基于虛擬儀器和CAN總線集成方案實現(xiàn)車用驅(qū)動電機(jī)測試平臺的設(shè)計

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、混合動力還是燃料電池汽車，都以電動機(jī)作為驅(qū)動力源。一套適用的車用驅(qū)動電機(jī)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(nèi)的電機(jī)測試平臺一般不是針對車用驅(qū)動電機(jī)而設(shè)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(qū)動電機(jī)測試平臺，這對于整車動力系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化至關(guān)重要。

虛擬儀器技術(shù)是近幾年在自動化測試和控制領(lǐng)域發(fā)展起來的一項新技術(shù)。其代表產(chǎn)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(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)的特點及驅(qū)動電機(jī)測試規(guī)范的要求，系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

驅(qū)動電機(jī)的外特性測試;

驅(qū)動電機(jī)及其控制器的效率測試;

堵轉(zhuǎn)特性測試;

常溫0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)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(zhuǎn)矩響應(yīng)測試;

驅(qū)動電機(jī)動態(tài)性能測試;

根據(jù)測試需求，還應(yīng)增加相應(yīng)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(jié)構(gòu)圖。從實現(xiàn)的角度將系統(tǒng)分為4 個層次：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，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(fù)責(zé)對系統(tǒng)的輸入指令進(jìn)行解釋，控制測試系統(tǒng)按照預(yù)定要求完成測試任務(wù)?？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(jī)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(yùn)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(shù)的系統(tǒng)通信層解決方案原理圖。受試對象、測功機(jī)、PLC 終端模塊A、PLC 終端模塊B 以及上位控制機(jī)組成一個五節(jié)點的CAN - bus。測功機(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(wù)的各個組成部件，包括受試對象、測功機(jī)、扭矩儀、PZ4000 （電量信號數(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） 。［page］

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(jī)（MOTOR） 及其變頻控制器（ INV2） 。主變頻器（ INV1） 和測功電機(jī)（DYNO） 組成測功機(jī)。電量信號采集處理設(shè)備PZ4000 采用GPIB 總線實現(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)。

手動模式和自動模式

上位機(jī)采用LabVIEW 軟件作為軟件平臺進(jìn)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(jìn)行控制。系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行，自動模式下系統(tǒng)按照預(yù)定控制過程自動運(yùn)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(jī)、PZ4000 上實時監(jiān)控，最終全部由上位機(jī)自動記錄。

測功機(jī)與被測電機(jī)控制方式

由于采用交流測功機(jī)，系統(tǒng)實際具有對拖的能力，因此測功機(jī)和被測電機(jī)必然是一端采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制而另一端采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，從而達(dá)到一種動態(tài)的平衡。另外對于車用驅(qū)動電機(jī)來說一般采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，因此在本系統(tǒng)中采用下面的控制方式。

上位機(jī)與PLC 終端控制模塊B（ ET261） 之間通過CAN 總線進(jìn)行通信。主變頻器INV1 既可以從上位機(jī)也可以從ET261 接收轉(zhuǎn)速指令并與測功電機(jī)DYNO 根據(jù)所接受的轉(zhuǎn)速信號構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。上位機(jī)與被測電機(jī)的控制器INV2之間依據(jù)實際情況可以采用不同的通信方式，考慮同整車通信協(xié)議的一致性，目前采用CAN 總線通信。被測電機(jī)及其控制器根據(jù)從上位機(jī)接受的轉(zhuǎn)矩信號構(gòu)成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

狀態(tài)監(jiān)控

上位機(jī)對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，并根據(jù)不同的狀態(tài)采取相應(yīng)的控制策略或隨時接受操作人員的指令輸入而采取相應(yīng)的動作。采取分級的故障管理機(jī)制以保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

主程序運(yùn)行控制流程

主程序用戶圖形界面（ GUI）

上位機(jī)用戶圖形界面采用LabVIEW 開發(fā)。在利用LabVIEW 開發(fā)程序界面過程中，充分利用了其在虛擬儀器方面的優(yōu)勢：

虛擬狀態(tài)燈和系統(tǒng)狀態(tài)碼的合理使用，使操作者可以實時掌握系統(tǒng)運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)，并以此作為下一步操作的指導(dǎo);

虛擬儀表盤的使用使操作者察看系統(tǒng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速更為輕松和方便;

虛擬示波器的使用使操作者對系統(tǒng)跟蹤設(shè)定的能力和效果作出實時的評價。

主程序運(yùn)行控制流程

圖4 為主程序運(yùn)行控制流程圖。其中：

準(zhǔn)備準(zhǔn)備過程包括工作模式選擇、驅(qū)動信號選擇、文件存儲路徑選擇、數(shù)據(jù)存儲時間間隔設(shè)定、最高轉(zhuǎn)速設(shè)定、故障日志設(shè)定等。根據(jù)受試對象的不同會有差別。

數(shù)據(jù)文件操作測試數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)存儲文件可采用EXCEL 或文本文件格式，以便于測試前后的數(shù)據(jù)錄入和處理。

故障處理故障處理有一套完整的管理機(jī)制，將在后面作詳細(xì)介紹。

故障報警及處理機(jī)制

對于一個復(fù)雜的自動化測試系統(tǒng)來講，一套完整有效的故障報警及處理機(jī)制是必不可少的。本系統(tǒng)采用一套分級的故障管理機(jī)制，定義了兩個類型3 個級別共64 種故障，既可以保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，又便于故障的診斷和排除。

故障處理流程

圖5 是系統(tǒng)故障處理的流程圖。故障類型、級別和種類的判斷依據(jù)是系統(tǒng)各部件運(yùn)行狀態(tài)碼，由各部件通過CAN 總線實時通知上位機(jī)。無論何種故障，最終都會以文本文件的格式存儲在故障日志文件里。

故障定義及處理

故障類型

故障類型分為A 型和B 型。當(dāng)故障發(fā)生時，首先需要判斷的是故障的類型。A 型故障被定義為無需提交操作人員決策的故障，其處理方式為系統(tǒng)根據(jù)其級別自動處理。B 型故障被定義為必須提交操作人員決策的故障，必須由操作人員根據(jù)其級別決定處理方式。

故障級別

故障級別分為3 級。這也是系統(tǒng)故障管理機(jī)制的基礎(chǔ)。一級故障被定位為最嚴(yán)重故障，必須?？傠娫?、進(jìn)行檢修，譬如測功機(jī)過流、電機(jī)進(jìn)出口壓力過載等。二級故障被定義為次級故障，需要切斷直流進(jìn)行檢修，譬如電機(jī)進(jìn)出口溫度過高等。三級故障被定義為輕微故障，但需要停被測電機(jī)和測功電機(jī)使能以便排除故障，譬如冷卻水箱液位過低、空氣開關(guān)工作異常等。

故障種類

共定義64 種故障種類，可以根據(jù)故障代碼確定故障原因。另外根據(jù)實際測試過程中測到的新問題可以繼續(xù)擴(kuò)展。這是一個累積的過程。

試驗結(jié)果

圖6 為測試得到的某型號車用驅(qū)動電機(jī)及其控制器的特性和效率曲線圖。

結(jié)束語

系統(tǒng)目前已在燃料電池轎車動力系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用，用于車用驅(qū)動電機(jī)及其控制器的綜合性能測試。實驗證明所設(shè)計的系統(tǒng)集成方案和控制策略可行，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到功能設(shè)計要求，并具有以下特點：

虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡化，成本降低，自動化程度提高;

實現(xiàn)手動/ 自動控制模式的無縫切換;

數(shù)據(jù)的輸入與存儲可通用EXCEL ，或文本文件自動完成，便于實驗數(shù)據(jù)分析;

針對車用驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計使系統(tǒng)最大程度的為整車動力系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù);

分級的故障管理機(jī)制保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，并且方便故障的診斷和排除;

交流測功機(jī)的應(yīng)用使系統(tǒng)具備進(jìn)行電機(jī)動態(tài)測試的能力;

CAN 總線技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)抗干擾能力，同時保持與整車通信協(xié)議的一致性。

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