基于虛擬儀器的車用電機測試平臺控制系統(tǒng)

引言

能源短缺和環(huán)保問題促使人們轉向開發(fā)低污染或者零污染的清潔汽車。燃料電池汽車被認為是最有希望替代內燃機汽車成為下一代公路運輸工具的主流。無論是純電動、混合動力還是燃料電池汽車,都以電動機作為驅動力源。一套適用的車用驅動電機的測試平臺對于整車動力系統(tǒng)的開發(fā)非常重要。然而目前國內的電機測試平臺一般不是針對車用驅動電機而設計,而且自動化程度不高,無法滿足測試的要求。因此需要開發(fā)一套專用的車用驅動電機測試平臺,這對于整車動力系統(tǒng)的設計及優(yōu)化至關重要。

虛擬儀器技術是近幾年在自動化測試和控制領域發(fā)展起來的一項新技術。其代表產品為美國NI 儀器公司的LabVIEW ,目前在包括汽車行業(yè)的眾多領域得到廣泛應用。本文結合燃料電池轎車的技術特點和要求,提出了基于虛擬儀器和CAN 總結技術的系統(tǒng)集成方案,并設計了相應的控制策略和故障管理機制。

系統(tǒng)功能分析

根據(jù)燃料電池轎車技術的特點及驅動電機測試規(guī)范的要求,系統(tǒng)應具有以下主要功能:

驅動電機的外特性測試;

驅動電機及其控制器的效率測試;

堵轉特性測試;

常溫0 ℃～100 ℃范圍內各溫度值的熱沖擊試驗;

溫升試驗;

最大制動功率測定;

燃料電池轎車動力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試;

轉矩響應測試;

驅動電機動態(tài)性能測試;

根據(jù)測試需求,還應增加相應測試功能。

基于虛擬儀器和CAN總線的系統(tǒng)集成方案

圖1 為系統(tǒng)集成方案的梯形結構圖。從實現(xiàn)的角度將系統(tǒng)分為4 個層次:應用層、控制層、通信層和物理層。

應用層

應用層即在上位控制機上應用LabVIEW 軟件開發(fā)的應用軟件。充分利用虛擬儀器技術的特點,提供了實驗人員與整個測試系統(tǒng)友好方便的交互方式,體現(xiàn)了系統(tǒng)的總體輸入和輸出。

控制層

控制層負責對系統(tǒng)的輸入指令進行解釋,控制測試系統(tǒng)按照預定要求完成測試任務?？刂茖訌膬蓚€級別上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制:第一級是系統(tǒng)級,即上位機采用LabVIEW軟件編寫的控制程序,目的是實現(xiàn)系統(tǒng)整體的運行控制和通信控制;第二級是組態(tài)級,采用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)及具體的控制策略。

通信層

通信層實現(xiàn)了測試系統(tǒng)各部分之間控制指令和信號數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。圖2 為基于CAN總線技術的系統(tǒng)通信層解決方案原理圖。受試對象、測功機、PLC 終端模塊A、PLC 終端模塊B 以及上位控制機組成一個五節(jié)點的CAN - bus。測功機既可以直接同總線通信,也可以通過PLC 終端模塊B 實現(xiàn)同總線的通信。采用CAN 通信協(xié)議作為系統(tǒng)通信層的骨干框架,既提高了系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力,又保證了與整車通信協(xié)議的一致性。同時,為滿足不同測試儀器的要求,系統(tǒng)還提供了對多種通信協(xié)議的兼容性,譬如IEEE488 、RS232 以及傳統(tǒng)線束等。

物理層

物理層是指執(zhí)行具體任務的各個組成部件,包括受試對象、測功機、扭矩儀、PZ4000 (電量信號數(shù)據(jù)采集處理設備) 、冷卻系統(tǒng)、上位控制機、AU (包括齒輪箱、強電/ 弱電控制柜、變壓器、電流鉗箱、稀油站等其他輔助設備) 。

系統(tǒng)電氣控制原理

圖3 為系統(tǒng)電氣控制原理示意圖

信號采集

受試對象是指被測電機(MOTOR) 及其變頻控制器( INV2) 。主變頻器( INV1) 和測功電機(DYNO) 組成測功機。電量信號采集處理設備PZ4000 采用GPIB 總線實現(xiàn)與上位控制機的通信。扭矩儀采集的扭矩和轉速頻率信號經過MP60 (頻率電壓變換器) 送給PZ4000 處理后,再傳送到上位機。

手動模式和自動模式

上位機采用LabVIEW 軟件作為軟件平臺進行整個測試系統(tǒng)的指令輸入及數(shù)據(jù)的采集、分析和記錄,對各終端部件通過PLC 控制模塊進行控制。系統(tǒng)的運行有手動和自動兩種模式,手動模式通過手動輸入控制指令控制系統(tǒng)的運行,自動模式下系統(tǒng)按照預定控制過程自動運行。兩種模式可以自由切換。試驗中的各種數(shù)據(jù)可以在上位機、PZ4000 上實時監(jiān)控,最終全部由上位機自動記錄。