基于现场总线技术和以太网实现分布式电机驱动测试系统的设计

作者：王丽，温旭辉，曾莉莉，韩利 来源：微计算机信息

1 引言

随着能源和环境问题日益受到重视，电动汽车以其清洁无污染、能量效率高、低噪声、能源多样化等优点研究发展迅速。电动汽车作为一种交通工具，工作环境复杂多变，其电机驱动系统需要满足可靠性高、效率高、调速性能好、造价低等性能要求。因此电动汽车的电机驱动系统测试是一项重要研究内容。

电机驱动系统包括电机及其控制器，系统测试中需较长时间采集驱动系统内部和外部的信号，用到多个测量仪器，输出大量数据。电动汽车电机驱动系统研究的深入对其测试的效率和精度有了更高的要求，传统的手工测试方法已无法满足试验需求。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的发展，以PC机和工作站为基础的虚拟仪器和分布式网络化测试技术为主的现代化开放式测试系统已成为目前的发展趋势。

因此，本文提出了一种基于CAN总线、GPIB总线和以太网的分布式电机驱动测试系统。下面详细阐述该测试系统总体和各子系统的设计思想和方案。

2 分布式测试系统设计

2.1 测试系统需求分析

电机驱动系统试验按照一定的测试规范给电机加载，使电机可以工作在各种给定的工况下，同时还要为电机提供一定的保护措施。测试对象为车用交流异步电机和永磁同步电机，采用直流电源柜—电机控制器－电机—测功机的连接方式。电源柜的直流电压输出经电机控制器逆变为可控的三相变频变压交流电，从而驱动电机工作。电机的输出轴连到测功机，通过测功机来完成机械功率的吸收。系统结构如图1所示。

图1 电机驱动试验系统示意图

由图1可见，电机驱动系统所需测试量有：电机控制器的四路电流和四路电压，包括输入直流母线电压电流和输出三相交流电压电流值；电机的输出转矩和转速；至少三个温度测点；冷却系统的液体流量、流速和压力；控制器内部参数和控制指令等。要求各测试量的精度等级为0.5级，即误差控制在千分之五以内。

2.2 系统总体设计

本文采用集散控制思想，开发出适用于电动汽车电机驱动系统试验的分布式在线监测系统，包括接口网络设备及配套软件。建立一套基于CAN总线、GPIB总线和Ethernet的现场总线技术的分布式在线监测平台，自动完成测试、记录和一些在线分析功能。

按照所需检测的数据类型将系统划分为四个子系统：电气特性测试子系统，机械特性测试子系统，内部信息调试子系统和环境监测子系统。

系统以测控计算机为核心处理单元，就每个子系统的数据接口特点选择合适的互连方案。方案的选取主要从以下几个方面考虑：充分利用现有技术和仪器；经济性；兼容性和可扩展性；传输速度和精度；网络利用率等。

基于以上各方面因素的充分考虑后，设计的监测系统拓扑结构如图２所示。

图2 测试系统网络拓扑图

2.3 子系统设计

由图2可见：电气特性测试子系统进行电气参数的测量，包括控制器输入输出的电流和电压，以及功率和效率等相关参数。采用LEM 公司生产的NORMA D6000功率分析仪作为测量仪器，通过GPIB总线与测控计算机通信。

机械特性子系统测量电机转速和转矩外特性，采用南峰CW160电涡流测功机作为加载装置和测量仪器。南峰测功机输出转速和转矩的模拟信号，该信号经A/D转换和CAN转换后传输到imc C1数据采集器。

内部信息调试子系统测量控制器内部在线运行参数，由控制器直接CAN输出，经另一条CAN总线传输到数据采集器。

环境监测子系统使用一系列传感器，测量输出冷却系统的温度、流量、流速、压力和驱动系统环境温度、湿度、压力的模拟量。

使用IMC公司生产的imc C1数据采集器作为系统数据网关，它标配有2个CAN节点，8路模拟输入通道和支持TCP/IP协议的Ethernet接口。机械特性子系统和内部信息调试子系统分别通过两路独立的CAN总线、环境监测子系统通过多路模拟通道连接到imc C1。最后，这三个子系统的所有数据经imc C1的以太网口传输到测控计算机。系统数据流图如图3所示。

图3 测试系统数据流图

3 关键技术研究

监测系统软件开发环境采用美国NI公司的虚拟仪器开发软件Labview7.0。它采用图形化编程语言，提供了大量功能函数，有助于提高程序可靠性和开发效率。

系统开发包括软硬件平台搭建、数据采集与处理、数据信息管理、软件界面设计和系统可靠性与误差分析等方面的工作，本文对其中的几点关键技术予以详述。

3.1 GPIB通信

通用接口总线GPIB（General Purpose Interface Bus）是高速率8位并行数字接口，已成为IEEE 488标准。

本文采用NI公司的PCI-GPIB接口卡，最高传输速度可达1.5Mbytes/s。待集成的D6000功率分析仪可进行终端电量的测量和分析，它的组件61D2模块包含GPIB接口。

软件使用LabVIEW下的VISA相关函数实现GPIB通讯，VISA资源名称为GPIB:6。用到的接口函数有：SH1， AH1， T5， L4， SR1， RL1， PP1， DC1， DT1， C0， E2。

本文采用模块化编程，各模块功能如下：

初始化：包括获取仪器地址，重置，选择工作模式。

仪器设置：设置采样频率，设置平均方式，超时时间设定。

触发：触发源设置，触发方式，软件触发。

数据设置：设置功率分析仪，读取所测变量。

读取并显示数据：使用“RED？”指令和VISA的Write和Read函数读取数据，并进行格式转换。

出错信息显示：出现错误时予以提示，并指出数据流出错环节。

关闭仪器：关闭总线I/O接口。

3.2 CAN通信

CAN总线（Controller Area Network）是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，目前在工业控制尤其是汽车工业中得到广泛应用。

完整的CAN总线通信接口的硬件部分应包括CAN收发器、电气隔离部分、CAN控制器等。本系统使用了2路CAN总线，分别制订两个不同的协议，以实现兼容，防止冲突。使用CRONOS PL/2 UNI8数据采集器作为两路CAN总线的网关。连接机械特性测试子系统的CAN总线命名为CAN0，其协议规定了转矩和转速的信息格式，内部信息调试子系统的CAN总线命名为CAN1，用于传输控制器内部运行参数和控制命令等。

其CAN通讯流程图如图4所示。

图4 CAN通信程序流程图

3.3 系统误差分析

对整个系统测量误差进行分析和计算，首先要分析子系统可能存在误差的环节。例如电气特性测量子系统可能引起误差的环节有：LEM功率分析仪误差、GPIB传输误差和存储数据类型转换误差；机械特性测量子系统可能引起误差的环节有：南峰电涡流测功机误差、A/D转换误差、CAN总线传输误差、数据采集器误差、以太网传输误差和存储数据类型转换误差。

以100/160kw交流异步电机驱动系统效率测试为实例进行误差分析：转矩工作范围为0~850Nm，转速工作范围0~4500rpm，最大输出功率160kw，最大输入功率190kw。南峰电涡流测功机扭矩测量精度为0.4%，转速测量误差不大于0.1%；LEM NORMA D6000功率分析仪的电流电压测量精度为0.05%，功率测量误差小于0.1%。合理设置总线及相关协议，可以实现数字信号的无损传输，同时选择数据存储类型，使计算机终端显示数据和测量仪器面板显示数据一致。

电机驱动系统效率

（1）

按照广义均方概合成法计算系统总不确定度

（2）

公式（2）中由于分项较少， 取２；分布情况不能确定，按均匀分布处理， 取 ；代入测功机和功率分析仪的不确定度的值：

（3）

带入数值计算得到

（4）

测试系统需求中要求各测量参数精度不低于0.5级，即误差控制在千分之五以内。经分析和计算，本系统所需测量参数的测量精度均满足测量需求。

4 结论

该系统现已在中科院电工所电动汽车实验室试运行。基于CAN总线、GPIB总线和以太网的分布式测试系统具有更安全可靠的数据传输，减少了手工记录造成的不可靠因素，增强了现场的信息集成能力，实现了电动汽车电机驱动试验系统的分布化、网络化和集成化。

责任编辑：gt