挑战：在较短的时间内开发一套高性价比的发动机试验台架系统,实现多个物理量的高精度控制,并对数据自动记录,处理,存储,完成在多工况下对发动机各项性能的试验;同时提供良好的人机界面。为开发出优秀的发动机提供支持。

应用方案：使用National Instruments公司的LabVIEW 7.1和高精度数据采集卡,并以之为核心选配伺服电机,可控整流逆变系统,温度控制系统,信号采集仪等来开发一套基于PC机的经济可靠的发动机试验测控系统。

介绍：在这个试验台架中,要完成4个闭环控制,同时要完成大量的数据采集,工作中要处理的数据量是非常巨大的,因此我们采用了两块PCI-6221卡;在软件方面,通过软件总体结构的合理布局,利用多线程技术,充分实现资源的高效利用,完成了多个实时控制任务,同时实现多通道数据采集处理,并提供了良好的人机界面。

系统概述

1.1 任务的提出

发动机是汽车动力的来源,汽车的动力性,经济性,可靠性和环保等性能指标都直接与发动机相关,可以说发动机是汽车中最重要的部分,发动机的开发在整辆车的开发中占有很大的比重,发动机试验台架正是其开发过程中必不可少的设备。目前,国内使用的台架大部分都是国外进口的,然而价格非常昂贵,那么对国内企业来讲,开发属于自己的台架对企业发展将产生深远的意义。

1.2 系统的工作原理

本系统在同轴方向上主要有3部分,分别是位于两端的发动机和测功机,以及在中间起连接和测量扭矩作用的扭矩传感器。工作机理是：通过油门执行器控制节气门开度,通过测功机控制整个系统的转速,根据国标要求实现不同的工况,并实时监测速度,扭矩,功率,油耗,进气压力,冷却水温等参数,综合分析评价其动力性,经济性,可靠性和环保等性能指标,在为其匹配合适的电控单元的工作中提供准确的数据支持,并为发动机自身的改进提供方向。

1.3 构成方案

我们根据控制系统响应速度,精度等技术指标的要求确定了系统的硬件构成方案。系统包括交流变频调速系统,伺服定位系统,冷却系统,加热系统,气动系统等多个子系统。为提高控制速度和精度,合理利用资源,将速度要求稍低的冷却系统,加热系统,气动系统从主机PC中分离出去,由单片机系统控制完成,二者以ＣＡＮ通讯方式交换信息;实时性要求高的交流变频调速系统,伺服定位系统和实时的监测采集任务由卡完成,数据处理存储,人机界面都由ＰＣ主机完成。系统结构如图１所示。

系统的采集测量任务

2.1 实时类数据采集

速度和扭矩的准确测量是保证台架控制精度的第一步。速度由高精度的编码器产生数字信号,其测量采用脉冲计数的方式;扭矩是正弦信号经数字化处理得到的,其测量采用测占空比的方式。由于实时性要求较高,所以第一块卡的计数口全部用于此处。

2.2 非实时类数据采集

进气压力,节气门开度等虽不是实时类数据,但应用于反馈中;爆震信号,凸轮轴信号以及ECU信号虽也不是实时类数据,但处理过程较复杂,在LabVIEW中更易实现;基于此,这些信号全部由卡采集。除此以外,还有20路监测量信号,全部交由采集仪完成,通过CAN通讯向PC机发送。

系统的控制任务

3.1 速度控制系统

速度控制是本系统的核心问题之一,目的是在不同的外部条件下提供稳定的速度点,以便于对各参数采样。具体实现方法是根据负荷的改变,通过控制变频器输出的电压和频率控制电机转速恒定。由于发动机受外部条件影响的因素较多,速度波动较大,一般的算法效果平平,我们采用神经网络自适应控制算法,较好的解决了这一问题。

3.2 油门开度控制系统

油门开度控制是本系统的又一个核心,通过控制伺服电机拉动节气门,工艺上要求单步越小越好,动作时间越快越好。驱动器内部有以编码器位置为反馈信号的内部PID控制环,软件上以节气门位置传感器的实际位置作反馈信号,再形成一个外部控制环,这样大大提高了控制精度。我们采用了一个脉冲输出口和一个数字输出口分别控制伺服电机的位置和方向;用一个数字输入口作为位置零点的采集通道;其他诸如伺服使能,报警清除,脉冲禁止等功能均由数字输出口加驱动电路实现。这部分使用的数字通道较多,卡上丰富的数字I/O口,计数口为系统的设计提供了方便。

3.3 冷却液和机油温度控制系统

冷却液和机油温度控制主要是为发动机提供适宜的工作环境,最大限度地实现其正常使用寿命。在实时性方面对这两个控制系统的要求不是特别高,为了合理利用资源,把这项任务交由单片机完成。

电磁干扰问题

4.1 模拟信号的处理

扭矩传感器输出的原始信号是两路正弦信号,其相位差代表了扭矩的大小。原始信号在传输过程中易受干扰,且处理过程较复杂,为此我们从硬件方面对模拟信号进行了数字化处理,以处理后的占空比表示相位差,这样既防止了传输过程中的干扰和衰减,又避免了模拟采集的误差。

4.2 系统接地的问题

由于本系统中两个核心的控制部分都使用了变频装置,电磁干扰问题是比较严重的,开始采用了导线屏蔽和系统接地的处理方式,但效果并不理想,较大的毛刺导致信号无法准确测量。为此我们多次试验,发现变频系统在采用大面积充分接地时,信号质量大大提高,已经不再影响测量了,于是放弃原来的线缆接地,改用大面积充分接地,通过布局和工装的调整,保持了系统的整洁美观。

系统的软件

5.1 PC机软件

PC机软件是整个系统的灵魂,从应用角度讲它应包括两大部分：人机界面和测控软件。

人机界面要求美观,操作简便,LabVIEW的图形化编程功能为实现这一要求提供了简洁的途径。

运行程序首先弹出的是导航界面,从这可进入各大功能模块,如图2所示。为了加强系统安全保护,设置了用户管理模块,其实质是一个安全信息数据库,利用它对各功能模块和操作人员的安全级和密码等信息进行管理。在各功能模块的入口处安排关卡,对用户的安全级和密码进行两级验证,当用户的安全级高于模块安全级并且密码验证也通过时才能进行操作,如图3所示。用户管理模块界面如图4所示。

测控软件包括了实时采集控制,试验流程控制,测量通讯,状态报警等四大功能,这部分功能众多,更要求实用,可读性可维护性强。我们通过软件结构的合理布局,利用多线程技术充分实现了资源的高效利用。每类功能在一个While循环框中实现,其中试验流程控制采用了LabVIEW提供的状态机。对于有顺序控制要求且步骤很多的问题来说,状态机是最有效的方法。测控软件结构如图5所示;测控软件界面效果如图6所示。

当试验要求或条件有变化时,可在试验参数模块作相应的输入;还可以在校准模块作系统标定,这些数据系统会自动保存;在数据分析模块可以调出试验数据,进行管理和分析。

5.2 单片机软件

单片机软件是系统的另一个组成部分,主要实现冷却液和机油的温度采集控制以及一些监测量采集并要完成和PC机之间的信息交换。

总结

系统的软硬件结构合理,使多个控制任务能够良好的协调运行,精度和速度都满足了设计要求,操控性能良好。建设周期8个月,比国外建设同类产品缩短了约2个月,价格约为国外产品的三分之一,市场可推广度较高。为了使性能得到进一步的优化,持续的研究开发一直在进行。