基于虚拟仪器的车用电机测试平台控制系统

引言

能源短缺和环保问题促使人们转向开发低污染或者零污染的清洁汽车。燃料电池汽车被认为是最有希望替代内燃机汽车成为下一代公路运输工具的主流。无论是纯电动、混合动力还是燃料电池汽车,都以电动机作为驱动力源。一套适用的车用驱动电机的测试平台对于整车动力系统的开发非常重要。然而目前国内的电机测试平台一般不是针对车用驱动电机而设计,而且自动化程度不高,无法满足测试的要求。因此需要开发一套专用的车用驱动电机测试平台,这对于整车动力系统的设计及优化至关重要。

虚拟仪器技术是近几年在自动化测试和控制领域发展起来的一项新技术。其代表产品为美国NI 仪器公司的LabVIEW ,目前在包括汽车行业的众多领域得到广泛应用。本文结合燃料电池轿车的技术特点和要求,提出了基于虚拟仪器和CAN 总结技术的系统集成方案,并设计了相应的控制策略和故障管理机制。

系统功能分析

根据燃料电池轿车技术的特点及驱动电机测试规范的要求,系统应具有以下主要功能:

驱动电机的外特性测试;

驱动电机及其控制器的效率测试;

堵转特性测试;

常温0 ℃～100 ℃范围内各温度值的热冲击试验;

温升试验;

最大制动功率测定;

燃料电池轿车动力系统硬件在环仿真测试;

转矩响应测试;

驱动电机动态性能测试;

根据测试需求,还应增加相应测试功能。

基于虚拟仪器和CAN总线的系统集成方案

图1 为系统集成方案的梯形结构图。从实现的角度将系统分为4 个层次:应用层、控制层、通信层和物理层。

应用层

应用层即在上位控制机上应用LabVIEW 软件开发的应用软件。充分利用虚拟仪器技术的特点,提供了实验人员与整个测试系统友好方便的交互方式,体现了系统的总体输入和输出。

控制层

控制层负责对系统的输入指令进行解释,控制测试系统按照预定要求完成测试任务。控制层从两个级别上实现对系统的控制:第一级是系统级,即上位机采用LabVIEW软件编写的控制程序,目的是实现系统整体的运行控制和通信控制;第二级是组态级,采用PLC实现系统组态及具体的控制策略。

通信层

通信层实现了测试系统各部分之间控制指令和信号数据的高速可靠传输。图2 为基于CAN总线技术的系统通信层解决方案原理图。受试对象、测功机、PLC 终端模块A、PLC 终端模块B 以及上位控制机组成一个五节点的CAN - bus。测功机既可以直接同总线通信,也可以通过PLC 终端模块B 实现同总线的通信。采用CAN 通信协议作为系统通信层的骨干框架,既提高了系统可靠性和抗干扰能力,又保证了与整车通信协议的一致性。同时,为满足不同测试仪器的要求,系统还提供了对多种通信协议的兼容性,譬如IEEE488 、RS232 以及传统线束等。

物理层

物理层是指执行具体任务的各个组成部件,包括受试对象、测功机、扭矩仪、PZ4000 (电量信号数据采集处理设备) 、冷却系统、上位控制机、AU (包括齿轮箱、强电/ 弱电控制柜、变压器、电流钳箱、稀油站等其他辅助设备) 。

系统电气控制原理

图3 为系统电气控制原理示意图

信号采集

受试对象是指被测电机(MOTOR) 及其变频控制器( INV2) 。主变频器( INV1) 和测功电机(DYNO) 组成测功机。电量信号采集处理设备PZ4000 采用GPIB 总线实现与上位控制机的通信。扭矩仪采集的扭矩和转速频率信号经过MP60 (频率电压变换器) 送给PZ4000 处理后,再传送到上位机。

手动模式和自动模式

上位机采用LabVIEW 软件作为软件平台进行整个测试系统的指令输入及数据的采集、分析和记录,对各终端部件通过PLC 控制模块进行控制。系统的运行有手动和自动两种模式,手动模式通过手动输入控制指令控制系统的运行,自动模式下系统按照预定控制过程自动运行。两种模式可以自由切换。试验中的各种数据可以在上位机、PZ4000 上实时监控,最终全部由上位机自动记录。