基于PXI的交流测功机系统开发

第4期(总第164期)2006年8月车用发动机VEHICLE ENGINENo4(Serial No164)Aug。2006测试技术基于PXI的交流测功机系统开发周 斌1，金振华1，高大威1，田 颖2，卢青春1(1清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2北京交通大学测试技术与控制工程系，北京 100044)摘要：主要介绍了基于PXI的交流测功机系统的开发，设计了整个系统的硬件，对电机及控制器、油门执行器、转速扭矩测量设备进行了选型，并通过PXI硬件平台对各设备进行通讯和控制采用快速控制原型方法进行软件开发，基于LabVIEW进行上位机界面设计。试验表明，在发动机起动、恒转速控制以及恒扭矩控制3种情况下，系统控制效果良好，响应较快较平稳，为之后的动态控制奠定了基础。关键词：交流测功机；PXI；LabVIEW中图分类号：TH89 文献标志码：B 文章编号：10012222(2006)04005703电子技术的飞速发展以及变频技术在异步电机电源供电方面的成功应用，为交流电力测功机提供了足够宽的调速范围和良好的工作性能。发动机动态试验台利用加载装置来模拟发动机在整车上实际运行时的负载状态和过程，从而无需装车即可研究发动机的动态特性。随着对发动机动态特性的深入研究，国内已经引进了很多国外先进的动态试验台，这些产品均采用交流测功机作为加载装置。与其他类型的测功机相比，交流测功机具有响应快、控制精度高、运行可靠和便于维护等特点，综合性能较好。同时，交流电机既可以按电动机运行，也可以按发电机运行。按发电机运行时，测功机发出的电能，既可以消耗在负荷电阻上，在条件许可时，也可以输回到供电电网加以利用1。国外的交流测功机价格昂贵，而国内在这方面的研究尚处于起步阶段，对交流测功机系统进行开发设计是非常必要的。1 系统硬件设计首先，要搭建一套完整的系统平台。开发的平台基于PXI，再生能量的处理为反馈给电网；使用带能量回馈的变频控制器，以便于将测功电机吸收的能量直接反馈到供电电网，节省能源。11 电机及其控制器交流电机是交流测功机的核心硬件，要求能长期处于负载发电状态，转动惯量足够小，能够满足动态响应的要求；调速范围要足够宽，特性曲线能够满足作为负载的要求。目前，在交流电力测功系统中使用的交流电机主要是异步绕线式和鼠笼式电机，前者转速一般3 000 rmin左右，后者为高速测功机的首选2【。在动态试验台上，为能覆盖发动机的加载区域，最大转速一般要求达到6 000 rmin10 000 rmin。因此，高速测功机采用鼠笼式交流电机，配以相应的变频控制器，通过变频调速获得高转速。在额定转速以下，为恒扭矩控制；在额定转速以上，为恒功率控制。本研究开发的平台中，暂时选用单输出轴太阳电AC90电机，输出功率110 kW，额定转速2 000 rmin，最高转速6 000 rmin；选用直接扭矩控制技术变频控制器。12油门执行器及其控制单元在交流测功机系统中，为了实现动态的加载控制，油门执行器及控制单元也是十分重要的硬件。国外的测功机一般是通过CAN总线连接执行器和控制单元，采用IGBT伺服电机转换装置，并带集成无刷电机的线性位置单元。通过蜗轮蜗杆将电机的角行程线性转换成直线行程，再转化成油门的角行程，故执行器与油门之间的角行程是完全线性的，控制精度高，响应速度快，但价格比较昂贵。考虑到阶段需要和成本，开发设计的平台中采用国产步进电机角行程油门执行器，其最大扭矩为15 Nm；最大转角为90。5。；全行程响应时间为400 ms；采用与之配套的国产可控硅整流油门驱动控制器，作为控制单元。13转速扭矩测量在交流测功机的控制中，转速和扭矩是最关键收稿日期：20060531；修回日期：20060719作者简介：周斌(1981一)，男，江苏省武进市人，硕士，主要研究方向为动力装置测试与控制 万方数据58 车用发动机 2006年第4期的两个参数，其测量的精度极大地影响着最终的控制效果。在本试验平台中，转速测量采用增量式编码器，交流电机的转速由电机控制器获得。转矩的测量采用国产扭矩传感器，量程范围为500 Nm，精度为05。14实时控制平台PXIPXI(PCI eXtensions for Instrumentation)定义为用于测试、测量和控制，基于PC的一种小型模块化仪器平台。PXI具备高性能的Pentium处理器以及集成的外部设备，可实现控制PC、信号发生和切换开关等功能。采用嵌入式实时PXI控制器作为实时控制平台，嵌入式实时PXI控制器具有实时性和确定性，最大40 kHz的单PID循环速度，看门狗定时器等，并能够进行独立的可靠操作口。PXI实时采集发动机的转速和扭矩等信号，经过控制计算后将设定油门和设定扭矩信号传给油门控制器及电机控制器，从而控制发动机的工况，实现其动态控制。此外，上位机与PXI通过TCPIP协议连接，操作者可通过上位机对整个系统进行监控和操作。PXI功能分解后的系统硬件结构如图1所示。TCPIP协议6070E采集卡COMlJ控制指及控制量臣墨E塑堑夔型量!=i!垫鱼!盟：里：i塑盟：竺陌派孺再墓丽望!?茎霎擘塑堕蔓坚竺坠塑坠塑竺竺骘雨丽丽电机转速等L=上=二=兰习CANRS232二二二=二习电机控制器设定扭矩一 一图1 基于PXI的系统硬件结构2系统软件设计21 基于快速原型方法的软件设计PXI自带LabVIEW RT模块，该模块具有嵌入式和实时控制的图形化开发环境，可以生成独立应用程序，并将程序下载到RT系列硬件上运行。同时，由于与RT系列硬件无缝集成，能够提供可靠的实时性能，就使整个系统的设计流程可以基于快速原型的设计方法。整个系统的软件是基于Lab-VIEW设计的。首先在LabVIEW下建立模型，并运行程序；运行结果满意后，将程序下载到PXI中的LabVIEwRT实时控制系统中运行，分析结果并调整参数；最后进行实际产品的开发，具体流程见图2。利用快速原型设计可以大大提高开发效率，节省开发成本。图2 快速原型设计流程22基于LabVIEW平台的软件开发LabVIEW是虚拟仪器开发平台，是测试控制软件集成开发环境，采用图形化编程语言，提供了大量图形界面构件和函数模块，并直接对端口串口进行操作，支持多任务，对外设有C语言编程接口。用LabVIEW开发可提高程序的可靠性，大大节省了开发时间。系统软件控制主程序流程如图3所示。j_ 一一对应的Pt控制器图3 系统控制主程序流程由图可见，状态监控功能模块除了实时采集数佥爹 万方数据2006年8月 周斌，等：基于PXI的交流测功机系统开发据并进行显示之外，还要进行系统的控制。系统的控制要求定时、实时、响应快速，但有些通信为应答式，为了保证通信和控制的正常，需要对循环任务进行合理的安排。最后，程序实现周期为10 ms的准确控制，并通过定时器严格执行。3试验结果试验采用仿丰田A8发动机，标定功率为63 kW，T星之嘲僻1 4001 2001 000800600400200O最高转速为6 000 rmin，最大扭矩为110 Nm，最大扭矩转速为5 200 rmin。该发动机为“双峰”发动机，扭矩在3 200 rmin处还有一个峰值。31发动机起动在本平台中，发动机无须进行点火操作，可直接由交流测功机拖动起动；油门始终处于0，转速由0阶跃至1 200 rmin，其转速和扭矩的控制效果见图4。?曼蚤时间t，ms图4 测功机拖动发动机起动时转速扭矩控制效果32恒转速控制图5所示为系统在恒转速控制模式下，油门恒定在100，转速恒定在2 800 rmin的稳态控制效果。结果表明，转速控制精度稳定在1 rmin以内，对应的扭矩波动也很小，在1 Nm内，其控制效果令人满意。了量暑之嘲擗gZ、捌辑图5 发动机恒转速控制效果33恒扭矩控制图6所示为在恒扭矩控制下，油门位置恒定在31，扭矩从20 Nm向上阶跃到45 Nm的控制效果。其调整时间在2 s以内，转速对应的响应曲线效果较好。曼Z、嫂崩图6 发动机恒扭矩控制效果4 结束语交流测功机是动态试验台的加载装置，综合性能好，相对其他类型测功机有很多优点。本研究基于PXI，对整个系统各部分进行方案选型，并集成开发出交流测功机系统。试验证明，该系统在发动机起动、恒转速控制及恒扭矩控制等3方面的控制效果良好，为之后的动态控制奠定了基础。参考文献：1 严兆大内燃机测试技术M杭州：浙江大学出版社，19932 周腊吾，张桂香，曾利权，等交流电力测功机的方案研究J电机技术，2004(1)：3235 、(下转第65页) 万方数据2006年8月 郭志军，等：基于神经网络的发动机点火能量控钶模块研究 65 模块能较好地满足点火的需要，图6为理论点火次数与实际点火次数的对比。题藕蛞0 10 20 30 40 5(j 60 70 80车速kmh露 图6理论与实际点火次数对比4 结束语本研究利用神经网络技术作为控制理论，设计了点火能量控制模块。通过试验证明，该点火能量控制模块能满足设计要求，但由于点火过程的复杂性，还有许多方面需要进一步的探讨，才能进行台架和道路试验，以验证该模块对发动机性能的影响，如点火次数并不是简单地进行叠加，点火间隔考虑到电容的充放电时间和发动机转速因素需通过计算和试验来确定，否则会造成发动机性能的恶化5。参考文献：1 昊静波，郭志军汽油发动机点火系统述评J河南科技大学学报(自然科学版)，2005，26(5)：3236-E2Joseph E，Shepherd J，Christopher K，et a1Spark Ignition Energy Measurements in Jet ARCalifornia：一一 California Institute of Technology，2000i-3姜立标，杨建国，杨书华数字式点火模块自适应控制的研究EJ汽车工程，2004，26(5)：5495524丛爽面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用M北京：中国科学技术大学出版社，2003：55875乔安平，高 峰，李云清一种新的能量叠加点火系性能匹配研究J农业机械学报，2004，35(5)：41-44Research of Gasoline Engine Ignition Energy7 S Control ModelBased on Neural NetworkGUO Zhijun，WU Jingbo，SHEN Yanjie(College of Vchicle and Motive Power Engineering，Henan Universityof Science and Technology，Luoyang 471003，China)Abstract：In this paper，a new method tO control ignition energy was put forwardThe hardware and software for ignition energy control module are designed based on the C8051F020Through testing，the module can control ignition energy accuratelyin various opening mode of engine，it is showed that meets the demand of designKey words：gasoline engine；ignition energy；neural network 编辑：张玉花(上接第59页)The Development of the AC Dynamometer System Based on PXIZHOU Binl，JIN Zhenhual，GAO Daweil，TIAN Yin92，LU Qingchunl(1State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Conservation，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2Department of Testing Techniques and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract：The technology of AC Dynamometer has not developed yet in ChinaThis paper mainly introduces the developmentof the AC dynamometer system based on PXIThe system solution is designed，the AC motor，throttle actuator，speed andtorque measurement devices are selected，and DAQ and communication interface are used through PXI tO communicate with andcontrol each devices。while the rapid control prototyping(RCP)method is used for software development of the system，LabVIEW is used tO develop the host computer interfaceIt proves that the improved efficiency and the good control effect of 3control modes of system(engine starting。constant speed control and constant torque contr01)through experimentsKey words：AC dynamometer；PXI；