基于EtherCAT 的安全带卷收力测试系统研究

张振岩，胡世广，白如玉

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

安全带是汽车安全行驶对驾驶人和乘客保护的重要部分，GB 14166—2013 对卷收器卷收力的测试参数和方法作出具体要求及说明。基于PCI 板卡和工控机的卷收力测试系统，在环境湿度较大或者长期不使用时，容易出现板卡接触不良导致无法识别甚至无法开机情形，很大程度上影响用户使用体验满意度。基于EtherCAT 总线的控制方式通过以太网连接，受湿度等环境因素影响较小，避免了PCI 接触不良等问题的发生。此外，EtherCAT 技术具有系统配置简单、拓扑结构灵活、传输速率高效、实时性高且低成本的优势，同时其分布式时钟机制可以同步所有支持该机制的从站时钟，使得从站节点之间时钟抖动远小于1 μs。本文系统下位机基于EtherCAT 技术进行运动控制，通过Modbus TCP 与上位机进行采集数据、控制指令和测试参数的通信，实现卷收力测试的高精度稳定控制，满足安全带卷收力相关试验测试需求。

1 控制系统

系统控制对象是一套电动伺服牵引装置，包含伺服电机、电缸和载荷传感器。系统选用研华工控机为上位机，Leetro I5 运动控制器及模块为下位机，松下A6B 伺服电机为驱动单元，FESTO 电缸为执行机构，Vishay 载荷传感器和伺服电机编码器为测量单元，各控制单元之间通过以太网网线连接，其硬件结构如图1 所示。

图1 硬件系统结构图

工控机与EtherCAT 控制器之间以Modbus TCP 协议进行通信，内容包括各传感器测量值、按钮信号、开关信号、控制及试验参数指令。EtherCAT 控制器、I/O 模块、伺服驱动器之间以EtherCAT 协议进行过程数据的通信，EtherCAT控制器为主站，I/O 模块和伺服驱动器为从站。在一个通信周期中，主站发送数据帧，从站在数据帧经过时读取相关报文中的输出数据，同时从站的输入数据插入到同一数据帧的相关报文中。当该数据帧经过所有从站并完成数据交换后，由EtherCAT 系统的末端从站将数据帧返回。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。

2 系统控制流程

2.1 实时系统控制流程

实时系统创建两个优先级任务，优先级1 是卷收力自动测试，循环周期为2 ms，监视时间为2 ms；优先级2 是手动调试程序，循环周期为10 ms，监视时间为5 ms。实时系统根据上位机的控制指令执行相应任务，其中自动测试程序流程如图2 所示。

图2 自动测试流程图

当收到上位机自动测试指令时，实时系统执行自动测试任务程序。首先通过载荷传感器反馈判断安全带试件安装情况，若未就绪则停止动作并进行提示，就绪状态下系统按照设定速度将安全带全部拉出，待全部拉出后电机开始反转将安全带卷回，到达设定卷回长度时停止动作，显示设定特征点卷收力数值和整个过程载荷-位移曲线，完成整个试验过程。

整个测试过程中系统实时采集载荷和位移反馈，进行伺服电机报警、载荷和位移超限状态的监测，一旦出现异常系统立即自动停机并报警提示。

2.2 人机系统交互流程

上位机选用研华610H 工控机，人机交互系统功能主要包括系统标定、手动调试、试验和数据库，其功能简要流程如图3 所示。

图3 人机交互系统流程图

系统标定包括传感器标定和通道设定。传感器标定用于进行工程值和电压值间的线性插值，以保证系统测试精度。通道设定用于设置模拟量输入传感器、电缸行程开关等开关量输入信号、电磁阀等开关量输出信号对应于模块的接口。

手动调试用于对系统单元逐一测试和调整，包括传感器反馈、开关、电磁阀等单元的测试，电动伺服加载机构的位置调整和闭环控制性能测试。

试验部分用于对安全带卷收力的自动测试。测试启动前需要进行参数设置，包括安全带总长度、特征点位置等产品特征参数，拉出速度、回卷速度、回卷长度等动作参数，载荷位移上下限等报警参数，曲线每秒绘制点数、滤波频率等数据处理参数。在试验界面点击“开始”，设定参数下载到EtherCAT 控制器相应共享寄存器，实时系统自动完成整个测试过程，上位机实时读取载荷和位移反馈并进行滤波处理、数据及曲线显示。当需要时按下“停止”按钮系统停止动作，当出现超载、超位移或者伺服报警等异常情况时系统自动停止工作，并在人机交互界面报警显示。

数据库用于测试结果数据的存储和查询。在每次测试结束后，点击试验界面“保存数据”，测试相关设置参数、测试结果及曲线都存入数据库。进入数据库界面，默认显示最近一次测试的信息，也可根据试验日期、试验人员、产品型号等进行历史记录查询。在曲线浏览部分可进行特征点查询，根据拉出位移或者回卷位移设定特征点，数据库自动计算并显示该特征点的回卷力和拉出力。

3 系统性能测试

根据本文提出的基于EtherCAT 实时以太网的伺服运动控制系统，我们搭建了卷收力测试台架，针对某型号安全带卷收力进行测试，安全带总长1 850 mm，特征点位置为20%，回卷长度50%，回卷速度8.3 mm/s，拉出到位载荷为15 N，拉出速度为10 mm/s，曲线每秒绘制点数50，低通滤波频率100，卷收力合格上限值为6.8 N。测试完成后试验界面如图4 所示，特征点位置卷收力为7.20 N，结果不合格。

图4 人机交互系统流程图

4 结论

本文基于超高速实时以太网EtherCAT 技术设计安全带卷收力测试系统，满足安全带卷收力测试的使用需求。系统软硬件集成度高、接线简单，减少系统装配工作量。系统协议开放性好、通信性能好，为改善控制算法性能提供条件。系统测量精度达到0.01 N、稳定性好，解决了现有设备存在的问题，受到用户的一致好评。