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Measurement and Control Platform for Electromagnetic Power Coupling Box in HEV/EV Applications 作者：上海華普汽車有限公司/江蘇大學 測試工程師/研究生 周健豪 應用領域: 混合動力電動汽車試驗室應用 挑戰(zhàn): 基于PXI設備和LabVIEW高效整合混合動力電動汽車試驗室動力合成箱、電機試驗臺架，動力電池測試設備等資源，優(yōu)化各平臺功能，具有良好的可移植性和可擴展性。為虛擬儀器構(gòu)架下車輛產(chǎn)品研發(fā)試驗室改造提供解決方案。 使用的NI產(chǎn)品： 軟件：LabVIEW 8.6，Real-Time Module，FPGA Module，Control Design and Simulation Module，Database Connectivity Toolkit，Report Generation Toolkit，PID and Fuzzy Logic Control Toolkit，Internet Toolkit 硬件：PXI-1031機箱，PXI-8106，PXI-8464，PXI-8430，PXI-6225，PXI-5422，PXI-7833R 1．研究對象介紹 1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于電磁耦合技術(shù)的混合動力合成箱方案如圖1 所示，它改變了傳統(tǒng)汽車的機械離合器和手動變速箱，增加了雙電機、單行星排、動力伺服裝置、泵升單元和動力電池。強混合技術(shù)方案一般為混聯(lián)式，其主要優(yōu)點是發(fā)動機一直運行在最佳經(jīng)濟運行線上而不受輪邊負荷約束。 1.2 功能原理 1.2.1 發(fā)電機 圖1中汽油機的曲軸輸出端與發(fā)電機的外轉(zhuǎn)子相連，汽油機直接驅(qū)動發(fā)電機，輸出轉(zhuǎn)矩通過發(fā)電機進行電功率分流。發(fā)電機使汽油機轉(zhuǎn)速獨立于和主減速器相連的輸出軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速差為發(fā)電機目標轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速控制）。發(fā)電機在四象限力矩伺服系統(tǒng)的控制下，將伺服轉(zhuǎn)矩與其內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差對應的功率以電能的形式饋入高壓母線。伺服轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應的功率仍然以機械功率的形式輸出，即實現(xiàn)“動能透過”。通過對動能透過式發(fā)電機的控制，使整個動力系統(tǒng)的傳動比實現(xiàn)無級變化，即EMCVT功能。 1.2.2 電動機 電動機的轉(zhuǎn)子與單排行星機構(gòu)的太陽輪相連，行星排的行星輪與外電機殼體固定，發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過行星機構(gòu)變化之后通過齒圈和電動機的輸出轉(zhuǎn)矩進行耦合，再通過主減速器輸出至車輪。行星排構(gòu)成的行星機構(gòu)的齒輪參數(shù)根據(jù)方案的需求進行確定。電動機使發(fā)動機轉(zhuǎn)矩獨立于輸出軸轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩差為電動機目標轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)矩控制）。 1.2.3 泵升單元 雙母線和泵升單元的作用是提高雙電機的工作電壓。整個系統(tǒng)中，發(fā)電機和電動機分別起到調(diào)速、調(diào)轉(zhuǎn)矩功能，使汽油機運行點完全獨立于輪邊負荷且保持于經(jīng)濟環(huán)保高效區(qū)，同時起到電磁離合器和無級變速的作用。 
圖1 動力總成臺架原理圖 2．試驗平臺 2.1動力總成臺架 2.1.1 驅(qū)動電機 驅(qū)動電機為110kW的二極交流變頻電機，50Hz時的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為350N•m；最高達到6000r/min（100Hz，50～100Hz為恒功率調(diào)速）。 2.1.2 負載電機 負載電機為75kW的十極交流變頻電機，50Hz時的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1193N•m，最高達到2000r/min（166Hz，50～166Hz為恒功率調(diào)速）。 2.2 電氣傳動系統(tǒng) 2.2.1 電機控制模塊 驅(qū)動電機和負載電機使用SIEMENS變頻器調(diào)速系統(tǒng)，可以精確控制驅(qū)動電機和負載電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。變頻器主電路由整流（AC/DC）單元、直流回路和逆變（DC/AC）單元三部分組成。三臺變頻器共用直流母線，負載電機制動產(chǎn)生的再生能量通過直流母線可以為驅(qū)動電機所使用。 2.2.2 DRIVE-CLiQ DRIVE-CLiQ可以將電機上的傳感器上的（電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等）信號直接被傳送到控制單元中。電機和傳感器種類已經(jīng)自動被識別，從而簡化了調(diào)試和診斷過程。 2.2.3 控制單元 CU320為整個電氣傳動系統(tǒng)的控制中心，擁有4個DRIVE-CLiQ端口，分別連接電機模塊、電源模塊、端子模塊、直接測量系統(tǒng)。配備8路數(shù)字量輸入通道和8路數(shù)字量輸入/輸出雙向通道。在通訊方面，擁有PROFIBUS總線端口和RS232/485端口（用于調(diào)試）。 2.3 增量式編碼器 在高性能的電機矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是必不可少的。本系統(tǒng)每臺電機均采用SMC30 TTL/HTL增量式編碼器進行轉(zhuǎn)速測量。它可以評估編碼器信號并發(fā)送轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)子位置值；如有需要，電機溫度和參考點也可通過DRIVE-CLiQ傳到控制單元。 2.4電池模擬系統(tǒng) 在動力合成箱的臺架實驗中，Digatron的測試設備可以模擬混合動力車用動力電池，LabVIEW軟件通過CAN通訊對其進行控制。 3．測控方案原理 3.1系統(tǒng)設計 測控系統(tǒng)采用PXI系統(tǒng)作為統(tǒng)一平臺，通過PXI-8430與CU320控制器進行通信，控制兩臺負載電機和一臺驅(qū)動電機；采用PXI -8464與Digatron電池測試系統(tǒng)及動力合成箱控制器進行通信，對其進行監(jiān)控、控制與數(shù)據(jù)記錄。
圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.2 行駛阻力模擬控制 臺架試驗時，通過轉(zhuǎn)速傳感器、角加速度傳感器實時監(jiān)測負載電機運行的狀況，然后根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速、角加速度以及軟件設定的行駛道路坡度、汽車各參數(shù)等計算出汽車行駛過程中所受到各種行駛阻力。各種阻力及其功率，再由LabVIEW編寫的行駛阻力加載控件，根據(jù)計算出來的理論行駛阻力和已經(jīng)由負載電機模擬的行駛阻力之間的差值，采用PID（外環(huán)）控制方式來調(diào)節(jié)測功機的勵磁電流，從而來控制電機的負載轉(zhuǎn)矩，使理論上的行駛阻力（或功率）和臺架試驗所模擬的行駛阻力（或功率）趨于一致，起到實時模擬行駛阻力的作用。 3.3 試驗過程管理 試驗過程管理系統(tǒng)將協(xié)調(diào)所有模塊執(zhí)行自動試驗過程。如通過駕駛功能系統(tǒng)和HCU控制混合動力整車動力系統(tǒng)，雙負載電機系統(tǒng)可以模擬不同駕駛習慣的整車起步、加速、勻速、減速、滑行和制動等行駛狀態(tài)。應用LabVIEW RT系統(tǒng)定義試驗內(nèi)容，包含由用戶定義的用于給定駕駛循環(huán)進行模擬的死循環(huán)試驗和用戶定義的對整車駕駛模擬系統(tǒng)進行控制模擬的開環(huán)試驗。 4．試驗平臺功能特點 變頻器/逆變器：采用PXI-8430串口卡，數(shù)據(jù)交互協(xié)議為PROFIBUS協(xié)議。軟件兼容普通串口轉(zhuǎn)USB接口。
圖3 測功電機監(jiān)控界面 動力電池測試設備：采用PXI-8464雙端口CAN卡，數(shù)據(jù)交互協(xié)議為CAN 2.0B協(xié)議。Digatron附帶的CAN通信功能更適合電池管理系統(tǒng)BMS的開發(fā)。軟件兼容周立功公司USB CANⅠ/Ⅱ兩種型號CAN接口卡。
圖4 動力電池監(jiān)控見面 電控單元：采用PXI-8464雙端口CAN卡，監(jiān)控動力合成箱控制器HCU、電機控制器MCU、發(fā)動機控制器ECU，通訊協(xié)議為CAN 2.0B協(xié)議。軟件兼容周立功公司PCI-5121、PCI-9810、PCI-9820、USB CANⅠ/Ⅱ 五種型號CAN接口卡。
圖5 混合動力總成CAN網(wǎng)絡監(jiān)控界面 5．結(jié)論 （1）將多方通訊協(xié)議集成于統(tǒng)一平臺，不僅實現(xiàn)了對混合動力總成系統(tǒng)各控制器信號的實時同步采集，而且實現(xiàn)了對臺架電氣傳動系統(tǒng)的同步監(jiān)控；利用LabVIEW開發(fā)的測控系統(tǒng)界面友好，操作、修改方便，易于擴展和移植；利用LabVIEW提供的工具包大大縮短了本系統(tǒng)的開發(fā)周期與成本。 （2）測試系統(tǒng)現(xiàn)已應用于電磁耦合動力合成箱的關鍵部件基本性能測試以及動態(tài)工況模擬試驗，為其控制策略制定、參數(shù)優(yōu)化提供有價值的參考。并且，該系統(tǒng)可以廣泛應用于多種類型混合動力電動汽車動力總成系統(tǒng)的試驗測試中。 |
