基于虛擬儀器的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)一套高性價(jià)比的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個物理量的高精度控制，并對數(shù)據(jù)自動記錄，處理，存儲，完成在多工況下對發(fā)動機(jī)各項(xiàng)性能的試驗(yàn)；同時(shí)提供良好的人機(jī)界面。為開發(fā)出優(yōu)秀的發(fā)動機(jī)提供支持。

應(yīng)用方案：使用National Instruments公司的LabVIEW 7.1和高精度數(shù)據(jù)采集卡，并以之為核心選配伺服電機(jī)，可控整流逆變系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，信號采集儀等來開發(fā)一套基于PC機(jī)的經(jīng)濟(jì)可靠的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)。

介紹：在這個試驗(yàn)臺架中，要完成4個閉環(huán)控制，同時(shí)要完成大量的數(shù)據(jù)采集，工作中要處理的數(shù)據(jù)量是非常巨大的，因此我們采用了兩塊PCI-6221卡；在軟件方面，通過軟件總體結(jié)構(gòu)的合理布局，利用多線程技術(shù)，充分實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，完成了多個實(shí)時(shí)控制任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集處理，并提供了良好的人機(jī)界面。

系統(tǒng)概述

1.1 任務(wù)的提出

發(fā)動機(jī)是汽車動力的來源，汽車的動力性，經(jīng)濟(jì)性，可靠性和環(huán)保等性能指標(biāo)都直接與發(fā)動機(jī)相關(guān)，可以說發(fā)動機(jī)是汽車中最重要的部分，發(fā)動機(jī)的開發(fā)在整輛車的開發(fā)中占有很大的比重，發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架正是其開發(fā)過程中必不可少的設(shè)備。目前，國內(nèi)使用的臺架大部分都是國外進(jìn)口的，然而價(jià)格非常昂貴，那么對國內(nèi)企業(yè)來講，開發(fā)屬于自己的臺架對企業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)在同軸方向上主要有3部分，分別是位于兩端的發(fā)動機(jī)和測功機(jī)，以及在中間起連接和測量扭矩作用的扭矩傳感器。工作機(jī)理是：通過油門執(zhí)行器控制節(jié)氣門開度，通過測功機(jī)控制整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)國標(biāo)要求實(shí)現(xiàn)不同的工況，并實(shí)時(shí)監(jiān)測速度，扭矩，功率，油耗，進(jìn)氣壓力，冷卻水溫等參數(shù)，綜合分析評價(jià)其動力性，經(jīng)濟(jì)性，可靠性和環(huán)保等性能指標(biāo)，在為其匹配合適的電控單元的工作中提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，并為發(fā)動機(jī)自身的改進(jìn)提供方向。

1.3 構(gòu)成方案

我們根據(jù)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，精度等技術(shù)指標(biāo)的要求確定了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成方案。系統(tǒng)包括交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，伺服定位系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。為提高控制速度和精度，合理利用資源，將速度要求稍低的冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)從主機(jī)PC中分離出去，由單片機(jī)系統(tǒng)控制完成，二者以ＣＡＮ通訊方式交換信息；實(shí)時(shí)性要求高的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，伺服定位系統(tǒng)和實(shí)時(shí)的監(jiān)測采集任務(wù)由卡完成，數(shù)據(jù)處理存儲，人機(jī)界面都由ＰＣ主機(jī)完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。

系統(tǒng)的采集測量任務(wù)

2.1 實(shí)時(shí)類數(shù)據(jù)采集

速度和扭矩的準(zhǔn)確測量是保證臺架控制精度的第一步。速度由高精度的編碼器產(chǎn)生數(shù)字信號，其測量采用脈沖計(jì)數(shù)的方式；扭矩是正弦信號經(jīng)數(shù)字化處理得到的，其測量采用測占空比的方式。由于實(shí)時(shí)性要求較高，所以第一塊卡的計(jì)數(shù)口全部用于此處。

2.2 非實(shí)時(shí)類數(shù)據(jù)采集

進(jìn)氣壓力，節(jié)氣門開度等雖不是實(shí)時(shí)類數(shù)據(jù)，但應(yīng)用于反饋中；爆震信號，凸輪軸信號以及ECU信號雖也不是實(shí)時(shí)類數(shù)據(jù)，但處理過程較復(fù)雜，在LabVIEW中更易實(shí)現(xiàn)；基于此，這些信號全部由卡采集。除此以外，還有20路監(jiān)測量信號，全部交由采集儀完成，通過CAN通訊向PC機(jī)發(fā)送。

系統(tǒng)的控制任務(wù)

3.1 速度控制系統(tǒng)

速度控制是本系統(tǒng)的核心問題之一，目的是在不同的外部條件下提供穩(wěn)定的速度點(diǎn)，以便于對各參數(shù)采樣。具體實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)負(fù)荷的改變，通過控制變頻器輸出的電壓和頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。由于發(fā)動機(jī)受外部條件影響的因素較多，速度波動較大，一般的算法效果平平，我們采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法，較好的解決了這一問題。

3.2 油門開度控制系統(tǒng)

油門開度控制是本系統(tǒng)的又一個核心，通過控制伺服電機(jī)拉動節(jié)氣門，工藝上要求單步越小越好，動作時(shí)間越快越好。驅(qū)動器內(nèi)部有以編碼器位置為反饋信號的內(nèi)部PID控制環(huán)，軟件上以節(jié)氣門位置傳感器的實(shí)際位置作反饋信號，再形成一個外部控制環(huán)，這樣大大提高了控制精度。我們采用了一個脈沖輸出口和一個數(shù)字輸出口分別控制伺服電機(jī)的位置和方向；用一個數(shù)字輸入口作為位置零點(diǎn)的采集通道；其他諸如伺服使能，報(bào)警清除，脈沖禁止等功能均由數(shù)字輸出口加驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)。這部分使用的數(shù)字通道較多，卡上豐富的數(shù)字I/O口，計(jì)數(shù)口為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了方便。

3.3 冷卻液和機(jī)油溫度控制系統(tǒng)

冷卻液和機(jī)油溫度控制主要是為發(fā)動機(jī)提供適宜的工作環(huán)境，最大限度地實(shí)現(xiàn)其正常使用壽命。在實(shí)時(shí)性方面對這兩個控制系統(tǒng)的要求不是特別高，為了合理利用資源，把這項(xiàng)任務(wù)交由單片機(jī)完成。

電磁干擾問題

4.1 模擬信號的處理

扭矩傳感器輸出的原始信號是兩路正弦信號，其相位差代表了扭矩的大小。原始信號在傳輸過程中易受干擾，且處理過程較復(fù)雜，為此我們從硬件方面對模擬信號進(jìn)行了數(shù)字化處理，以處理后的占空比表示相位差，這樣既防止了傳輸過程中的干擾和衰減，又避免了模擬采集的誤差。

4.2 系統(tǒng)接地的問題

由于本系統(tǒng)中兩個核心的控制部分都使用了變頻裝置，電磁干擾問題是比較嚴(yán)重的，開始采用了導(dǎo)線屏蔽和系統(tǒng)接地的處理方式，但效果并不理想，較大的毛刺導(dǎo)致信號無法準(zhǔn)確測量。為此我們多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)變頻系統(tǒng)在采用大面積充分接地時(shí)，信號質(zhì)量大大提高，已經(jīng)不再影響測量了，于是放棄原來的線纜接地，改用大面積充分接地，通過布局和工裝的調(diào)整，保持了系統(tǒng)的整潔美觀。

系統(tǒng)的軟件

5.1 PC機(jī)軟件

PC機(jī)軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，從應(yīng)用角度講它應(yīng)包括兩大部分：人機(jī)界面和測控軟件。

人機(jī)界面要求美觀，操作簡便，LabVIEW的圖形化編程功能為實(shí)現(xiàn)這一要求提供了簡潔的途徑。

運(yùn)行程序首先彈出的是導(dǎo)航界面，從這可進(jìn)入各大功能模塊，如圖2所示。為了加強(qiáng)系統(tǒng)安全保護(hù)，設(shè)置了用戶管理模塊，其實(shí)質(zhì)是一個安全信息數(shù)據(jù)庫，利用它對各功能模塊和操作人員的安全級和密碼等信息進(jìn)行管理。在各功能模塊的入口處安排關(guān)卡，對用戶的安全級和密碼進(jìn)行兩級驗(yàn)證，當(dāng)用戶的安全級高于模塊安全級并且密碼驗(yàn)證也通過時(shí)才能進(jìn)行操作，如圖3所示。用戶管理模塊界面如圖4所示。

測控軟件包括了實(shí)時(shí)采集控制，試驗(yàn)流程控制，測量通訊，狀態(tài)報(bào)警等四大功能，這部分功能眾多，更要求實(shí)用，可讀性可維護(hù)性強(qiáng)。我們通過軟件結(jié)構(gòu)的合理布局，利用多線程技術(shù)充分實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。每類功能在一個While循環(huán)框中實(shí)現(xiàn)，其中試驗(yàn)流程控制采用了LabVIEW提供的狀態(tài)機(jī)。對于有順序控制要求且步驟很多的問題來說，狀態(tài)機(jī)是最有效的方法。測控軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示；測控軟件界面效果如圖6所示。

當(dāng)試驗(yàn)要求或條件有變化時(shí)，可在試驗(yàn)參數(shù)模塊作相應(yīng)的輸入；還可以在校準(zhǔn)模塊作系統(tǒng)標(biāo)定，這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)會自動保存；在數(shù)據(jù)分析模塊可以調(diào)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行管理和分析。

5.2 單片機(jī)軟件

單片機(jī)軟件是系統(tǒng)的另一個組成部分，主要實(shí)現(xiàn)冷卻液和機(jī)油的溫度采集控制以及一些監(jiān)測量采集并要完成和PC機(jī)之間的信息交換。

總結(jié)

系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)合理，使多個控制任務(wù)能夠良好的協(xié)調(diào)運(yùn)行，精度和速度都滿足了設(shè)計(jì)要求，操控性能良好。建設(shè)周期8個月，比國外建設(shè)同類產(chǎn)品縮短了約2個月，價(jià)格約為國外產(chǎn)品的三分之一，市場可推廣度較高。為了使性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，持續(xù)的研究開發(fā)一直在進(jìn)行。