基于虛擬儀器的車用電機(jī)測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)

引言

能源短缺和環(huán)保問題促使人們轉(zhuǎn)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(rèn)為是最有希望替代內(nèi)燃機(jī)汽車成為下一代公路運(yùn)輸工具的主流。無論是純電動(dòng)、混合動(dòng)力還是燃料電池汽車,都以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力源。一套適用的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)對(duì)于整車動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)非常重要。然而目前國(guó)內(nèi)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)一般不是針對(duì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)而設(shè)計(jì),而且自動(dòng)化程度不高,無法滿足測(cè)試的要求。因此需要開發(fā)一套專用的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試平臺(tái),這對(duì)于整車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化至關(guān)重要。

虛擬儀器技術(shù)是近幾年在自動(dòng)化測(cè)試和控制領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。其代表產(chǎn)品為美國(guó)NI 儀器公司的LabVIEW ,目前在包括汽車行業(yè)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合燃料電池轎車的技術(shù)特點(diǎn)和要求,提出了基于虛擬儀器和CAN 總結(jié)技術(shù)的系統(tǒng)集成方案,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略和故障管理機(jī)制。

系統(tǒng)功能分析

根據(jù)燃料電池轎車技術(shù)的特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試規(guī)范的要求,系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能:

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性測(cè)試;

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器的效率測(cè)試;

堵轉(zhuǎn)特性測(cè)試;

常溫0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)各溫度值的熱沖擊試驗(yàn);

溫升試驗(yàn);

最大制動(dòng)功率測(cè)定;

燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測(cè)試;

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)測(cè)試;

驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試;

根據(jù)測(cè)試需求,還應(yīng)增加相應(yīng)測(cè)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(jié)構(gòu)圖。從實(shí)現(xiàn)的角度將系統(tǒng)分為4 個(gè)層次:應(yīng)用層、控制層、通信層和物理層。

應(yīng)用層

應(yīng)用層即在上位控制機(jī)上應(yīng)用LabVIEW 軟件開發(fā)的應(yīng)用軟件。充分利用虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn),提供了實(shí)驗(yàn)人員與整個(gè)測(cè)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(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的輸入指令進(jìn)行解釋,控制測(cè)試系統(tǒng)按照預(yù)定要求完成測(cè)試任務(wù)。控制層從兩個(gè)級(jí)別上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制:第一級(jí)是系統(tǒng)級(jí),即上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫的控制程序,目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的運(yùn)行控制和通信控制;第二級(jí)是組態(tài)級(jí),采用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)及具體的控制策略。

通信層

通信層實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)各部分之間控制指令和信號(hào)數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。圖2 為基于CAN總線技術(shù)的系統(tǒng)通信層解決方案原理圖。受試對(duì)象、測(cè)功機(jī)、PLC 終端模塊A、PLC 終端模塊B 以及上位控制機(jī)組成一個(gè)五節(jié)點(diǎn)的CAN - bus。測(cè)功機(jī)既可以直接同總線通信,也可以通過PLC 終端模塊B 實(shí)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(shí),為滿足不同測(cè)試儀器的要求,系統(tǒng)還提供了對(duì)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(wù)的各個(gè)組成部件,包括受試對(duì)象、測(cè)功機(jī)、扭矩儀、PZ4000 (電量信號(hào)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備) 、冷卻系統(tǒng)、上位控制機(jī)、AU (包括齒輪箱、強(qiáng)電/ 弱電控制柜、變壓器、電流鉗箱、稀油站等其他輔助設(shè)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(hào)采集

受試對(duì)象是指被測(cè)電機(jī)(MOTOR) 及其變頻控制器( INV2) 。主變頻器( INV1) 和測(cè)功電機(jī)(DYNO) 組成測(cè)功機(jī)。電量信號(hào)采集處理設(shè)備PZ4000 采用GPIB 總線實(shí)現(xiàn)與上位控制機(jī)的通信。扭矩儀采集的扭矩和轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)經(jīng)過MP60 (頻率電壓變換器) 送給PZ4000 處理后,再傳送到上位機(jī)。

手動(dòng)模式和自動(dòng)模式

上位機(jī)采用LabVIEW 軟件作為軟件平臺(tái)進(jìn)行整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的指令輸入及數(shù)據(jù)的采集、分析和記錄,對(duì)各終端部件通過PLC 控制模塊進(jìn)行控制。系統(tǒng)的運(yùn)行有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式,手動(dòng)模式通過手動(dòng)輸入控制指令控制系統(tǒng)的運(yùn)行,自動(dòng)模式下系統(tǒng)按照預(yù)定控制過程自動(dòng)運(yùn)行。兩種模式可以自由切換。試驗(yàn)中的各種數(shù)據(jù)可以在上位機(jī)、PZ4000 上實(shí)時(shí)監(jiān)控,最終全部由上位機(jī)自動(dòng)記錄。