摘要:提出了一種基于CAN總線、GPIB總線和以太網的分布式電機驅動測試系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)網絡拓撲圖，詳細說明其硬件構建和Labview下的軟件實現(xiàn)，給出了系統(tǒng)誤差分析結果。
關鍵詞：電動汽車；測試系統(tǒng)；GPIB；CAN；以太網

引言

隨著能源和環(huán)境問題日益受到重視，電動汽車以其清潔無污染、能量效率高、低噪聲、能源多樣化等優(yōu)點研究發(fā)展迅速。電動汽車作為一種交通工具，工作環(huán)境復雜多變，其電機驅動系統(tǒng)需要滿足可靠性高、效率高、調速性能好、造價低等性能要求。因此電動汽車的電機驅動系統(tǒng)測試是一項重要研究內容。

電機驅動系統(tǒng)包括電機及其控制器，系統(tǒng)測試中需較長時間采集驅動系統(tǒng)內部和外部的信號，用到多個測量儀器，輸出大量數(shù)據(jù)。電動汽車電機驅動系統(tǒng)研究的深入對其測試的效率和精度有了更高的要求，傳統(tǒng)的手工測試方法已無法滿足試驗需求。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的發(fā)展，以PC機和工作站為基礎的虛擬儀器和分布式網絡化測試技術為主的現(xiàn)代化開放式測試系統(tǒng)已成為目前的發(fā)展趨勢。

因此，本文提出了一種基于CAN總線、GPIB總線和以太網的分布式電機驅動測試系統(tǒng)。下面詳細闡述該測試系統(tǒng)總體和各子系統(tǒng)的設計思想和方案。

2 分布式測試系統(tǒng)設計

2.1 測試系統(tǒng)需求分析

電機驅動系統(tǒng)試驗按照一定的測試規(guī)范給電機加載，使電機可以工作在各種給定的工況下，同時還要為電機提供一定的保護措施。測試對象為車用交流異步電機和永磁同步電機，采用直流電源柜―電機控制器－電機―測功機的連接方式。電源柜的直流電壓輸出經電機控制器逆變?yōu)榭煽氐娜嘧冾l變壓交流電，從而驅動電機工作。電機的輸出軸連到測功機，通過測功機來完成機械功率的吸收。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電機驅動試驗系統(tǒng)示意圖

由圖1可見，電機驅動系統(tǒng)所需測試量有：電機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；電機的輸出轉矩和轉速；至少三個溫度測點；冷卻系統(tǒng)的液體流量、流速和壓力；控制器內部參數(shù)和控制指令等。要求各測試量的精度等級為0.5級，即誤差控制在千分之五以內。

2.2 系統(tǒng)總體設計

本文采用集散控制思想，開發(fā)出適用于電動汽車電機驅動系統(tǒng)試驗的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括接口網絡設備及配套軟件。建立一套基于CAN總線、GPIB總線和Ethernet的現(xiàn)場總線技術的分布式在線監(jiān)測平臺，自動完成測試、記錄和一些在線分析功能。

按照所需檢測的數(shù)據(jù)類型將系統(tǒng)劃分為四個子系統(tǒng)：電氣特性測試子系統(tǒng)，機械特性測試子系統(tǒng)，內部信息調試子系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。

系統(tǒng)以測控計算機為核心處理單元，就每個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口特點選擇合適的互連方案。方案的選取主要從以下幾個方面考慮：充分利用現(xiàn)有技術和儀器；經濟性；兼容性和可擴展性；傳輸速度和精度；網絡利用率等。

基于以上各方面因素的充分考慮后，設計的監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結構如圖２所示。

圖2 測試系統(tǒng)網絡拓撲圖

2.3 子系統(tǒng)設計

由圖2可見：電氣特性測試子系統(tǒng)進行電氣參數(shù)的測量，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參數(shù)。采用LEM 公司生產的NORMA D6000功率分析儀作為測量儀器，通過GPIB總線與測控計算機通信。

機械特性子系統(tǒng)測量電機轉速和轉矩外特性，采用南峰CW160電渦流測功機作為加載裝置和測量儀器。南峰測功機輸出轉速和轉矩的模擬信號，該信號經A/D轉換和CAN轉換后傳輸?shù)絠mc C1數(shù)據(jù)采集器。

內部信息調試子系統(tǒng)測量控制器內部在線運行參數(shù)，由控制器直接CAN輸出，經另一條CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。

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

使用IMC公司生產的imc C1數(shù)據(jù)采集器作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)網關，它標配有2個CAN節(jié)點，8路模擬輸入通道和支持TCP/IP協(xié)議的Ethernet接口。機械特性子系統(tǒng)和內部信息調試子系統(tǒng)分別通過兩路獨立的CAN總線、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)通過多路模擬通道連接到imc C1。最后，這三個子系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)經imc C1的以太網口傳輸?shù)綔y控計算機。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

3 關鍵技術研究

監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用美國NI公司的虛擬儀器開發(fā)軟件Labview7.0。它采用圖形化編程語言，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)包括軟硬件平臺搭建、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)信息管理、軟件界面設計和系統(tǒng)可靠性與誤差分析等方面的工作，本文對其中的幾點關鍵技術予以詳述。

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標準。

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

軟件使用LabVIEW下的VISA相關函數(shù)實現(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。

儀器設置：設置采樣頻率，設置平均方式，超時時間設定。

觸發(fā)：觸發(fā)源設置，觸發(fā)方式，軟件觸發(fā)。

數(shù)據(jù)設置：設置功率分析儀，讀取所測變量。

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)，并進行格式轉換。

出錯信息顯示：出現(xiàn)錯誤時予以提示，并指出數(shù)據(jù)流出錯環(huán)節(jié)。

關閉儀器：關閉總線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實時控制的串行通信網絡，目前在工業(yè)控制尤其是汽車工業(yè)中得到廣泛應用。

完整的CAN總線通信接口的硬件部分應包括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，分別制訂兩個不同的協(xié)議，以實現(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總線的網關。連接機械特性測試子系統(tǒng)的CAN總線命名為CAN0，其協(xié)議規(guī)定了轉矩和轉速的信息格式，內部信息調試子系統(tǒng)的CAN總線命名為CAN1，用于傳輸控制器內部運行參數(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

對整個系統(tǒng)測量誤差進行分析和計算，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傳輸誤差和存儲數(shù)據(jù)類型轉換誤差；機械特性測量子系統(tǒng)可能引起誤差的環(huán)節(jié)有：南峰電渦流測功機誤差、A/D轉換誤差、CAN總線傳輸誤差、數(shù)據(jù)采集器誤差、以太網傳輸誤差和存儲數(shù)據(jù)類型轉換誤差。

以100/160kw交流異步電機驅動系統(tǒng)效率測試為實例進行誤差分析:轉矩工作范圍為0~850Nm，轉速工作范圍0~4500rpm，最大輸出功率160kw，最大輸入功率190kw。南峰電渦流測功機扭矩測量精度為0.4%，轉速測量誤差不大于0.1%；LEM NORMA D6000功率分析儀的電流電壓測量精度為0.05%，功率測量誤差小于0.1%。合理設置總線及相關協(xié)議，可以實現(xiàn)數(shù)字信號的無損傳輸，同時選擇數(shù)據(jù)存儲類型，使計算機終端顯示數(shù)據(jù)和測量儀器面板顯示數(shù)據(jù)一致。

電機驅動系統(tǒng)效率

（1）

按照廣義均方概合成法計算系統(tǒng)總不確定度

(2)

公式(2)中由于分項較少， ?。玻环植记闆r不能確定，按均勻分布處理， 取 ；代入測功機和功率分析儀的不確定度的值：

(3)

帶入數(shù)值計算得到

(4)

測試系統(tǒng)需求中要求各測量參數(shù)精度不低于0.5級，即誤差控制在千分之五以內。經分析和計算，本系統(tǒng)所需測量參數(shù)的測量精度均滿足測量需求。

4 結論

該系統(tǒng)現(xiàn)已在中科院電工所電動汽車實驗室試運行?；贑AN總線、GPIB總線和以太網的分布式測試系統(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，增強了現(xiàn)場的信息集成能力，實現(xiàn)了電動汽車電機驅動試驗系統(tǒng)的分布化、網絡化和集成化。

參考文獻：

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