基于虛擬儀器的發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)

1、.：.；基于虛擬儀器的發(fā)動機實驗臺架系統(tǒng)張海勃 任務(wù)職務(wù)：電子工程師 公司稱號：上海比亞迪運用領(lǐng)域：汽車工業(yè)運用的產(chǎn)品：PCI-6221 M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡；LabVIEW 7.1挑戰(zhàn)：在較短的時間內(nèi)開發(fā)一套高性價比的發(fā)動機實驗臺架系統(tǒng)，實現(xiàn)多個物理量的高精度控制，并對數(shù)據(jù)自動記錄，處置，存儲，完成在多工況下對發(fā)動機各項性能的實驗；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。運用方案：運用National Instruments公司的LabVIEW 7.1和高精度數(shù)據(jù)采集卡，并以之為中心選配伺服電機，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(jīng)濟可靠的發(fā)動

2、機實驗測控系統(tǒng)。引見：在這個實驗臺架中，要完成4個閉環(huán)控制，同時要完成大量的數(shù)據(jù)采集，任務(wù)中要處置的數(shù)據(jù)量是非常宏大的，因此我們采用了兩塊PCI-6221卡；在軟件方面，經(jīng)過軟件總體構(gòu)造的合理規(guī)劃，利用多線程技術(shù)，充分實現(xiàn)資源的高效利用，完成了多個實時控制義務(wù)，同時實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集處置，并提供了良好的人機界面。系統(tǒng)概述1.1 義務(wù)的提出發(fā)動機是汽車動力的來源，汽車的動力性，經(jīng)濟性，可靠性和環(huán)保等性能目的都直接與發(fā)動機相關(guān)，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)動機實驗臺架正是其開發(fā)過程中必不可少的設(shè)備。目前，國內(nèi)運用的臺架大部分都是國外進口的，然而價

3、錢非常昂貴，那么對國內(nèi)企業(yè)來講，開發(fā)屬于本人的臺架對企業(yè)開展將產(chǎn)生深遠的意義。1.2 系統(tǒng)的任務(wù)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，以及在中間起銜接和丈量扭矩作用的扭矩傳感器。任務(wù)機理是：經(jīng)過油門執(zhí)行器控制節(jié)氣門開度，經(jīng)過測功機控制整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)國標要務(wù)虛現(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(jīng)濟性，可靠性和環(huán)保等性能目的，在為其匹配適宜的電控單元的任務(wù)中提供準確的數(shù)據(jù)支持，并為發(fā)動機本身的改良提供方向。1.3 構(gòu)成方案我們根據(jù)控制系統(tǒng)呼應(yīng)速度，精度等技術(shù)目的的要求確定了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成方案。系統(tǒng)包括

4、交流變頻調(diào)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中分別出去，由單片機系統(tǒng)控制完成，二者以通訊方式交換信息；實時性要求高的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，伺服定位系統(tǒng)和實時的監(jiān)測采集義務(wù)由卡完成，數(shù)據(jù)處置存儲，人機界面都由主機完成。系統(tǒng)構(gòu)造如圖所示。系統(tǒng)的采集丈量義務(wù)3.1 實時類數(shù)據(jù)采集速度和扭矩的準確丈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(shù)字信號，其丈量采用脈沖計數(shù)的方式；扭矩是正弦信號經(jīng)數(shù)字化處置得到的，其丈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

5、部用于此處。3.2 非實時類數(shù)據(jù)采集進氣壓力，節(jié)氣門開度等雖不是實時類數(shù)據(jù)，但運用于反響中；爆震信號，凸輪軸信號以及ECU信號雖也不是實時類數(shù)據(jù)，但處置過程較復(fù)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)丈量信號，全部交由采集儀完成，經(jīng)過CAN通訊向PC機發(fā)送。系統(tǒng)的控制義務(wù)3.1 速度控制系統(tǒng)速度控制是本系統(tǒng)的中心問題之一，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。詳細實現(xiàn)方法是根據(jù)負荷的改動，經(jīng)過控制變頻器輸出的電壓和頻率控制電機轉(zhuǎn)速恒定。由于發(fā)動機受外部條件影響的要素較多，速度動搖較大，普通的算法效果平平，我們采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自順應(yīng)

6、控制算法，較好的處理了這一問題。3.2 油門開度控制系統(tǒng)油門開度控制是本系統(tǒng)的又一個中心，經(jīng)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(qū)動器內(nèi)部有以編碼器位置為反響信號的內(nèi)部PID控制環(huán)，軟件上以節(jié)氣門位置傳感器的實踐位置作反響信號，再構(gòu)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，報警去除，脈沖制止等功能均由數(shù)字輸出口加驅(qū)動電路實現(xiàn)。這部分運用的數(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(shè)計提供了方便。3.3 冷卻液和機油溫度控制系統(tǒng)

7、 冷卻液和機油溫度控制主要是為發(fā)動機提供適宜的任務(wù)環(huán)境，最大限制地實現(xiàn)其正常運用壽命。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，把這項義務(wù)交由單片機完成。電磁干擾問題4.1 模擬信號的處置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，且處置過程較復(fù)雜，為此我們從硬件方面對模擬信號進展了數(shù)字化處置，以處置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，又防止了模擬采集的誤差。4.2 系統(tǒng)接地的問題由于本系統(tǒng)中兩個中心的控制部分都運用了變頻安裝，電磁干擾問題是比較嚴重的，開場采用了導(dǎo)線屏蔽和系統(tǒng)接地的處置方式，但效果

8、并不理想，較大的毛刺導(dǎo)致信號無法準確丈量。為此我們多次實驗，發(fā)現(xiàn)變頻系統(tǒng)在采用大面積充分接地時，信號質(zhì)量大大提高，曾經(jīng)不再影響丈量了，于是放棄原來的線纜接地，改用大面積充分接地，經(jīng)過規(guī)劃和工裝的調(diào)整，堅持了系統(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，從運用角度講它應(yīng)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)這一要求提供了簡約的途徑。運轉(zhuǎn)程序首先彈出的是導(dǎo)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)平安維護，設(shè)置了用戶管理模塊，其本質(zhì)是一個平安信息數(shù)據(jù)庫，利用它對各功能模塊和操作人員的平安級和密碼等信

9、息進展管理。在各功能模塊的入口處安排關(guān)卡，對用戶的平安級和密碼進展兩級驗證，當用戶的平安級高于模塊平安級并且密碼驗證也經(jīng)過時才干進展操作，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，實驗流程控制，丈量通訊，形狀報警等四大功能，這部分功能眾多，更要務(wù)虛用，可讀性可維護性強。我們經(jīng)過軟件構(gòu)造的合理規(guī)劃，利用多線程技術(shù)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)，其中實驗流程控制采用了LabVIEW提供的形狀機。對于有順序控制要求且步驟很多的問題來說，形狀機是最有效的方法。測控軟件構(gòu)造如圖5所示；測控軟件界面效果如圖6所示。當實驗要求或條件有變化時，可在實驗參數(shù)模塊作相應(yīng)的輸入；還可以在校準模塊作系統(tǒng)標定，這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)會自動保管；在數(shù)據(jù)分析模塊可以調(diào)出實驗數(shù)據(jù)，進展管理和分析。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)丈量采集并要完成和PC機之間的信息交換?？偨Y(jié)系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)造合理，使多個控制義務(wù)可以良好的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，精度和速度都滿足了設(shè)計要求，操控性能良好。建立周期8個月，比國外建立同類產(chǎn)品縮短了約2個月，價錢約為國外產(chǎn)品的三分之一，市場可推行度較高。為了使性能得到進一步的優(yōu)化，繼續(xù)的研討開發(fā)不斷在進展。圖1 系統(tǒng)構(gòu)造表示圖圖2 導(dǎo)航界面圖3平安驗證入口 要