基于虛擬儀器的車用電機測試平臺控制系統(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。燃料電池汽車被認為是最有希望替代內(nèi)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(qū)動力源。一套適用的車用驅(qū)動電機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)的電機測試平臺一般不是針對車用驅(qū)動電機而設(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)計了相應的控制策略和故障管理機制。
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)動電機測試規(guī)范的要求,系統(tǒng)應具有以下主要功能:
驅(qū)動電機的外特性測試;
驅(qū)動電機及其控制器的效率測試;
堵轉(zhuǎn)特性測試;
常溫
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)矩響應測試;
驅(qū)動電機動態(tài)性能測試;
根據(jù)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(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(fā)的應用軟件。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
控制層負責對系統(tǒng)的輸入指令進行解釋,控制測試系統(tǒng)按照預定要求完成測試任務?？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、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(jié)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(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(shù)據(jù)采集處理設(shè)備) 、冷卻系統(tǒng)、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(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(shè)備PZ4000 采用GPIB 總線實現(xiàn)與上位控制機的通信。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。
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(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 控制模塊進行控制。系統(tǒng)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(tǒng)的運行,自動模式下系統(tǒng)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(shù)據(jù)可以在上位機、PZ4000 上實時監(jiān)控,最終全部由上位機自動記錄。
測功機與被測電機控制方式
由于采用交流測功機,系統(tǒng)實際具有對拖的能力,因此測功機和被測電機必然是一端采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制而另一端采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制,從而達到一種動態(tài)的平衡。另外對于車用驅(qū)動電機來說一般采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制,因此在本系統(tǒng)中采用下面的控制方式。
上位機與PLC 終端控制模塊B( ET261) 之間通過CAN 總線進行通信。主變頻器INV1 既可以從上位機也可以從ET261 接收轉(zhuǎn)速指令并與測功電機DYNO 根據(jù)所接受的轉(zhuǎn)速信號構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。上位機與被測電機的控制器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。被測電機及其控制器根據(jù)從上位機接受的轉(zhuǎn)矩信號構(gòu)成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
狀態(tài)監(jiān)控
上位機對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控,并根據(jù)不同的狀態(tài)采取相應的控制策略或隨時接受操作人員的指令輸入而采取相應的動作。采取分級的故障管理機制以保證系統(tǒng)安全可靠的運行。
主程序運行控制流程
主程序用戶圖形界面( GUI)
上位機用戶圖形界面采用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)運行的當前狀態(tài),并以此作為下一步操作的指導;
虛擬儀表盤的使用使操作者察看系統(tǒng)運行的轉(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。
主程序運行控制流程
圖4 為主程序運行控制流程圖。其中:
準備 準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制,將在后面作詳細介紹。
故障報警及處理機制
對于一個復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制是必不可少的。本系統(tǒng)采用一套分級的故障管理機制,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)各部件運行狀態(tài)碼,由各部件通過CAN 總線實時通知上位機。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)故障管理機制的基礎(chǔ)。一級故障被定位為最嚴重故障,必須?？傠娫?、進行檢修,譬如測功機過流、電機進出口壓力過載等。二級故障被定義為次級故障,需要切斷直流進行檢修,譬如電機進出口溫度過高等。三級故障被定義為輕微故障,但需要停被測電機和測功電機使能以便排除故障,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)中應用,用于車用驅(qū)動電機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)運行可靠,達到功能設(shè)計要求,并具有以下特點:
虛擬儀器技術(shù)的應用使系統(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);
分級的故障管理機制保障系統(tǒng)安全可靠運行,并且方便故障的診斷和排除;
交流測功機的應用使系統(tǒng)具備進行電機動態(tài)測試的能力;
CAN 總線技術(shù)的應用提高了系統(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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