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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: 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。為虛擬儀器構架下車輛產品研發試驗室改造提供解決方案。 使用的NI產品： 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 系統結構 基于電磁耦合技術的混合動力合成箱方案如圖1 所示，它改變了傳統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。強混合技術方案一般為混聯式，其主要優點是發動機一直運行在最佳經濟運行線上而不受輪邊負荷約束。 1.2 功能原理 1.2.1 發電機 圖1中汽油機的曲軸輸出端與發電機的外轉子相連，汽油機直接驅動發電機，輸出轉矩通過發電機進行電功率分流。發電機使汽油機轉速獨立于和主減速器相連的輸出軸轉速，轉速差為發電機目標轉速（轉速控制）。發電機在四象限力矩伺服系統的控制下，將伺服轉矩與其內外轉子的轉速差對應的功率以電能的形式饋入高壓母線。伺服轉矩與發電機內轉子轉速對應的功率仍然以機械功率的形式輸出，即實現“動能透過”。通過對動能透過式發電機的控制，使整個動力系統的傳動比實現無級變化，即EMCVT功能。 1.2.2 電動機 電動機的轉子與單排行星機構的太陽輪相連，行星排的行星輪與外電機殼體固定，發電機的轉矩經過行星機構變化之后通過齒圈和電動機的輸出轉矩進行耦合，再通過主減速器輸出至車輪。行星排構成的行星機構的齒輪參數根據方案的需求進行確定。電動機使發動機轉矩獨立于輸出軸轉矩，轉矩差為電動機目標轉矩（轉矩控制）。 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。整個系統中，發電機和電動機分別起到調速、調轉矩功能，使汽油機運行點完全獨立于輪邊負荷且保持于經濟環保高效區，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 驅動電機 驅動電機為110kW的二極交流變頻電機，50Hz時的同步轉速為3000r/min，額定轉矩為350N•m；最高達到6000r/min（100Hz，50～100Hz為恒功率調速）。 2.1.2 負載電機 負載電機為75kW的十極交流變頻電機，50Hz時的同步轉速為750r/min，額定轉矩為1193N•m，最高達到2000r/min（166Hz，50～166Hz為恒功率調速）。 2.2 電氣傳動系統 2.2.1 電機控制模塊 驅動電機和負載電機使用SIEMENS變頻器調速系統，可以精確控制驅動電機和負載電機的轉速和轉矩。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，負載電機制動產生的再生能量通過直流母線可以為驅動電機所使用。 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自動被識別，從而簡化了調試和診斷過程。 2.2.3 控制單元 CU320為整個電氣傳動系統的控制中心，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。配備8路數字量輸入通道和8路數字量輸入/輸出雙向通道。在通訊方面，擁有PROFIBUS總線端口和RS232/485端口（用于調試）。 2.3 增量式編碼器 在高性能的電機矢量控制系統中，轉速的閉環控制環節是必不可少的。本系統每臺電機均采用SMC30 TTL/HTL增量式編碼器進行轉速測量。它可以評估編碼器信號并發送轉速和實際轉子位置值；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 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系統設計 測控系統采用PXI系統作為統一平臺，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動電機；采用PXI -8464與Digatron電池測試系統及動力合成箱控制器進行通信，對其進行監控、控制與數據記錄。
圖2 測控系統結構 3.2 行駛阻力模擬控制 臺架試驗時，通過轉速傳感器、角加速度傳感器實時監測負載電機運行的狀況，然后根據電機的轉速、角加速度以及軟件設定的行駛道路坡度、汽車各參數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，根據計算出來的理論行駛阻力和已經由負載電機模擬的行駛阻力之間的差值，采用PID（外環）控制方式來調節測功機的勵磁電流，從而來控制電機的負載轉矩，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 試驗過程管理系統將協調所有模塊執行自動試驗過程。如通過駕駛功能系統和HCU控制混合動力整車動力系統，雙負載電機系統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。應用LabVIEW RT系統定義試驗內容，包含由用戶定義的用于給定駕駛循環進行模擬的死循環試驗和用戶定義的對整車駕駛模擬系統進行控制模擬的開環試驗。 4．試驗平臺功能特點 變頻器/逆變器：采用PXI-8430串口卡，數據交互協議為PROFIBUS協議。軟件兼容普通串口轉USB接口。
圖3 測功電機監控界面 動力電池測試設備：采用PXI-8464雙端口CAN卡，數據交互協議為CAN 2.0B協議。Digatron附帶的CAN通信功能更適合電池管理系統BMS的開發。軟件兼容周立功公司USB CANⅠ/Ⅱ兩種型號CAN接口卡。
圖4 動力電池監控見面 電控單元：采用PXI-8464雙端口CAN卡，監控動力合成箱控制器HCU、電機控制器MCU、發動機控制器ECU，通訊協議為CAN 2.0B協議。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網絡監控界面 5．結論 （1）將多方通訊協議集成于統一平臺，不僅實現了對混合動力總成系統各控制器信號的實時同步采集，而且實現了對臺架電氣傳動系統的同步監控；利用LabVIEW開發的測控系統界面友好，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的開發周期與成本。 （2）測試系統現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工況模擬試驗，為其控制策略制定、參數優化提供有價值的參考。并且，該系統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的試驗測試中。 |
