基于虛擬儀器的發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：在較短的時間內開發(fā)一套高性價比的發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)，實現(xiàn)多個物理量的高精度控制，并對數(shù)據自動記錄，處理，存儲，完成在多工況下對發(fā)動機各項性能的試驗；同時提供良好的人機界面。為開發(fā)出優(yōu)秀的發(fā)動機提供支持。

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

介紹：在這個試驗臺架中，要完成4個閉環(huán)控制，同時要完成大量的數(shù)據采集，工作中要處理的數(shù)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，通過軟件總體結構的合理布局，利用多線程技術，充分實現(xiàn)資源的高效利用，完成了多個實時控制任務，同時實現(xiàn)多通道數(shù)據采集處理，并提供了良好的人機界面。

系統(tǒng)概述

1.1 任務的提出

發(fā)動機是汽車動力的來源，汽車的動力性，經濟性，可靠性和環(huán)保等性能指標都直接與發(fā)動機相關，可以說發(fā)動機是汽車中最重要的部分，發(fā)動機的開發(fā)在整輛車的開發(fā)中占有很大的比重，發(fā)動機試驗臺架正是其開發(fā)過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口的，然而價格非常昂貴，那么對國內企業(yè)來講，開發(fā)屬于自己的臺架對企業(yè)發(fā)展將產生深遠的意義。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)在同軸方向上主要有3部分，分別是位于兩端的發(fā)動機和測功機，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：通過油門執(zhí)行器控制節(jié)氣門開度，通過測功機控制整個系統(tǒng)的轉速，根據國標要求實現(xiàn)不同的工況，并實時監(jiān)測速度，扭矩，功率，油耗，進氣壓力，冷卻水溫等參數(shù)，綜合分析評價其動力性，經濟性，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(shù)據支持，并為發(fā)動機自身的改進提供方向。

1.3 構成方案

我們根據控制系統(tǒng)響應速度，精度等技術指標的要求確定了系統(tǒng)的硬件構成方案。系統(tǒng)包括交流變頻調速系統(tǒng)，伺服定位系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。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(tǒng)，加熱系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)從主機PC中分離出去，由單片機系統(tǒng)控制完成，二者以ＣＡＮ通訊方式交換信息；實時性要求高的交流變頻調速系統(tǒng)，伺服定位系統(tǒng)和實時的監(jiān)測采集任務由卡完成，數(shù)據處理存儲，人機界面都由ＰＣ主機完成。系統(tǒng)結構如圖１所示。

系統(tǒng)的采集測量任務

2.1 實時類數(shù)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生數(shù)字信號，其測量采用脈沖計數(shù)的方式；扭矩是正弦信號經數(shù)字化處理得到的，其測量采用測占空比的方式。由于實時性要求較高，所以第一塊卡的計數(shù)口全部用于此處。

2.2 非實時類數(shù)據采集

進氣壓力，節(jié)氣門開度等雖不是實時類數(shù)據，但應用于反饋中；爆震信號，凸輪軸信號以及ECU信號雖也不是實時類數(shù)據，但處理過程較復雜，在LabVIEW中更易實現(xiàn)；基于此，這些信號全部由卡采集。除此以外，還有20路監(jiān)測量信號，全部交由采集儀完成，通過CAN通訊向PC機發(fā)送。

系統(tǒng)的控制任務

3.1 速度控制系統(tǒng)

速度控制是本系統(tǒng)的核心問題之一，目的是在不同的外部條件下提供穩(wěn)定的速度點，以便于對各參數(shù)采樣。具體實現(xiàn)方法是根據負荷的改變，通過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)動機受外部條件影響的因素較多，速度波動較大，一般的算法效果平平，我們采用神經網絡自適應控制算法，較好的解決了這一問題。

3.2 油門開度控制系統(tǒng)

油門開度控制是本系統(tǒng)的又一個核心，通過控制伺服電機拉動節(jié)氣門，工藝上要求單步越小越好，動作時間越快越好。驅動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(jié)氣門位置傳感器的實際位置作反饋信號，再形成一個外部控制環(huán)，這樣大大提高了控制精度。我們采用了一個脈沖輸出口和一個數(shù)字輸出口分別控制伺服電機的位置和方向；用一個數(shù)字輸入口作為位置零點的采集通道；其他諸如伺服使能，報警清除，脈沖禁止等功能均由數(shù)字輸出口加驅動電路實現(xiàn)。這部分使用的數(shù)字通道較多，卡上豐富的數(shù)字I/O口，計數(shù)口為系統(tǒng)的設計提供了方便。

3.3 冷卻液和機油溫度控制系統(tǒng)

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

電磁干擾問題

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。原始信號在傳輸過程中易受干擾，且處理過程較復雜，為此我們從硬件方面對模擬信號進行了數(shù)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程中的干擾和衰減，又避免了模擬采集的誤差。

4.2 系統(tǒng)接地的問題

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

系統(tǒng)的軟件

5.1 PC機軟件

PC機軟件是整個系統(tǒng)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，操作簡便，LabVIEW的圖形化編程功能為實現(xiàn)這一要求提供了簡潔的途徑。

運行程序首先彈出的是導航界面，從這可進入各大功能模塊，如圖2所示。為了加強系統(tǒng)安全保護，設置了用戶管理模塊，其實質是一個安全信息數(shù)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行管理。在各功能模塊的入口處安排關卡，對用戶的安全級和密碼進行兩級驗證，當用戶的安全級高于模塊安全級并且密碼驗證也通過時才能進行操作，如圖3所示。用戶管理模塊界面如圖4所示。

測控軟件包括了實時采集控制，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，更要求實用，可讀性可維護性強。我們通過軟件結構的合理布局，利用多線程技術充分實現(xiàn)了資源的高效利用。每類功能在一個While循環(huán)框中實現(xiàn)，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題來說，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，可在試驗參數(shù)模塊作相應的輸入；還可以在校準模塊作系統(tǒng)標定，這些數(shù)據系統(tǒng)會自動保存；在數(shù)據分析模塊可以調出試驗數(shù)據，進行管理和分析。

5.2 單片機軟件

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

總結

系統(tǒng)的軟硬件結構合理，使多個控制任務能夠良好的協(xié)調運行，精度和速度都滿足了設計要求，操控性能良好。建設周期8個月，比國外建設同類產品縮短了約2個月，價格約為國外產品的三分之一，市場可推廣度較高。為了使性能得到進一步的優(yōu)化，持續(xù)的研究開發(fā)一直在進行。