摘要:提出了一種基于CAN總線(xiàn)、GPIB總線(xiàn)和以太網(wǎng)的分布式電機驅動(dòng)測試系統，并給出了系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖，詳細說(shuō)明其硬件構建和Labview下的軟件實(shí)現，給出了系統誤差分析結果。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；測試系統；GPIB；CAN；以太網(wǎng)

引言

隨著(zhù)能源和環(huán)境問(wèn)題日益受到重視，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)作為一種交通工具，工作環(huán)境復雜多變，其電機驅動(dòng)系統需要滿(mǎn)足可靠性高、效率高、調速性能好、造價(jià)低等性能要求。因此電動(dòng)汽車(chē)的電機驅動(dòng)系統測試是一項重要研究?jì)热荨?/P>

電機驅動(dòng)系統包括電機及其控制器，系統測試中需較長(cháng)時(shí)間采集驅動(dòng)系統內部和外部的信號，用到多個(gè)測量?jì)x器，輸出大量數據。電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統研究的深入對其測試的效率和精度有了更高的要求，傳統的手工測試方法已無(wú)法滿(mǎn)足試驗需求。隨著(zhù)計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以PC機和工作站為基礎的虛擬儀器和分布式網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)為主的現代化開(kāi)放式測試系統已成為目前的發(fā)展趨勢。

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

2 分布式測試系統設計

2.1 測試系統需求分析

電機驅動(dòng)系統試驗按照一定的測試規范給電機加載，使電機可以工作在各種給定的工況下，同時(shí)還要為電機提供一定的保護措施。測試對象為車(chē)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(jīng)電機控制器逆變?yōu)榭煽氐娜嘧冾l變壓交流電，從而驅動(dòng)電機工作。電機的輸出軸連到測功機，通過(guò)測功機來(lái)完成機械功率的吸收。系統結構如圖1所示。

圖1 電機驅動(dòng)試驗系統示意圖

由圖1可見(jiàn)，電機驅動(dòng)系統所需測試量有：電機控制器的四路電流和四路電壓，包括輸入直流母線(xiàn)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(gè)溫度測點(diǎn)；冷卻系統的液體流量、流速和壓力；控制器內部參數和控制指令等。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?xún)取?/P>

2.2 系統總體設計

本文采用集散控制思想，開(kāi)發(fā)出適用于電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統試驗的分布式在線(xiàn)監測系統，包括接口網(wǎng)絡(luò )設備及配套軟件。建立一套基于CAN總線(xiàn)、GPIB總線(xiàn)和Ethernet的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的分布式在線(xiàn)監測平臺，自動(dòng)完成測試、記錄和一些在線(xiàn)分析功能。

按照所需檢測的數據類(lèi)型將系統劃分為四個(gè)子系統：電氣特性測試子系統，機械特性測試子系統，內部信息調試子系統和環(huán)境監測子系統。

系統以測控計算機為核心處理單元，就每個(gè)子系統的數據接口特點(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：充分利用現有技術(shù)和儀器；經(jīng)濟性；兼容性和可擴展性；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，設計的監測系統拓撲結構如圖２所示。

圖2 測試系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

2.3 子系統設計

由圖2可見(jiàn)：電氣特性測試子系統進(jìn)行電氣參數的測量，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(guān)參數。采用LEM 公司生產(chǎn)的NORMA D6000功率分析儀作為測量?jì)x器，通過(guò)GPIB總線(xiàn)與測控計算機通信。

機械特性子系統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?jì)x器。南峰測功機輸出轉速和轉矩的模擬信號，該信號經(jīng)A/D轉換和CAN轉換后傳輸到imc C1數據采集器。

內部信息調試子系統測量控制器內部在線(xiàn)運行參數，由控制器直接CAN輸出，經(jīng)另一條CAN總線(xiàn)傳輸到數據采集器。

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

使用IMC公司生產(chǎn)的imc C1數據采集器作為系統數據網(wǎng)關(guān)，它標配有2個(gè)CAN節點(diǎn)，8路模擬輸入通道和支持TCP/IP協(xié)議的Ethernet接口。機械特性子系統和內部信息調試子系統分別通過(guò)兩路獨立的CAN總線(xiàn)、環(huán)境監測子系統通過(guò)多路模擬通道連接到imc C1。最后，這三個(gè)子系統的所有數據經(jīng)imc C1的以太網(wǎng)口傳輸到測控計算機。系統數據流圖如圖3所示。

圖3 測試系統數據流圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

監測系統軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用美國NI公司的虛擬儀器開(kāi)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，有助于提高程序可靠性和開(kāi)發(fā)效率。

系統開(kāi)發(fā)包括軟硬件平臺搭建、數據采集與處理、數據信息管理、軟件界面設計和系統可靠性與誤差分析等方面的工作，本文對其中的幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)予以詳述。

3.1 GPIB通信

通用接口總線(xiàn)GPIB(General Purpose Interface Bus)是高速率8位并行數字接口，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(jìn)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(guān)函數實(shí)現GPIB通訊，VISA資源名稱(chēng)為GPIB:6。用到的接口函數有：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(shí)時(shí)間設定。

觸發(fā)：觸發(fā)源設置，觸發(fā)方式，軟件觸發(fā)。

數據設置：設置功率分析儀，讀取所測變量。

讀取并顯示數據：使用“RED?”指令和VISA的Write和Read函數讀取數據，并進(jìn)行格式轉換。

出錯信息顯示：出現錯誤時(shí)予以提示，并指出數據流出錯環(huán)節。

關(guān)閉儀器：關(guān)閉總線(xiàn)I/O接口。

3.2 CAN通信

CAN總線(xiàn)（Controller Area Network）是一種具有很高保密性、有效支持分布式控制或實(shí)時(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(chē)工業(yè)中得到廣泛應用。

完整的CAN總線(xiàn)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。本系統使用了2路CAN總線(xiàn)，分別制訂兩個(gè)不同的協(xié)議，以實(shí)現兼容，防止沖突。使用CRONOS PL/2 UNI8數據采集器作為兩路CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。連接機械特性測試子系統的CAN總線(xiàn)命名為CAN0，其協(xié)議規定了轉矩和轉速的信息格式，內部信息調試子系統的CAN總線(xiàn)命名為CAN1，用于傳輸控制器內部運行參數和控制命令等。

其CAN通訊流程圖如圖4所示。

圖4 CAN通信程序流程圖

3.3 系統誤差分析

對整個(gè)系統測量誤差進(jìn)行分析和計算，首先要分析子系統可能存在誤差的環(huán)節。例如電氣特性測量子系統可能引起誤差的環(huán)節有：LEM功率分析儀誤差、GPIB傳輸誤差和存儲數據類(lèi)型轉換誤差；機械特性測量子系統可能引起誤差的環(huán)節有：南峰電渦流測功機誤差、A/D轉換誤差、CAN總線(xiàn)傳輸誤差、數據采集器誤差、以太網(wǎng)傳輸誤差和存儲數據類(lèi)型轉換誤差。

以100/160kw交流異步電機驅動(dòng)系統效率測試為實(shí)例進(jìn)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(xiàn)及相關(guān)協(xié)議，可以實(shí)現數字信號的無(wú)損傳輸，同時(shí)選擇數據存儲類(lèi)型，使計算機終端顯示數據和測量?jì)x器面板顯示數據一致。

電機驅動(dòng)系統效率

（1）

按照廣義均方概合成法計算系統總不確定度

(2)

公式(2)中由于分項較少， ?。?；分布情況不能確定，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)

帶入數值計算得到

(4)

測試系統需求中要求各測量參數精度不低于0.5級，即誤差控制在千分之五以?xún)?。?jīng)分析和計算，本系統所需測量參數的測量精度均滿(mǎn)足測量需求。

4 結論

該系統現已在中科院電工所電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗室試運行?；贑AN總線(xiàn)、GPIB總線(xiàn)和以太網(wǎng)的分布式測試系統具有更安全可靠的數據傳輸，減少了手工記錄造成的不可靠因素，增強了現場(chǎng)的信息集成能力，實(shí)現了電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)試驗系統的分布化、網(wǎng)絡(luò )化和集成化。

參考文獻：

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