基于虛擬儀器的車用電機測試平臺控制系統

引言

能源短缺和環保問題促使人們轉向開發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的開發非常重要。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。因此需要開發一套專用的車用驅動電機測試平臺,這對于整車動力系統的設計及優化至關重要。

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 總結技術的系統集成方案,并設計了相應的控制策略和故障管理機制。

系統功能分析

根據燃料電池轎車技術的特點及驅動電機測試規范的要求,系統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硬件在環仿真測試;

轉矩響應測試;

驅動電機動態性能測試;

根據測試需求,還應增加相應測試功能。

基于虛擬儀器和CAN總線的系統集成方案

圖1 為系統集成方案的梯形結構圖。從實現的角度將系統分為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友好方便的交互方式,體現了系統的總體輸入和輸出。

控制層

控制層負責對系統的輸入指令進行解釋,控制測試系統按照預定要求完成測試任務。控制層從兩個級別上實現對系統的控制:第一級是系統級,即上位機采用LabVIEW軟件編寫的控制程序,目的是實現系統整體的運行控制和通信控制;第二級是組態級,采用PLC實現系統組態及具體的控制策略。

通信層

通信層實現了測試系統各部分之間控制指令和信號數據的高速可靠傳輸。圖2 為基于CAN總線技術的系統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 實現同總線的通信。采用CAN 通信協議作為系統通信層的骨干框架,既提高了系統可靠性和抗干擾能力,又保證了與整車通信協議的一致性。同時,為滿足不同測試儀器的要求,系統還提供了對多種通信協議的兼容性,譬如IEEE488 、RS232 以及傳統線束等。

物理層

物理層是指執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 (電量信號數據采集處理設備) 、冷卻系統、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) 。

系統電氣控制原理

圖3 為系統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的指令輸入及數據的采集、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的運行,自動模式下系統按照預定控制過程自動運行。兩種模式可以自由切換。試驗中的各種數據可以在上位機、PZ4000 上實時監控,最終全部由上位機自動記錄。