基于虛擬儀器的發(fā)動(dòng)機試驗臺架系統

挑戰：在較短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)一套高性?xún)r(jià)比的發(fā)動(dòng)機試驗臺架系統，實(shí)現多個(gè)物理量的高精度控制，并對數據自動(dòng)記錄，處理，存儲，完成在多工況下對發(fā)動(dòng)機各項性能的試驗；同時(shí)提供良好的人機界面。為開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機提供支持。

應用方案：使用National Instruments公司的LabVIEW 7.1和高精度數據采集卡，并以之為核心選配伺服電機，可控整流逆變系統，溫度控制系統，信號采集儀等來(lái)開(kāi)發(fā)一套基于PC機的經(jīng)濟可靠的發(fā)動(dòng)機試驗測控系統。

介紹：在這個(gè)試驗臺架中，要完成4個(gè)閉環(huán)控制，同時(shí)要完成大量的數據采集，工作中要處理的數據量是非常巨大的，因此我們采用了兩塊PCI-6221卡；在軟件方面，通過(guò)軟件總體結構的合理布局，利用多線(xiàn)程技術(shù)，充分實(shí)現資源的高效利用，完成了多個(gè)實(shí)時(shí)控制任務(wù)，同時(shí)實(shí)現多通道數據采集處理，并提供了良好的人機界面。

系統概述

1.1 任務(wù)的提出

發(fā)動(dòng)機是汽車(chē)動(dòng)力的來(lái)源，汽車(chē)的動(dòng)力性，經(jīng)濟性，可靠性和環(huán)保等性能指標都直接與發(fā)動(dòng)機相關(guān)，可以說(shuō)發(fā)動(dòng)機是汽車(chē)中最重要的部分，發(fā)動(dòng)機的開(kāi)發(fā)在整輛車(chē)的開(kāi)發(fā)中占有很大的比重，發(fā)動(dòng)機試驗臺架正是其開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的設備。目前，國內使用的臺架大部分都是國外進(jìn)口的，然而價(jià)格非常昂貴，那么對國內企業(yè)來(lái)講，開(kāi)發(fā)屬于自己的臺架對企業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生深遠的意義。

1.2 系統的工作原理

本系統在同軸方向上主要有3部分，分別是位于兩端的發(fā)動(dòng)機和測功機，以及在中間起連接和測量扭矩作用的扭矩傳感器。工作機理是：通過(guò)油門(mén)執行器控制節氣門(mén)開(kāi)度，通過(guò)測功機控制整個(gè)系統的轉速，根據國標要求實(shí)現不同的工況，并實(shí)時(shí)監測速度，扭矩，功率，油耗，進(jìn)氣壓力，冷卻水溫等參數，綜合分析評價(jià)其動(dòng)力性，經(jīng)濟性，可靠性和環(huán)保等性能指標，在為其匹配合適的電控單元的工作中提供準確的數據支持，并為發(fā)動(dòng)機自身的改進(jìn)提供方向。

1.3 構成方案

我們根據控制系統響應速度，精度等技術(shù)指標的要求確定了系統的硬件構成方案。系統包括交流變頻調速系統，伺服定位系統，冷卻系統，加熱系統，氣動(dòng)系統等多個(gè)子系統。為提高控制速度和精度，合理利用資源，將速度要求稍低的冷卻系統，加熱系統，氣動(dòng)系統從主機PC中分離出去，由單片機系統控制完成，二者以ＣＡＮ通訊方式交換信息；實(shí)時(shí)性要求高的交流變頻調速系統，伺服定位系統和實(shí)時(shí)的監測采集任務(wù)由卡完成，數據處理存儲，人機界面都由ＰＣ主機完成。系統結構如圖１所示。

系統的采集測量任務(wù)

2.1 實(shí)時(shí)類(lèi)數據采集

速度和扭矩的準確測量是保證臺架控制精度的第一步。速度由高精度的編碼器產(chǎn)生數字信號，其測量采用脈沖計數的方式；扭矩是正弦信號經(jīng)數字化處理得到的，其測量采用測占空比的方式。由于實(shí)時(shí)性要求較高，所以第一塊卡的計數口全部用于此處。

2.2 非實(shí)時(shí)類(lèi)數據采集

進(jìn)氣壓力，節氣門(mén)開(kāi)度等雖不是實(shí)時(shí)類(lèi)數據，但應用于反饋中；爆震信號，凸輪軸信號以及ECU信號雖也不是實(shí)時(shí)類(lèi)數據，但處理過(guò)程較復雜，在LabVIEW中更易實(shí)現；基于此，這些信號全部由卡采集。除此以外，還有20路監測量信號，全部交由采集儀完成，通過(guò)CAN通訊向PC機發(fā)送。

系統的控制任務(wù)

3.1 速度控制系統

速度控制是本系統的核心問(wèn)題之一，目的是在不同的外部條件下提供穩定的速度點(diǎn)，以便于對各參數采樣。具體實(shí)現方法是根據負荷的改變，通過(guò)控制變頻器輸出的電壓和頻率控制電機轉速恒定。由于發(fā)動(dòng)機受外部條件影響的因素較多，速度波動(dòng)較大，一般的算法效果平平，我們采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )自適應控制算法，較好的解決了這一問(wèn)題。

3.2 油門(mén)開(kāi)度控制系統

油門(mén)開(kāi)度控制是本系統的又一個(gè)核心，通過(guò)控制伺服電機拉動(dòng)節氣門(mén)，工藝上要求單步越小越好，動(dòng)作時(shí)間越快越好。驅動(dòng)器內部有以編碼器位置為反饋信號的內部PID控制環(huán)，軟件上以節氣門(mén)位置傳感器的實(shí)際位置作反饋信號，再形成一個(gè)外部控制環(huán)，這樣大大提高了控制精度。我們采用了一個(gè)脈沖輸出口和一個(gè)數字輸出口分別控制伺服電機的位置和方向；用一個(gè)數字輸入口作為位置零點(diǎn)的采集通道；其他諸如伺服使能，報警清除，脈沖禁止等功能均由數字輸出口加驅動(dòng)電路實(shí)現。這部分使用的數字通道較多，卡上豐富的數字I/O口，計數口為系統的設計提供了方便。

3.3 冷卻液和機油溫度控制系統

冷卻液和機油溫度控制主要是為發(fā)動(dòng)機提供適宜的工作環(huán)境，最大限度地實(shí)現其正常使用壽命。在實(shí)時(shí)性方面對這兩個(gè)控制系統的要求不是特別高，為了合理利用資源，把這項任務(wù)交由單片機完成。

電磁干擾問(wèn)題

4.1 模擬信號的處理

扭矩傳感器輸出的原始信號是兩路正弦信號，其相位差代表了扭矩的大小。原始信號在傳輸過(guò)程中易受干擾，且處理過(guò)程較復雜，為此我們從硬件方面對模擬信號進(jìn)行了數字化處理，以處理后的占空比表示相位差，這樣既防止了傳輸過(guò)程中的干擾和衰減，又避免了模擬采集的誤差。

4.2 系統接地的問(wèn)題

由于本系統中兩個(gè)核心的控制部分都使用了變頻裝置，電磁干擾問(wèn)題是比較嚴重的，開(kāi)始采用了導線(xiàn)屏蔽和系統接地的處理方式，但效果并不理想，較大的毛刺導致信號無(wú)法準確測量。為此我們多次試驗，發(fā)現變頻系統在采用大面積充分接地時(shí)，信號質(zhì)量大大提高，已經(jīng)不再影響測量了，于是放棄原來(lái)的線(xiàn)纜接地，改用大面積充分接地，通過(guò)布局和工裝的調整，保持了系統的整潔美觀(guān)。

系統的軟件

5.1 PC機軟件

PC機軟件是整個(gè)系統的靈魂，從應用角度講它應包括兩大部分：人機界面和測控軟件。

人機界面要求美觀(guān)，操作簡(jiǎn)便，LabVIEW的圖形化編程功能為實(shí)現這一要求提供了簡(jiǎn)潔的途徑。

運行程序首先彈出的是導航界面，從這可進(jìn)入各大功能模塊，如圖2所示。為了加強系統安全保護，設置了用戶(hù)管理模塊，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)安全信息數據庫，利用它對各功能模塊和操作人員的安全級和密碼等信息進(jìn)行管理。在各功能模塊的入口處安排關(guān)卡，對用戶(hù)的安全級和密碼進(jìn)行兩級驗證，當用戶(hù)的安全級高于模塊安全級并且密碼驗證也通過(guò)時(shí)才能進(jìn)行操作，如圖3所示。用戶(hù)管理模塊界面如圖4所示。

測控軟件包括了實(shí)時(shí)采集控制，試驗流程控制，測量通訊，狀態(tài)報警等四大功能，這部分功能眾多，更要求實(shí)用，可讀性可維護性強。我們通過(guò)軟件結構的合理布局，利用多線(xiàn)程技術(shù)充分實(shí)現了資源的高效利用。每類(lèi)功能在一個(gè)While循環(huán)框中實(shí)現，其中試驗流程控制采用了LabVIEW提供的狀態(tài)機。對于有順序控制要求且步驟很多的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，狀態(tài)機是最有效的方法。測控軟件結構如圖5所示；測控軟件界面效果如圖6所示。

當試驗要求或條件有變化時(shí)，可在試驗參數模塊作相應的輸入；還可以在校準模塊作系統標定，這些數據系統會(huì )自動(dòng)保存；在數據分析模塊可以調出試驗數據，進(jìn)行管理和分析。

5.2 單片機軟件

單片機軟件是系統的另一個(gè)組成部分，主要實(shí)現冷卻液和機油的溫度采集控制以及一些監測量采集并要完成和PC機之間的信息交換。

總結

系統的軟硬件結構合理，使多個(gè)控制任務(wù)能夠良好的協(xié)調運行，精度和速度都滿(mǎn)足了設計要求，操控性能良好。建設周期8個(gè)月，比國外建設同類(lèi)產(chǎn)品縮短了約2個(gè)月，價(jià)格約為國外產(chǎn)品的三分之一，市場(chǎng)可推廣度較高。為了使性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，持續的研究開(kāi)發(fā)一直在進(jìn)行。