基于虛擬儀器的發動機試驗臺架系統

挑戰：在較短的時間內開發一套高性價比的發動機試驗臺架系統，實現多個物理量的高精度控制，并對數據自動記錄，處理，存儲，完成在多工況下對發動機各項性能的試驗；同時提供良好的人機界面。為開發出優秀的發動機提供支持。

應用方案：使用National Instruments公司的LabVIEW 7.1和高精度數據采集卡，并以之為核心選配伺服電機，可控整流逆變系統，溫度控制系統，信號采集儀等來開發一套基于PC機的經濟可靠的發動機試驗測控系統。

介紹：在這個試驗臺架中，要完成4個閉環控制，同時要完成大量的數據采集，工作中要處理的數據量是非常巨大的，因此我們采用了兩塊PCI-6221卡；在軟件方面，通過軟件總體結構的合理布局，利用多線程技術，充分實現資源的高效利用，完成了多個實時控制任務，同時實現多通道數據采集處理，并提供了良好的人機界面。

系統概述

1.1 任務的提出

發動機是汽車動力的來源，汽車的動力性，經濟性，可靠性和環保等性能指標都直接與發動機相關，可以說發動機是汽車中最重要的部分，發動機的開發在整輛車的開發中占有很大的比重，發動機試驗臺架正是其開發過程中必不可少的設備。目前，國內使用的臺架大部分都是國外進口的，然而價格非常昂貴，那么對國內企業來講，開發屬于自己的臺架對企業發展將產生深遠的意義。

1.2 系統的工作原理

本系統在同軸方向上主要有3部分，分別是位于兩端的發動機和測功機，以及在中間起連接和測量扭矩作用的扭矩傳感器。工作機理是：通過油門執行器控制節氣門開度，通過測功機控制整個系統的轉速，根據國標要求實現不同的工況，并實時監測速度，扭矩，功率，油耗，進氣壓力，冷卻水溫等參數，綜合分析評價其動力性，經濟性，可靠性和環保等性能指標，在為其匹配合適的電控單元的工作中提供準確的數據支持，并為發動機自身的改進提供方向。

1.3 構成方案

我們根據控制系統響應速度，精度等技術指標的要求確定了系統的硬件構成方案。系統包括交流變頻調速系統，伺服定位系統，冷卻系統，加熱系統，氣動系統等多個子系統。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，加熱系統，氣動系統從主機PC中分離出去，由單片機系統控制完成，二者以ＣＡＮ通訊方式交換信息；實時性要求高的交流變頻調速系統，伺服定位系統和實時的監測采集任務由卡完成，數據處理存儲，人機界面都由ＰＣ主機完成。系統結構如圖１所示。

系統的采集測量任務

2.1 實時類數據采集

速度和扭矩的準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生數字信號，其測量采用脈沖計數的方式；扭矩是正弦信號經數字化處理得到的，其測量采用測占空比的方式。由于實時性要求較高，所以第一塊卡的計數口全部用于此處。

2.2 非實時類數據采集

進氣壓力，節氣門開度等雖不是實時類數據，但應用于反饋中；爆震信號，凸輪軸信號以及ECU信號雖也不是實時類數據，但處理過程較復雜，在LabVIEW中更易實現；基于此，這些信號全部由卡采集。除此以外，還有20路監測量信號，全部交由采集儀完成，通過CAN通訊向PC機發送。

系統的控制任務

3.1 速度控制系統

速度控制是本系統的核心問題之一，目的是在不同的外部條件下提供穩定的速度點，以便于對各參數采樣。具體實現方法是根據負荷的改變，通過控制變頻器輸出的電壓和頻率控制電機轉速恒定。由于發動機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，我們采用神經網絡自適應控制算法，較好的解決了這一問題。

3.2 油門開度控制系統

油門開度控制是本系統的又一個核心，通過控制伺服電機拉動節氣門，工藝上要求單步越小越好，動作時間越快越好。驅動器內部有以編碼器位置為反饋信號的內部PID控制環，軟件上以節氣門位置傳感器的實際位置作反饋信號，再形成一個外部控制環，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字輸出口分別控制伺服電機的位置和方向；用一個數字輸入口作為位置零點的采集通道；其他諸如伺服使能，報警清除，脈沖禁止等功能均由數字輸出口加驅動電路實現。這部分使用的數字通道較多，卡上豐富的數字I/O口，計數口為系統的設計提供了方便。

3.3 冷卻液和機油溫度控制系統

冷卻液和機油溫度控制主要是為發動機提供適宜的工作環境，最大限度地實現其正常使用壽命。在實時性方面對這兩個控制系統的要求不是特別高，為了合理利用資源，把這項任務交由單片機完成。

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，且處理過程較復雜，為此我們從硬件方面對模擬信號進行了數字化處理，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 系統接地的問題

由于本系統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重的，開始采用了導線屏蔽和系統接地的處理方式，但效果并不理想，較大的毛刺導致信號無法準確測量。為此我們多次試驗，發現變頻系統在采用大面積充分接地時，信號質量大大提高，已經不再影響測量了，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整，保持了系統的整潔美觀。

系統的軟件

5.1 PC機軟件

PC機軟件是整個系統的靈魂，從應用角度講它應包括兩大部分：人機界面和測控軟件。

人機界面要求美觀，操作簡便，LabVIEW的圖形化編程功能為實現這一要求提供了簡潔的途徑。

運行程序首先彈出的是導航界面，從這可進入各大功能模塊，如圖2所示。為了加強系統安全保護，設置了用戶管理模塊，其實質是一個安全信息數據庫，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行管理。在各功能模塊的入口處安排關卡，對用戶的安全級和密碼進行兩級驗證，當用戶的安全級高于模塊安全級并且密碼驗證也通過時才能進行操作，如圖3所示。用戶管理模塊界面如圖4所示。

測控軟件包括了實時采集控制，試驗流程控制，測量通訊，狀態報警等四大功能，這部分功能眾多，更要求實用，可讀性可維護性強。我們通過軟件結構的合理布局，利用多線程技術充分實現了資源的高效利用。每類功能在一個While循環框中實現，其中試驗流程控制采用了LabVIEW提供的狀態機。對于有順序控制要求且步驟很多的問題來說，狀態機是最有效的方法。測控軟件結構如圖5所示；測控軟件界面效果如圖6所示。

當試驗要求或條件有變化時，可在試驗參數模塊作相應的輸入；還可以在校準模塊作系統標定，這些數據系統會自動保存；在數據分析模塊可以調出試驗數據，進行管理和分析。

5.2 單片機軟件

單片機軟件是系統的另一個組成部分，主要實現冷卻液和機油的溫度采集控制以及一些監測量采集并要完成和PC機之間的信息交換。

總結

系統的軟硬件結構合理，使多個控制任務能夠良好的協調運行，精度和速度都滿足了設計要求，操控性能良好。建設周期8個月，比國外建設同類產品縮短了約2個月，價格約為國外產品的三分之一，市場可推廣度較高。為了使性能得到進一步的優化，持續的研究開發一直在進行。