基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：王麗，溫旭輝，曾莉莉，韓利 來(lái)源：微計(jì)算機(jī)信息

1 引言

隨著能源和環(huán)境問題日益受到重視，電動(dòng)汽車以其清潔無(wú)污染、能量效率高、低噪聲、能源多樣化等優(yōu)點(diǎn)研究發(fā)展迅速。電動(dòng)汽車作為一種交通工具，工作環(huán)境復(fù)雜多變，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要滿足可靠性高、效率高、調(diào)速性能好、造價(jià)低等性能要求。因此電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)及其控制器，系統(tǒng)測(cè)試中需較長(zhǎng)時(shí)間采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部和外部的信號(hào)，用到多個(gè)測(cè)量?jī)x器，輸出大量數(shù)據(jù)。電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的深入對(duì)其測(cè)試的效率和精度有了更高的要求，傳統(tǒng)的手工測(cè)試方法已無(wú)法滿足試驗(yàn)需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以PC機(jī)和工作站為基礎(chǔ)的虛擬儀器和分布式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)為主的現(xiàn)代化開放式測(cè)試系統(tǒng)已成為目前的發(fā)展趨勢(shì)。

因此，本文提出了一種基于CAN總線、GPIB總線和以太網(wǎng)的分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。下面詳細(xì)闡述該測(cè)試系統(tǒng)總體和各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方案。

2 分布式測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)需求分析

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)按照一定的測(cè)試規(guī)范給電機(jī)加載，使電機(jī)可以工作在各種給定的工況下，同時(shí)還要為電機(jī)提供一定的保護(hù)措施。測(cè)試對(duì)象為車用交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)，采用直流電源柜—電機(jī)控制器－電機(jī)—測(cè)功機(jī)的連接方式。電源柜的直流電壓輸出經(jīng)電機(jī)控制器逆變?yōu)榭煽氐娜嘧冾l變壓交流電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。電機(jī)的輸出軸連到測(cè)功機(jī)，通過(guò)測(cè)功機(jī)來(lái)完成機(jī)械功率的吸收。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

由圖1可見，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需測(cè)試量有：電機(jī)控制器的四路電流和四路電壓，包括輸入直流母線電壓電流和輸出三相交流電壓電流值；電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；至少三個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；冷卻系統(tǒng)的液體流量、流速和壓力；控制器內(nèi)部參數(shù)和控制指令等。要求各測(cè)試量的精度等級(jí)為0.5級(jí)，即誤差控制在千分之五以內(nèi)。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用集散控制思想，開發(fā)出適用于電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)的分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括接口網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及配套軟件。建立一套基于CAN總線、GPIB總線和Ethernet的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分布式在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，自動(dòng)完成測(cè)試、記錄和一些在線分析功能。

按照所需檢測(cè)的數(shù)據(jù)類型將系統(tǒng)劃分為四個(gè)子系統(tǒng)：電氣特性測(cè)試子系統(tǒng)，機(jī)械特性測(cè)試子系統(tǒng)，內(nèi)部信息調(diào)試子系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

系統(tǒng)以測(cè)控計(jì)算機(jī)為核心處理單元，就每個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口特點(diǎn)選擇合適的互連方案。方案的選取主要從以下幾個(gè)方面考慮：充分利用現(xiàn)有技術(shù)和儀器；經(jīng)濟(jì)性；兼容性和可擴(kuò)展性；傳輸速度和精度；網(wǎng)絡(luò)利用率等。

基于以上各方面因素的充分考慮后，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖２所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由圖2可見：電氣特性測(cè)試子系統(tǒng)進(jìn)行電氣參數(shù)的測(cè)量，包括控制器輸入輸出的電流和電壓，以及功率和效率等相關(guān)參數(shù)。采用LEM 公司生產(chǎn)的NORMA D6000功率分析儀作為測(cè)量?jī)x器，通過(guò)GPIB總線與測(cè)控計(jì)算機(jī)通信。

機(jī)械特性子系統(tǒng)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩外特性，采用南峰CW160電渦流測(cè)功機(jī)作為加載裝置和測(cè)量?jī)x器。南峰測(cè)功機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的模擬信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和CAN轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絠mc C1數(shù)據(jù)采集器。

內(nèi)部信息調(diào)試子系統(tǒng)測(cè)量控制器內(nèi)部在線運(yùn)行參數(shù)，由控制器直接CAN輸出，經(jīng)另一條CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。

環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)使用一系列傳感器，測(cè)量輸出冷卻系統(tǒng)的溫度、流量、流速、壓力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)境溫度、濕度、壓力的模擬量。

使用IMC公司生產(chǎn)的imc C1數(shù)據(jù)采集器作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，它標(biāo)配有2個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，8路模擬輸入通道和支持TCP/IP協(xié)議的Ethernet接口。機(jī)械特性子系統(tǒng)和內(nèi)部信息調(diào)試子系統(tǒng)分別通過(guò)兩路獨(dú)立的CAN總線、環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過(guò)多路模擬通道連接到imc C1。最后，這三個(gè)子系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)經(jīng)imc C1的以太網(wǎng)口傳輸?shù)綔y(cè)控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用美國(guó)NI公司的虛擬儀器開發(fā)軟件Labview7.0。它采用圖形化編程語(yǔ)言，提供了大量功能函數(shù)，有助于提高程序可靠性和開發(fā)效率。

系統(tǒng)開發(fā)包括軟硬件平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)信息管理、軟件界面設(shè)計(jì)和系統(tǒng)可靠性與誤差分析等方面的工作，本文對(duì)其中的幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)予以詳述。

3.1 GPIB通信

通用接口總線GPIB（General Purpose Interface Bus）是高速率8位并行數(shù)字接口，已成為IEEE 488標(biāo)準(zhǔn)。

本文采用NI公司的PCI-GPIB接口卡，最高傳輸速度可達(dá)1.5Mbytes/s。待集成的D6000功率分析儀可進(jìn)行終端電量的測(cè)量和分析，它的組件61D2模塊包含GPIB接口。

軟件使用LabVIEW下的VISA相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)GPIB通訊，VISA資源名稱為GPIB:6。用到的接口函數(shù)有：SH1， AH1， T5， L4， SR1， RL1， PP1， DC1， DT1， C0， E2。

本文采用模塊化編程，各模塊功能如下：

初始化：包括獲取儀器地址，重置，選擇工作模式。

儀器設(shè)置：設(shè)置采樣頻率，設(shè)置平均方式，超時(shí)時(shí)間設(shè)定。

觸發(fā)：觸發(fā)源設(shè)置，觸發(fā)方式，軟件觸發(fā)。

數(shù)據(jù)設(shè)置：設(shè)置功率分析儀，讀取所測(cè)變量。

讀取并顯示數(shù)據(jù)：使用“RED？”指令和VISA的Write和Read函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

出錯(cuò)信息顯示：出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)予以提示，并指出數(shù)據(jù)流出錯(cuò)環(huán)節(jié)。

關(guān)閉儀器：關(guān)閉總線I/O接口。

3.2 CAN通信

CAN總線（Controller Area Network）是一種具有很高保密性、有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，目前在工業(yè)控制尤其是汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

完整的CAN總線通信接口的硬件部分應(yīng)包括CAN收發(fā)器、電氣隔離部分、CAN控制器等。本系統(tǒng)使用了2路CAN總線，分別制訂兩個(gè)不同的協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)兼容，防止沖突。使用CRONOS PL/2 UNI8數(shù)據(jù)采集器作為兩路CAN總線的網(wǎng)關(guān)。連接機(jī)械特性測(cè)試子系統(tǒng)的CAN總線命名為CAN0，其協(xié)議規(guī)定了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的信息格式，內(nèi)部信息調(diào)試子系統(tǒng)的CAN總線命名為CAN1，用于傳輸控制器內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)和控制命令等。

其CAN通訊流程圖如圖4所示。

圖4 CAN通信程序流程圖

3.3 系統(tǒng)誤差分析

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量誤差進(jìn)行分析和計(jì)算，首先要分析子系統(tǒng)可能存在誤差的環(huán)節(jié)。例如電氣特性測(cè)量子系統(tǒng)可能引起誤差的環(huán)節(jié)有：LEM功率分析儀誤差、GPIB傳輸誤差和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換誤差；機(jī)械特性測(cè)量子系統(tǒng)可能引起誤差的環(huán)節(jié)有：南峰電渦流測(cè)功機(jī)誤差、A/D轉(zhuǎn)換誤差、CAN總線傳輸誤差、數(shù)據(jù)采集器誤差、以太網(wǎng)傳輸誤差和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換誤差。

以100/160kw交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率測(cè)試為實(shí)例進(jìn)行誤差分析：轉(zhuǎn)矩工作范圍為0~850Nm，轉(zhuǎn)速工作范圍0~4500rpm，最大輸出功率160kw，最大輸入功率190kw。南峰電渦流測(cè)功機(jī)扭矩測(cè)量精度為0.4%，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差不大于0.1%；LEM NORMA D6000功率分析儀的電流電壓測(cè)量精度為0.05%，功率測(cè)量誤差小于0.1%。合理設(shè)置總線及相關(guān)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的無(wú)損傳輸，同時(shí)選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型，使計(jì)算機(jī)終端顯示數(shù)據(jù)和測(cè)量?jī)x器面板顯示數(shù)據(jù)一致。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

（1）

按照廣義均方概合成法計(jì)算系統(tǒng)總不確定度

（2）

公式（2）中由于分項(xiàng)較少， 取２；分布情況不能確定，按均勻分布處理， 取 ；代入測(cè)功機(jī)和功率分析儀的不確定度的值：

（3）

帶入數(shù)值計(jì)算得到

（4）

測(cè)試系統(tǒng)需求中要求各測(cè)量參數(shù)精度不低于0.5級(jí)，即誤差控制在千分之五以內(nèi)。經(jīng)分析和計(jì)算，本系統(tǒng)所需測(cè)量參數(shù)的測(cè)量精度均滿足測(cè)量需求。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)現(xiàn)已在中科院電工所電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行?；贑AN總線、GPIB總線和以太網(wǎng)的分布式測(cè)試系統(tǒng)具有更安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，減少了手工記錄造成的不可靠因素，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)的信息集成能力，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的分布化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。

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