應(yīng)實驗與結(jié)果分析。在對GB15742-2001和QC/T-2004深入研究和參閱大量技術(shù)文獻的基礎(chǔ)上，本文提出的系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制器，然后根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計并制作了硬件電路并編寫了相應(yīng)軟

2、件。兩測試臺控制器分別采用的是三菱的FX1s-10MT和FX2N-16MT，電壓、電流及聲音分貝值等數(shù)據(jù)采集的AD轉(zhuǎn)換是采用三菱FX2N-4AD特殊功能模塊，文本顯示器采用的是三菱MD204LV5。軟件部分分別應(yīng)用了PLC的梯形圖語言和文本顯示器的界面設(shè)計。啟動性能測試臺通過設(shè)計精確的脈沖波形輸出和方便快捷的人機界面，提高了其波形的精確度和操作的方便性；耐久度測試臺結(jié)合電壓、電流和聲音分貝值三個反饋量對電喇叭每一次工作進行有效性檢測并記錄，提高了波形的精度和檢驗的準(zhǔn)確性和操作的方便性。實驗表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，操作方便。此方案可以向各大檢驗檢測機構(gòu)及喇叭生產(chǎn)商和汽車工廠等單位推廣。關(guān)鍵詞：電喇叭

3、 耐久性試驗 啟動性試驗 可編程控制器 人機界面目 錄1 前言12 基本概念12.1 GB15742-2001相關(guān)規(guī)定12.1.1 性能要求12.1.2 試驗方法22.2 QC/T-2004相關(guān)規(guī)定32.2.1 一般要求32.2.2 溫度范圍32.2.3 基頻及工作電流32.2.4 電壓變化范圍32.3 PLC基本概念32.3.1 可編程控制器的特點32.3.2 PLC的工作原理42.4 汽車電喇叭的結(jié)構(gòu)53 系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計及組建63.1 硬件系統(tǒng)框圖63.1.1 啟動性能測試平臺硬件系統(tǒng)63.1.2 耐久性能測試平臺硬件系統(tǒng)83.2 主要硬件的選型與系統(tǒng)設(shè)計113.2.1 PLC控制系統(tǒng)

4、設(shè)計的基本原則113.2.2 PLC 選型的一般原則123.2.3 啟動測試平臺器件選型與設(shè)計123.2.4 耐久性測試平臺器件選型與設(shè)計134 系統(tǒng)軟件設(shè)計174.1 軟件設(shè)計思想174.2 啟動性能測試臺軟件設(shè)計174.2.1 啟動性能測試臺PLC程序設(shè)計174.2.2 啟動性能能測試臺人機器界面編程184.3 耐久性能測試臺軟件設(shè)計194.3.1 主程序設(shè)計194.3.2 A/D模塊初始化程序的設(shè)計214.3.3 延時與數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計214.3.4 耐久性能測試臺人及界面編程225 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析235.1 啟動性能測試測試臺實驗測試235.1.1 手動模式實驗235.1.2

5、自動模式實驗245.1.3 啟動性能測試臺實驗結(jié)果分析255.2 耐久性能測試臺實驗測試255.2.1 分時復(fù)用實驗測試255.2.2 A/D模塊測試與實驗265.2.3 各種喇叭在不同距離下聲音分貝值測試325.2.4 耐久性能測試臺實驗結(jié)果分析346 總結(jié)35致 謝36參 考 文 獻37Abstract38附錄1：啟動性能測試臺程序附錄2：耐久性能測試臺程序附錄3：兩測試臺驅(qū)動電路原理圖和PCB設(shè)計圖附錄4：耐久性能測試臺人機界面?zhèn)€畫面1 前言近年來，中國汽車行業(yè)發(fā)展速度非?？欤瑩?jù)英國BBC報道，2010年中國產(chǎn)量將超過日本成為世界第二汽車生產(chǎn)大國。電喇叭的需求量大大增加，相應(yīng)的喇叭生產(chǎn)廠

6、家和產(chǎn)量迅速增加，質(zhì)量檢驗認證工作壓力逐步增大。如何實現(xiàn)在符合國家標(biāo)準(zhǔn)、廠家和認證單位等要求的前提下，大批量電喇叭性能測試是整個汽車行業(yè)關(guān)注的大事。本課題的來源是本人在廣州智維電子科技有限公司實習(xí)期間做的項目，該項目是公司與中國電器科學(xué)院的簽約項目。國家對機動車?yán)扔袊?yán)格的要求并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，即GB15742-2001和QC-T30-2004，一方面保證了車輛使用者的利益，另一方面為喇叭生產(chǎn)廠和車輛制造廠提供生產(chǎn)、檢驗和驗收的法律性依據(jù)。耐久性是一項很重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)的電喇叭耐久性檢測采用單電源驅(qū)動單喇叭或單個大功率電源驅(qū)動多個喇叭，電源利用率低，試驗平臺體積大，測試環(huán)境吵鬧等，本文結(jié)合分

7、時復(fù)用和動態(tài)掃描的思路提出了分組輪回動態(tài)掃描試驗方法，并設(shè)計了基于該方法的電喇叭耐久性試驗平臺；還將測試環(huán)境從較大的測試空間靈活的轉(zhuǎn)移到相對較小隔音箱內(nèi)部，進而實現(xiàn)辦公室內(nèi)無噪音智能測試。啟動性能也是一項重要指標(biāo)，要求喇叭從剛啟動到規(guī)定聲級所用的時間不超過0.2s。啟動測試平臺結(jié)合B&K聲級計，精確靈活設(shè)定脈沖時間和測試次數(shù)。本課題是“汽車電喇叭性能耐久實驗臺設(shè)計”。課題要研究開發(fā)汽車電喇叭的啟動性能和耐久度檢測儀，不但可以精確按照國標(biāo)的規(guī)定輸出控制波形，而且儀器工作方便、操作簡單、工作空間小、安靜。本課題詳細研究理解了GB15742-2001和QC/T-2004，通過理論和實踐上不斷證明與嘗

8、試，最終研究出耐久度測試臺喇叭在全消音箱內(nèi)進行，并通過了實驗驗證。2 基本概念2.1 GB15742-2001相關(guān)規(guī)定2.1.1 性能要求(1)一般要求 喇叭應(yīng)發(fā)出連續(xù)而均勻的聲響。對于氣動和電-氣動喇叭，從喇叭剛被推動的瞬間至聲壓級達到規(guī)定的聲壓級的時間不得超過0.2s。(2)耐久性對用于功率不大于7kW的摩托車的喇叭為10000次；對用于M，N類汽車和功率大于7kW的摩托車的喇叭為50000次。耐久性試驗后喇叭應(yīng)符合一般要求和聲壓級的規(guī)定。其中直流推動喇叭的試驗電壓允許在其標(biāo)稱電壓的95%至115范圍內(nèi)。2.1.2 試驗方法(1)實驗環(huán)境喇叭的試驗應(yīng)在消聲室內(nèi)進行，也允許在半消聲室或開闊場

9、地上進行。在開闊場地上試驗時，背景噪聲應(yīng)比被測量喇叭的聲壓級至少低10dB(A)，試驗應(yīng)在天氣良好時進行。除有特殊規(guī)定外，試驗時環(huán)境溫度應(yīng)為23士50。(2)實驗儀器聲壓級的測量應(yīng)采用符合IEC651規(guī)定的一級精度的聲級計進行。測量時應(yīng)采用快速時間常數(shù)“F”，總聲壓級的測量使用“A”計量檔，基準(zhǔn)聲壓為20pPa。聲音的頻譜用聲音信號的傅立葉變換來求得。允許按照IEC225規(guī)定采用1/3倍頻程濾波器。對于中心頻率2500Hz時的聲壓級，應(yīng)通過1/3中心頻率2000Hz,，2500Hz和3150Hz的聲壓均方值來求取，通常只用傅立葉變換。電氣測量儀表的精度為0.5級。(3)實驗條件按6V，12V，

10、24V標(biāo)稱電壓，試驗電壓分別取6.5V，13V，26V，試驗電壓由電源輸出端測出。如果采用整流電源進行試驗，在喇叭工作時，從電源接線端上測得的電壓交流成分應(yīng)不大于0.1V（峰/峰值）。包括接頭和接觸電阻在內(nèi)的接線電阻，標(biāo)稱電壓6V：0.05；標(biāo)稱電壓12V：0.10；標(biāo)稱電壓24V：0.20；(4)耐久性測試實驗環(huán)境：試驗時的環(huán)境溫度為15至30；試驗如在消聲室或半消聲室中進行，消聲室或半消聲室應(yīng)足夠大，以便能釋放喇叭在試驗時所產(chǎn)生的熱量；試驗時應(yīng)以約10 m/s的氣流冷卻喇叭。試驗方法：喇叭的耐久性試驗以鳴叫1s，休息4s的周期進行。如果試驗進行一半以后，聲壓級與試驗前有變化時，允許對喇叭調(diào)

11、整一次。在規(guī)定的試驗結(jié)束后，如有必要允許再次調(diào)整。2.2 QC/T-2004相關(guān)規(guī)定2.2.1 一般要求電喇叭應(yīng)發(fā)出連續(xù)而均勻的聲響，不得有嘶啞及振擾聲。2.2.2 溫度范圍電喇叭在040至65的溫度范圍內(nèi)應(yīng)符合一般要求，低溫試驗和高溫試驗允許比規(guī)定聲壓級的最低值減低5dB（A）；電喇叭的存儲溫度為-40至75。2.2.3 基頻及工作電流喇叭的基頻跟工作電流有制造廠規(guī)定?；l范圍在240Hz-650Hz。2.2.4 電壓變化范圍喇叭的標(biāo)稱電壓規(guī)定為6V、12V、24V，當(dāng)其電壓變化范圍為5.5V至7.5V、11V至15V、22V-30V時，應(yīng)符合一般要求，下限電壓時聲壓級允許比規(guī)定聲壓級的最低

12、值降低5dB（A）。2.3 PLC基本概念可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC，是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強、靈活通用和維護方便等一系列優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，在冶金、化工、電力等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的支柱之一。2.3.1 可編程控制器的特點可靠性高，抗干擾能力

13、強：可編程控制器是專為工業(yè)控制而設(shè)計的，可靠性高。在硬件方面采用了屏蔽、隔離、故障診斷和自動恢復(fù)等措施，軟件方面也可通過程序?qū)π盘栠M行濾波，使可編程控制器具有很強的抗干擾能力，可靠性大大高于機械和電器繼電器。使其平時無故障時間達到幾萬小時以上。編程簡單、直觀、易學(xué)：PLC是面向用戶、面向工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)員熟悉電氣控制線路的特點，它采用了一種面向控制過程的梯形圖語言。梯形圖語言與繼電氣原理圖類似，形象直觀，易學(xué)易懂。電氣工程師和具有一定知識的電工、工藝人員都可以在短時間內(nèi)，使用起來得心應(yīng)手。因此，世界上許多國家的公司生產(chǎn)的PLC把梯形圖語言作為第一用戶語言。構(gòu)成簡單，

14、適應(yīng)性好：可編程序控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，輸入輸出接口信號可具有多種規(guī)格，用戶只要根據(jù)被控系統(tǒng)輸入輸出信號的性質(zhì)及點數(shù)多少，選則相應(yīng)的模塊，極大地方便了用戶?？删幊炭刂破鳟a(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，能靈活方便地根據(jù)需要進行系統(tǒng)配置，組成不同規(guī)模、不同功能的控制系統(tǒng)，既可以現(xiàn)場控制，又可以遠距離控制?？删幊炭刂破鞯妮斎胼敵隹刂剖峭ㄟ^程序?qū)崿F(xiàn)控制的，當(dāng)控制的要求發(fā)生改變時，只要修改程序即可。功能完善，接口功能強：目前的可編程控制器具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使設(shè)備控制水平大大提高。通訊能力強：目前，世界上各大可編程序控

15、制器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC，均可通過通訊處理模塊或通訊處理卡組成網(wǎng)絡(luò)，或連接到現(xiàn)場總線，以滿足現(xiàn)代規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因素眾多的工程大系統(tǒng)的控制要求。安裝簡單、調(diào)試方便、維護工作量?。篜LC控制系統(tǒng)的安裝接線簡單，只需將現(xiàn)場的各種儀器設(shè)備于PLC相應(yīng)I/O端相連。軟件設(shè)計和調(diào)試大多可在實驗室內(nèi)進行，最后才到控制系統(tǒng)現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試。體積小、能耗低：在體積上，PLC是繼電器控制系統(tǒng)的1/5.在耗電方面，一般比同樣功能的繼電器控制系統(tǒng)節(jié)電50%以上。在價格上，當(dāng)控制系統(tǒng)中的繼電器大于10個時，PLC控制系統(tǒng)比較經(jīng)濟。2.3.2 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，其掃描過程如圖1所示

16、。其工作過程分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，PLC會自動檢查CPU模塊的硬件是否正常。在通信操作服務(wù)階段，PLC與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng)PLC處于停止(STOP)狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信服務(wù)操作等內(nèi)容。在PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理，一直循環(huán)掃描工作。在一個循環(huán)掃描周期內(nèi)，PLC工作過程分為3個階段：數(shù)據(jù)采樣階段、程序執(zhí)行階段、程序處理階段。圖1 掃描過程2.4 汽車電喇叭的結(jié)構(gòu)電喇叭是汽車上的輔助電氣設(shè)備之一，

17、通過電磁線圈不斷的通電和斷電，使金屬膜片產(chǎn)生振動而產(chǎn)生音響，聲音悅耳。電喇叭外形多少螺旋形和盆型如圖2所示，廣泛應(yīng)用在各種汽車上，輕型乘用車都用電喇叭。(a)盆型電喇叭結(jié)構(gòu)示意圖(b)螺旋形電喇叭結(jié)構(gòu)示意圖圖2 汽車電喇叭結(jié)構(gòu)示意圖3 系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計及組建3.1 硬件系統(tǒng)框圖3.1.1 啟動性能測試平臺硬件系統(tǒng)根據(jù)電喇叭啟動性能測試的要求，啟動性能測試平臺系統(tǒng)框圖如圖3。圖3 啟動性能測試平臺系統(tǒng)框圖系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是：PLC結(jié)合文本顯示器精確調(diào)節(jié)控制波形和測試次數(shù)，并顯示在大屏幕顯示器上，驅(qū)動IGBT管，IGBT管驅(qū)動電喇叭。根據(jù)以上所要實現(xiàn)的功能可知，該系統(tǒng)的硬件主要有以下幾個部分構(gòu)成

18、：PLC控制器、人機交互界面模塊（文本顯示器）、雙路開關(guān)電源、驅(qū)動電路（IGBT管）等部分組成。該系統(tǒng)的控制器采用三菱FX1s-10MT，其各部分名稱如圖4所示。圖4 FX1s-10MT各部分名稱系統(tǒng)的人機界面模塊采用文本顯示器三菱MD204LV5，該模塊是一個小型的人機界面，主要與各類PLC（或帶通信接口的智能控制器）配合使用，以文字或指示燈等形式監(jiān)視。修改PLC內(nèi)部寄存器或繼電器的數(shù)值以及狀態(tài)，從而使操作人員能夠自如地控制機器設(shè)備。系統(tǒng)的低壓電源由兩350W的可調(diào)開關(guān)電源組成，分別是：臺灣明緯開關(guān)電源 G1s-350-13.5和臺灣明緯開關(guān)電源 G1s-350-27。系統(tǒng)的驅(qū)動電路主要由三

19、菱IGBT管組成，型號是：CT30SM-12；部分參數(shù)：額定電壓電流：600V/30A,IGBT單管、開時間：165ns、關(guān)時間：385ns。3.1.2 耐久性能測試平臺硬件系統(tǒng)根據(jù)電喇叭耐久性測試的要求，啟動性能測試平臺系統(tǒng)框圖如圖5。 圖5 耐久性測試平臺系統(tǒng)框圖系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是：設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)聲音分貝（包括標(biāo)準(zhǔn)聲音上下限值）和失效次數(shù)（為防止偶然干擾或偶爾的聲音嘶啞造成的誤測而設(shè)定的允許失效次數(shù)），啟動測試后，運用分時復(fù)用技術(shù)，PLC提供一個1s脈沖，輪流驅(qū)動各路MOS管，每個循環(huán)周期為5s。并將每一路電壓、電流和聲音反饋回PLC綜合判斷喇叭某一次測試是否有效。若失效次數(shù)達到設(shè)定值則停止該路

20、工作，保存計數(shù)值，其他各路繼續(xù)工作直到全部測試完畢，從而得到各路喇叭的耐久次數(shù)。根據(jù)以上所要實現(xiàn)的功能可知，該系統(tǒng)的硬件主要有以下幾個部分構(gòu)成：PLC控制器、人機交互界面模塊（文本顯示器）、雙路開關(guān)電源、驅(qū)動電路（MOS管）、特殊功能模塊、傳感器和消聲箱等部分組成。該系統(tǒng)的控制器采用三菱FX2N-16MT，其各部分名稱如圖6所示。圖6 FX2N-16MT各部分名稱系統(tǒng)的人機界面和低壓電源與啟動測試平臺的一樣。系統(tǒng)的驅(qū)動電路主要由MOS場效應(yīng)管組成，型號是：IRFP140；部分參數(shù)：額定電壓電流：100V/30A 、開時間：87ns、關(guān)時間：90ns。系統(tǒng)的電壓電流變送器把電流和電壓量都轉(zhuǎn)變成A

21、/D變化測量范圍內(nèi)的電壓值，聲音傳感器采用愛華AWA5633聲級計。系統(tǒng)的特殊功能模塊是FX2N-4AD模擬量輸入模塊，該模塊有4個輸入通道，最大分辨率為12位，電壓測量是信號范圍和分辨率分別為-10至+10V和5mV，測量電流聲信號范圍和分辨率分別為4至20mA或-20至+20mA和20uA。系統(tǒng)的消聲箱是重要部件，要在滿足國標(biāo)要求的前提下還要是測試臺工作的時候不會發(fā)出噪聲。所以在尺寸和性能有以下要求：外尺寸：1200(L)x1100(W)x1350(H)mm；內(nèi)尺寸：600(L)x500(W)x650(H)mm。性能指標(biāo)： 在內(nèi)部噪聲110dB（A）且箱外環(huán)境本底噪聲70dB（A）情況下，

22、箱外距箱米處測量噪聲70dB（A）；截止頻率：600HZ。如圖7所示，喇叭和聲音傳感器分別按照在底部和頂部，散熱系統(tǒng)為5個排氣風(fēng)扇對著喇叭吹，上下有對流排氣孔，排氣過程有消聲處理。(a) 消音箱地面俯視圖(b) 消音箱頂面仰視圖(c) 消音箱排氣孔消音措施圖7 消音箱結(jié)構(gòu)圖3.2 主要硬件的選型與系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則（1）滿足被控對象的控制要求。（2）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的改進，設(shè)計PLC系統(tǒng)時要有適量裕度。（3）在滿足以上兩個要求的前提下，應(yīng)力求使該系統(tǒng)具有較高的性價比。（4）確保控制系統(tǒng)的安全、可靠。3.2.2 PLC 選型的一般原則在PLC型號和規(guī)格大體

23、確定后，可以根據(jù)控制要求逐一確定 PLC各組成部分的基本規(guī)格與參數(shù)，并選擇各組成模塊的型號。選擇模塊型號時，應(yīng)遵循以下原則。（1）方便性 ：一般說來，作為 PLC，可以滿足控制要求的模塊往往有很多種，選擇時應(yīng)以簡化線路設(shè)計、方便使用、盡可能減少外部控制器件為原則。例如：對于輸入模塊，應(yīng)優(yōu)先選擇可以與外部檢測元件直接連接的輸入形式，避免使用接口電路。對于輸出模塊，應(yīng)優(yōu)先選擇能夠直接驅(qū)動負載的輸出模塊，盡量減少中間繼電器等元件。（2）通用性：進行選型時，要考慮到 PLC各組成模塊 的統(tǒng)一與通用，避免模 塊種類過多。這樣不僅有利于采購，減少備品備件，同時還可以增加系統(tǒng)各組成部件的互換性 ，為設(shè)計、調(diào)

24、試和維修提供方便 。（3）兼容性：選擇 PLC系統(tǒng)各組成模塊時，應(yīng)充分的考慮到兼容性。為避免出現(xiàn)兼容性不好的問題，組成 PLC系統(tǒng)的各主要部件的生產(chǎn)廠家不宜過多。如果可能的話，盡量選擇同一個生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。3.2.3 啟動測試平臺器件選型與設(shè)計(1)控制器的選型PLC選用三菱小型可編程控制器FX1s-10MT，該控制器價格便宜，用于小型開關(guān)量控制（啟動測試平臺只需要一個開關(guān)量輸出），有通信功能（能連接文本顯示器）。由于啟動性能測試臺只需要一個輸出口和一個精度要求比較高的計數(shù)器，參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示都在文本顯示器是實現(xiàn)，無需多輸入開關(guān)量，因此FX1s-10MT是啟動性能測試臺的理想控制器。(2)驅(qū)

25、動電路的設(shè)計與開關(guān)管的選型IGBT管，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件。應(yīng)用于交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。IGBT是強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。本測試臺所需要的特性是開關(guān)速度和強電流等特性，

26、CT30SM-12的額定電壓電流：600V/30A,IGBT，開和關(guān)時間是：165ns和385ns。完全滿足測試要求，也符合儀器的高穩(wěn)定性要求。如圖8為驅(qū)動電路原理圖。PLC的脈沖輸出信號輸入穩(wěn)壓管7809，7809的引腳3輸出9V的穩(wěn)定信號，啟動IGBT管從而驅(qū)動喇叭。圖8 測試臺驅(qū)動電路(3)低壓電源的選型低壓電源主要是喇叭的電源，本設(shè)計選用測試的喇叭主要是12v和24v。350w的可調(diào)開關(guān)電源滿足GB15742-2001和QC/T-2004對電喇叭在電源方面的要求。開關(guān)管的開通電源9v通過穩(wěn)壓管7809穩(wěn)壓獲得。3.2.4 耐久性測試平臺器件選型與設(shè)計(1)控制器的選型耐久測試臺在PLC

27、方面的要求比啟動性能測試臺要求稍高，需要有特殊功能模塊。說以選用FX2N系列的控制器，考慮到輸出口的速度要快和只需要5個輸出口，選用FX2N-16MT，具有8個輸入和8個輸出接口并支持特殊功能模塊。(2)驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路與啟動性能測試平臺的類似，開關(guān)管更換成IRFP140MOS管，開通和關(guān)斷時間都有所減少。如圖9所示，系統(tǒng)現(xiàn)階段只需要5路的測試輸出，考慮到以后的升級需求，原理圖上增加到8路測試輸出。其中每一路的輸出均有熔斷器和續(xù)流二極管的保護，左下方是聲音傳感器的電源電路，右下方是啟動性能測試臺的驅(qū)動電路。圖9 耐久測試平臺驅(qū)動電路原理圖(3)特殊功能模塊的選型耐久度測試平臺需要三個模擬

28、量輸入：電壓、電流和聲音。三個模擬量都已經(jīng)轉(zhuǎn)變成電壓量，結(jié)合各方面因素選擇FX2N-4AD模塊。FX2N-4AD有4個輸入通道，通過32緩沖寄存器(BFM)來設(shè)置通道的模式數(shù)據(jù)的讀取等功能。該模塊的應(yīng)用輸入端要共地和屏蔽，必要時要加濾波電容。本設(shè)計中都應(yīng)用到。(4)傳感器信號采集做為過程控制系統(tǒng)的前端在整個系統(tǒng)中起著重要的作用，傳感器選擇的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的成功與失敗。為了對控制系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)進行精確測量，一般說來，傳感器的選擇應(yīng)當(dāng)遵循以下一些原則：(1)靈敏度：一般講，靈敏度越高傳感器性能就越好，因為靈敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，即被測量存在微小變化時，傳感器就有較大

29、輸出。(2)精確度：傳感器的精確度反映了傳感器的檢測值和被測對象的實際值之間的吻合程度，從理論上說，精確度越高實際值與檢測值越接近。(3)響應(yīng)特性：在傳感器的響應(yīng)特性的所測頻率范圍內(nèi)測得的信號保持不失真。(4)線性范圍：傳感器有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍代表著傳感器的工作量程。(5)可靠性：工業(yè)控傳感器一般環(huán)境可能比較惡劣，現(xiàn)場干擾較大，而且要求使用壽命要長，因此，要保證傳感器在一定的工作環(huán)境內(nèi)長期可靠的運行，穩(wěn)定性要好。(6)其他：在傳感器的選擇上，除了以上要求以外對于安裝方式，是否經(jīng)濟，維護是否方便和現(xiàn)場是否易于更換部件等等問題也要進行相應(yīng)的考慮。系統(tǒng)的電壓

30、取樣：使用直流電壓變送器采集喇叭電壓值送入AD模塊；其參數(shù)如表1所示。表1 電壓變送器電氣參數(shù)電氣參數(shù)原邊額定有效值30V原邊電壓測量范圍120%Vpn額定輸出電壓50.5%V電源電壓12.245%V靜態(tài)功耗600mW溫漂200PPM/線性度0.1%FS響應(yīng)時間350mS絕緣電壓2KV工作溫度 -10+60儲存溫度 -20+80系統(tǒng)的電流取樣：使用直流電流變送器采集喇叭電流值送入AD模塊；其參數(shù)如表2所示。表2 電流變送器電氣參數(shù)電氣參數(shù)原邊額定有效值5A原邊電流測量范圍120%Vpn額定輸出電壓50.5%V電源電壓12.245%V靜態(tài)功耗300mW溫漂300PPM/線性度0.1%FS響應(yīng)時間

31、350mS絕緣電壓2KV工作溫度-10+60儲存溫度-20+80系統(tǒng)的聲音傳感器模塊：改裝成品噪音計愛華awa5633直接獲取模擬信號送入FX2N-4AD，聲音傳感器參數(shù)如表3所示。表3 聲音傳感模塊參數(shù)參數(shù)名稱：數(shù)值頻率范圍20hz-8khza加權(quán)35db-130db精度0.1db加權(quán)時間125ms數(shù)字顯示4位數(shù)lcd(0.1db分辨率)麥克風(fēng)1/2 inch電容式麥克風(fēng)操作及儲存溫濕度0-40, 10-90%rh4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計思想程序在編制的時候，在完成系統(tǒng)基本功能的前提下，還要考慮以下幾點：（1）功能的可擴充性。系統(tǒng)具有的功能應(yīng)隨著實際的需求而擴充，當(dāng)實際應(yīng)用中提出新的

32、要求時，系統(tǒng)應(yīng)能夠方便地在原有基礎(chǔ)上增加新的功能。（2）程序的可讀性。程序的可讀性對系統(tǒng)的后續(xù)維護、功能擴充有重要意義。（3）系統(tǒng)的更新。當(dāng)系統(tǒng)微控制器或某些器件被更高性能的器件替代時，系統(tǒng)的程序要易于更新。（4）程序運行確實穩(wěn)定可靠、易于維護。因此，在軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用模塊化的編程方法，即將整個系統(tǒng)軟件按照一定的規(guī)則和功能分解為一個個單獨的模塊，模塊之間相對獨立，負責(zé)完成特定的功能。模塊是系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的基本單元，每個模塊實現(xiàn)一個完整單獨的功能，模塊之間可以相互調(diào)用，共享數(shù)據(jù)。全部模塊構(gòu)成整個系統(tǒng)。模塊化編程有以下優(yōu)點:（1）采用模塊化結(jié)構(gòu)的最大的優(yōu)點是效率高。小塊程序更容易理解和調(diào)試。當(dāng)

33、知道模塊的輸入、輸出，就可直接調(diào)用該模塊。由于模塊之間共享數(shù)據(jù)，可以互相調(diào)用，因此可以非常靈活地組織每個模塊，達到非常高的整體效率。（2）當(dāng)相同功能的需求較多時，可把程序放入庫中以備使用。如果需要對模塊某一功能升級，只需要改寫相應(yīng)的模塊，而不需要改動整個軟件結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要增加系統(tǒng)功能時，也只需要增加相應(yīng)的軟件功能模塊即可。（3）模塊化編程使得要解決的問題只與特定模塊有關(guān)，出現(xiàn)故障時，很容易找到出錯的模塊，大大簡化了調(diào)試，同時使系統(tǒng)更易維護。4.2 啟動性能測試臺軟件設(shè)計啟動性能測試臺完成的任務(wù)比較簡單，主要是精確控制波形的輸出與調(diào)整。程序設(shè)計包涵PLC控制程序設(shè)計和文本顯示器程序設(shè)計。4.2.1

34、 啟動性能測試臺PLC程序設(shè)計PLC程序在GX Developer軟件中進行。如圖10，程序包含：初始化、參數(shù)設(shè)置、手動輸出和自動輸出等幾個方面。圖10 啟動性能測試臺程序流程圖4.2.2 啟動性能能測試臺人機器界面編程文本顯示器使用三菱的MD204LV5，程序編寫在TP204-V5軟件中進行。如圖11，界面主要對脈沖時間、間隔時間和工作次數(shù)的設(shè)置以及手動自動切換和復(fù)位等操作。(a)文本顯示器前面板(b)啟動性能測試臺控制界面圖11 啟動測試臺文本顯示器界面編程4.3 耐久性能測試臺軟件設(shè)計4.3.1 主程序設(shè)計主程序包括：A/D模塊初始化，清零、復(fù)位、暫停、啟動等操作，順序輸出計數(shù)，數(shù)據(jù)采集

35、，失效判斷等部分。如圖12所示為程序流程圖，里面主要是控制各路喇叭輸出電路的波形，結(jié)合電壓、電流和聲音分貝等三個值反饋到PLC，判斷喇叭工作次數(shù)是否有效，統(tǒng)計喇叭工作次數(shù)和失效次數(shù)，通過各參數(shù)（聲音上下限、電壓上下限、電流上下限、允許失效次數(shù)和總工作次數(shù)）的設(shè)置，最終決定喇叭通道是否通過耐久度測試。圖12 耐久性能測試臺程序流程圖4.3.2 A/D模塊初始化程序的設(shè)計A/D模塊的初始化在程序中非常重要，通過該子程序完成A/D通道的打開、零點增益的設(shè)置。程序流程圖如圖13所示。圖13 A/D模塊初始化程序流程圖4.3.3 延時與數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計每一路工作后都會觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，每一次數(shù)據(jù)采集都要

36、先延遲0.5s，數(shù)據(jù)采集后與設(shè)定值進行比較，判斷各路工作是否失效，最后輸出報警信號。程序流程圖如圖14所示。圖14 延時與數(shù)據(jù)采集子程序流程圖4.3.4 耐久性能測試臺人及界面編程耐久性能測試臺的人機界面有十個畫面，如圖15所示，分別是：主菜單、參數(shù)設(shè)置1、參數(shù)設(shè)置2、控制菜單、顯示菜單、工作和失效次數(shù)顯示1、工作和失效次數(shù)顯示2、電壓和電流顯示1、電壓和電流顯示2和聲音分貝。圖15 耐久性能測試臺人機界面5 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析5.1 啟動性能測試測試臺實驗測試5.1.1 手動模式實驗在手動模式下，做兩組實驗：1、 脈沖時間從0.1s到1s等差遞增，間隔時間為1s，觀察輸出是否正常；2、 在脈

37、沖時間為0.5s不變的前提下，調(diào)節(jié)間隔時間從0.5s等差遞增到5s，觀察輸出是否正常。實驗結(jié)果如表4、7。表4 實驗結(jié)果1測試次數(shù)脈沖時間間隔時間正確與否10.11正確20.21正確30.31正確40.41正確50.51正確60.61正確70.71正確80.81正確90.91正確1011正確表5 實驗結(jié)果2測試次數(shù)脈沖時間間隔時間正確與否10.50.5正確20.51正確30.51.5正確40.52正確50.52.5正確60.53正確70.53.5正確80.54正確90.54.5正確100.55正確5.1.2 自動模式實驗自動模式下，脈沖時間0.5s，時間間隔1s，工作次數(shù)從1次增加到10，觀察

38、結(jié)果是否正常。實驗結(jié)果如表6。表6 實驗結(jié)果3測試次數(shù)脈沖時間間隔時間工作次數(shù)正確與否10.111正確20.212正確30.313正確40.414正確50.515正確60.616正確70.717正確80.818正確90.919正確101110正確5.1.3 啟動性能測試臺實驗結(jié)果分析實驗測試儀器的精確度是衡量儀器特性的主要指標(biāo)，測量系統(tǒng)的測量誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差，它們存在于測量的各個環(huán)節(jié)之中。本測試臺所使用的定時器是1ms的積算定時器，所以精度比測試條件高得多，再加上控制流程比較簡單，所以正確率100%非常合理。5.2 耐久性能測試臺實驗測試5.2.1 分時復(fù)用實驗測試分時復(fù)用是在本測試

39、臺的應(yīng)用是：每個周期5s，1s導(dǎo)通和4s截止；總共有5路驅(qū)動電路輸出，每一秒只有一路導(dǎo)通，整個周期每一秒都有一路是導(dǎo)通的，這樣能夠共有電壓電流變送器、A/D模塊、聲音傳感器、隔音箱等設(shè)備，也符合GB15742-2004關(guān)于耐久度測試的規(guī)定。分時復(fù)用單獨測試程序如下：實驗結(jié)果：各路喇叭能正常輪流發(fā)聲。5.2.2 A/D模塊測試與實驗A/D模塊使用的是特殊功能模塊FX2N-4AD。需要對該模塊進行通道設(shè)置，增益設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取等操作。聲級計的模擬輸出在通道3，電壓電流分別在通道1和2。A/D模塊測試程序如下：電流變送器實驗測試數(shù)據(jù)如表7。表7 電流變送器實驗結(jié)果次數(shù)電源值/mA電表電流值/mAAD變

40、送器值/mV數(shù)字值電源值/數(shù)字值A(chǔ)D值/數(shù)字值電源實驗值/mA15000.141234810.2.5625480210000.292489810.2.980315000.4337214810.2.1480420000.5849319610.2.1960525000.7261824610.2.2460630000.8674129610.2.296073500186234410.2.3440840001.1598639410.2.3940945001.3110844310.2.44201050001.44123349210.2.4900根據(jù)上表的數(shù)據(jù)繪制出電流變送器的纖細關(guān)系如圖16。圖16 電流

41、變送器數(shù)據(jù)圖電流變送器實驗結(jié)論：PLC電流采樣的精度是正負0.1A。電壓變送器實驗測試數(shù)據(jù)如表8。表8 電壓變送器實驗結(jié)果次數(shù)電源值/mV電表電壓值/mVAD變送器值/mV數(shù)字值電源值/數(shù)字值A(chǔ)D值/數(shù)字值電源實驗值/mV1200033934414114.2.21302400067367927114.2.4110360001007101140214.2.6110480001344134753714.2.80255100001670167466914.2.1058061200019952000800152.5119707140002320233093015.2.14010816000265026

42、65106315.2.1593091800029702986119215.2.17963102000033103328132815.2.19905112200036403650146015.2.521920122400039803990159015.2.23910132600043004310172415.2.525868142800046204635185015.2.27875153000049604975198615.2.29888根據(jù)上表的數(shù)據(jù)繪制出電壓變送器的纖細關(guān)系如圖17。圖17 電壓變送器數(shù)據(jù)圖電壓變送器實驗結(jié)論：PLC電壓采樣的精度是正負0.1V。聲級計與A/D采樣數(shù)字值對應(yīng)實

43、驗數(shù)據(jù)如表9。表9 A/D采樣實驗結(jié)果次數(shù)聲級計/dBAD數(shù)字值A(chǔ)D電壓值/V聲級/ADAD數(shù)字/聲級150DB對應(yīng)的數(shù)字上限16516761.6760.0387825.3867.267.217461.7460.0384925.3897.367.717801.780.0380326.3943.471.818701.870.038426.3906.56817841.7840.0381226.3935.673.519111.9110.03846263900773.319031.9030.0385225.3894.869.517931.7930.0387625.3869.968.818111.811

44、0.0379926.3948.由表11可以得到的結(jié)論是：數(shù)字值與聲級計的分貝對應(yīng)關(guān)系大至為3900對應(yīng)150DB。聲級計與文本顯示器顯示值對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)如表10。表10 A/D采樣數(shù)據(jù)分析結(jié)果次數(shù)聲級計/dB文本顯示值/dB文本平均值/dB聲級計與文本之差/dB161.261.762.661.161.8-0.6267.267.667.6-0.4366.967.667.6-0.7471.672.172.172.1-0.557878780677.676.776.70.97787979-1873.674.573.87373.-0.967.467.567.5-0.1由表12可以得到的結(jié)論是：聲級計與文本

45、顯示的顯示誤差在正負1dB。誤差的產(chǎn)生源于兩者的顯示速率。實際上AD采集數(shù)據(jù)比這兩者都快，所以當(dāng)聲級計顯示值不變時，AD的值是一個變化的范圍，該范圍一般在正負1dB范圍內(nèi)。5.2.3 各種喇叭在不同距離下聲音分貝值測試系統(tǒng)安裝完后，對各種喇叭在規(guī)定2m距離下和模擬隔音箱內(nèi)0.6m下的聲音分貝值進行測試。各型號喇叭在不同距離下應(yīng)用愛華awa5633聲級計測試結(jié)果如表11所示。表11 不同喇叭不同距離聲音分貝值測量結(jié)果品牌型號額定電壓/電流距離/cm數(shù)據(jù)（聲級計）/dB通泰蝸牛12V/3A60104.3104.3104.3104.7105.6106.4105.3105.3105.420010110

46、2.5102.5102.5102.899.599.5100.9102.2聲揚盆形12V/3A60107.4107.2107.4108.2108.1108.2108.3108.8109.120099.7101.6100.7100.999.999.5101.2102.5100.6五獅盆形24V/3A60118.5120.2119.1119.5120.4118.2119118.7118.9200109.3112113.3110.2108112.1114.8115.3115.2偉東蝸牛24V/3A60109.9107.6108.3109.1108.2109.7109.6110.1110.6200106

47、.9106.6106.4105104.9106106.3106105.6對上表11的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表12所示。表12 喇叭聲音分貝值與距離的關(guān)系分析結(jié)果品牌型號額定電壓/電流距離/cm數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)整理最小值平均值最大值不同距離最小差不同距離最大差不同距離平均差同距離最大與最小差通泰蝸牛12V/3A60104.3105.1105.64.82.83.351.320099.5101.7102.83.3偉東蝸牛24V/3A60107.6110.1111.82.71.92.834.2200104.9107.3109.95聲揚盆形12V/3A60107.2108.1109.17.76.371

48、.920099.5101.1102.83.3五獅盆形24V/3A60116.7118.6120.48.75.16.473.7200108112.1115.37.3由表12的統(tǒng)計結(jié)果可以總結(jié)出：相同型號的喇叭在同一距離下發(fā)出聲音分貝有一定的波動；同一額定電壓/電流下盆型與蝸牛式喇叭發(fā)出分貝數(shù)有所不同，盆型喇叭聲音比較尖銳；總的來說，喇叭發(fā)出的聲音分貝值是變化的，但變化在一定的范圍內(nèi)最大的差距為7.3dB。5.2.4 耐久性能測試臺實驗結(jié)果分析耐久性能測試臺的系統(tǒng)測量誤差主要來源于兩方面：硬件電路（包括電壓電流變送器、聲音傳感器和AD轉(zhuǎn)換器等）誤差和算法誤差?，F(xiàn)結(jié)合本儀器的結(jié)構(gòu)對誤差來源進行分析。

49、電壓電流變送器部分，為了保證測量精度，使測量的電壓和電流信號不失真，對電壓和電流互感器的要求較高，要求其具有較好的頻率特性。這部分電路產(chǎn)生的誤差具有一定的非線性性質(zhì)（0.1V）。聲音傳感器部分采用模擬值輸出到A/D模塊，除本身誤差外，精確度還取決于A/D模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的精度主要取決于AD轉(zhuǎn)換器的分辨率。本裝置中模數(shù)轉(zhuǎn)換采用12位AD轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4AD，分辨率為20mV和20uA。軟件算法誤差，主要是A/D的精確度決定的，本裝置所需要的技術(shù)處理比較簡單，只有簡單的運算和比較處理，誤差的來源還是在聲音傳感器和電壓電流變送器上。6 總結(jié)本文通過對GB15742-2001和QC/T-2004

50、的深入研究，對現(xiàn)階段汽車電喇叭性能測試方法與裝備存在的不足與麻煩之處，提出了新的測試方法和方式，研究并制成了汽車電喇叭啟動、耐久性能實驗臺，其主要研究成果有：1、 完成了啟動性能能測試臺的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。本文采用了三菱FX1s-10MT控制器和文本顯示器MD204LV5，通過驅(qū)動電路對電喇叭進行精確開關(guān)控制，脈沖的時間精度1ms。2、 完成了耐久性能能測試臺的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。采用了三菱FX2N-16MT控制器、FX2N-4AD特殊功能模塊和MD204LV5文本顯示器，通過A/D模塊實時采集聲音、電壓和電流三個量來判斷每一路喇叭是否工作失效，并記錄統(tǒng)計工作次數(shù)和失效次數(shù)，有斷電保護功能。

51、3、 完成了兩測試臺的驅(qū)動電路的PCB設(shè)計。兩測試臺的驅(qū)動電路都是以開關(guān)管為主要元件，分別是IGBT管和電力MOS管，都有響應(yīng)時間快，耐高電壓和高電流的特性。4、 完成了一系列的實驗與調(diào)試工作。硬件完成后對啟動盒做了各工作模式的測試并通過檢測；耐久和在軟件設(shè)計階段需要的一些數(shù)據(jù)支持（如電壓電流變送器的線性關(guān)系與標(biāo)定、聲音傳感器的標(biāo)定）都獨立編寫了相應(yīng)的測試小程序并得到需要結(jié)果，最終完成預(yù)期目標(biāo)。雖然本設(shè)計各部分都按預(yù)期目標(biāo)完成，但由于時間和能力所限，課題所研究的內(nèi)容還有許多不足，還需進一步改進和完善，如：1、 啟動性能測試臺沒有解決與高性能的B&K聲級計的接口問題，兩設(shè)備其實是獨立工作的。2、 耐久性能測試臺的測試量暫時只有5路，還沒達到真正批量測試的目的。3、 消音室有消音效果，但還是不能完全等下成GB15742-2001規(guī)定下的所有條件，只是近似等下而已。致 謝本論文是在劉洪山老師的悉心指導(dǎo)下完成的。很感謝劉老師在繁忙的工作當(dāng)中還抽出寶貴的時間為我排憂解難。通過老師的指導(dǎo)講解及同學(xué)們的幫助鼓勵，畢業(yè)設(shè)計得以順利完成。這次畢業(yè)設(shè)計不僅使我在專業(yè)知識方面有了更加深刻的了解，同時我也對如何對待學(xué)習(xí)和工作有了正確的認識，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?/p>