基于虚拟仪器的发动机试验台架系统
作者：张海勃
工作职务：电子工程师
公司名称：上海比亚迪有限公司
1． 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。
图1 系统结构示意图
2．系统的采集测量任务
3.1 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。
3.2 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。
3．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。
4． 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
