■ 湘潭電機集團有限公司 粟明

1 緒論

現(xiàn)代汽車工業(yè)是人類工業(yè)技術的偉大成就之一。但是隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車大量廣泛的應用，也導致了大氣污染和全球變暖等問題。特別是現(xiàn)代汽車使用的燃料—石油是不可再生的資源，因此人類迫切需要尋找新的能源來解決目前存在的問題。近年來，各國對混合動力和電動汽車開展了大量研究并取得了大量的成果，一些汽車公司已開始生產(chǎn)該類型的轎車。其中，由于電動汽車使用的是可再生和清潔的電能來驅動，且沒有二氧化碳排放和環(huán)境污染的問題，因此被認為是未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，并有望在未來替代傳統(tǒng)的燃油汽車[1-2]。

在電動汽車技術領域，驅動電機和輪轂電機的設計是一個非常重要的部分。獲得驅動電機和輪轂電機精確的試驗數(shù)據(jù)，是整車設計完成直至產(chǎn)業(yè)化中一個重要的環(huán)節(jié)。相對于普通電機，電動汽車的驅動電機和輪轂電機具有更高的轉速，在控制中有更高的轉矩精度要求，因此，電動汽車電機試驗臺的測試與控制系統(tǒng)比普通電機的試驗臺有著更高的要求[3]。本文介紹了一種基于現(xiàn)場總線的電動汽車電機試驗臺控制系統(tǒng)，分析了測試系統(tǒng)組成和試驗臺工作原理，并設計了試驗臺的通訊系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

電動汽車電機試驗臺的組成如圖1所示，其中用戶逆變器和被試電機由電動汽車設計方提供。系統(tǒng)中，有源負載和用戶逆變器由整流電源供電，控制被試電機的運行；陪試電機由西門子MASTERDRIVERS矢量型變頻器控制運行，其實質(zhì)上是一臺變頻異步測功機。

電動汽車電機試驗臺的控制系統(tǒng)由西門子變頻器、西門子可編程控制器（PLC）、日本HIOKI 3194數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、特性曲線自動生成系統(tǒng)、高速現(xiàn)場總線系統(tǒng)、扭矩傳感器、溫度傳感器以及西門子高性能工控機等組成，如圖2所示。其中，西門子PLC控制器是整個系統(tǒng)的控制中心，由它通過現(xiàn)場總線對各個部件發(fā)出控制指令；西門子逆變器是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，通過控制陪試電機使系統(tǒng)達到試驗所需的各種工況；各種數(shù)據(jù)采集傳感器是系統(tǒng)的測量部分，負責采集試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)被試電機的運行狀態(tài)，電動汽車電機試驗臺有兩種工作狀態(tài)，分別介紹如下：

當被試電機運行在電動機狀態(tài)時，電動汽車電機試驗臺為第一種工作狀態(tài)。此時陪試電機運行在發(fā)電狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，陪試電機吸收被試電機輸出的機械功率，在西門子變頻器控制下將其轉化成電能通過四象限變頻器或者獨立的回饋系統(tǒng)直接回饋到交流電網(wǎng)側。試驗過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的扭矩、轉速、溫度等變量，并送入計算機檢測和控制系統(tǒng)。計算機檢測和控制系統(tǒng)運行根據(jù)試驗要求而編制的軟件，自動計算出陪試電機控制所需的轉矩，然后將此指令發(fā)送給西門子變頻器，從而改變被試電機的輸出使其達到試驗要求的工況，直至最后完成系統(tǒng)的整體試驗。

當被試電機運行在發(fā)電機狀態(tài)時，電動汽車電機試驗臺為第二種工作狀態(tài)。此時陪試電機運行在電動狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，陪試電機輸出的機械功率由被試電機吸收。在用戶逆變器的控制下，被試電機所吸收的機械能轉化成電能并通過直流母線上并聯(lián)的有源負載吸收。同時，計算機控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，自動計算出陪試電機控制所需的轉速，然后將此指令發(fā)送給西門子變頻器，從而改變陪試電機的輸出使其達到試驗要求的工況，直至最后完成系統(tǒng)的整體試驗。

3 現(xiàn)場總線通訊系統(tǒng)

圖1 電動汽車系統(tǒng)試驗工作原理圖

圖2 電動汽車電機試驗系統(tǒng)

從電動汽車試驗臺工作原理可以看出，系統(tǒng)控制的實時性要求非常高，因此本文采用了現(xiàn)場總線的通訊方式連接整個系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線能夠顯著地提高電動汽車試驗臺系統(tǒng)的質(zhì)量和性能，它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 現(xiàn)場布線更加方便。現(xiàn)場布線是控制系統(tǒng)中的重點問題，它決定著系統(tǒng)實現(xiàn)的進度和運行的質(zhì)量。采用現(xiàn)場總線的方式使線路的連接變得簡便可靠，在很大程度上避免了由于現(xiàn)場接線錯誤而產(chǎn)生的問題。

2） 數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。采用數(shù)字信號的網(wǎng)絡傳輸方式在可靠性上要遠遠高于模擬信號的回路傳輸方式，特別是當傳輸距離很遠時，這種優(yōu)勢更為明顯。相對于模擬信號來講，數(shù)字信號在同樣的干擾下所受的影響更小，數(shù)據(jù)保真度更高。

3） 系統(tǒng)功能更加完備?，F(xiàn)場總線是專注于工業(yè)控制的現(xiàn)場網(wǎng)絡，它的使用使整個工業(yè)控制系統(tǒng)成為一個有機的共同體，數(shù)據(jù)交互，信息共享。

4） 系統(tǒng)維護更加方便?，F(xiàn)場總線的簡便的連接方式并沒有給系統(tǒng)的維護帶來麻煩，相反，它使系統(tǒng)功能的維護和完善更加方便。網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以任意改變，預留的編程接口使程序的維護和調(diào)試可以隨時隨地進行。

電動汽車試驗臺主要的通訊網(wǎng)絡采用PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種基于歐洲標準、世界通用的總線系統(tǒng)，它對于來自全世界任何制造廠家生產(chǎn)的設備都是開放的，傳輸界質(zhì)可用雙絞線和光纖。PROFIBUS現(xiàn)場總線具備標準信息幀結構，并具有界面友好、數(shù)據(jù)一致性高、高度容錯性等優(yōu)點，其最大數(shù)據(jù)傳輸率可達12 Mbps，而且更重要的是它可以與目前幾乎所有的總線系統(tǒng)兼容。由于在電動汽車中，控制系統(tǒng)一般都采用的是CAN總線通訊，因此利用PROFIBUS現(xiàn)場總線兼容其他總線的特點組建試驗臺的通訊網(wǎng)絡有著巨大的優(yōu)勢。至于兩種協(xié)議網(wǎng)絡之間的通訊，本系統(tǒng)采用的協(xié)議轉換器，運行表明兩種總線系統(tǒng)可以自由地交換數(shù)據(jù)。

圖3 CBP的數(shù)據(jù)結構

圖4 參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象（PPO）類型

電動汽車試驗臺PROFIBUS現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)流通主要是變頻器與主站（工業(yè)控制計算機）之間的通訊。其中，西門子變頻器作為PROFIBUS總線的一個從站，其傳輸有著自己的數(shù)據(jù)結構，被稱之為CBP數(shù)據(jù)結構，如圖3所示[4]。在CBP數(shù)據(jù)固定結構中，PROFIBUS結構的周期型通道MSCY_C1中的可用數(shù)據(jù)被定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象(PPO)。用MSCY_C1數(shù)據(jù)傳送，可用數(shù)據(jù)被劃分成兩個區(qū)域，它們以各自的報文進行數(shù)據(jù)傳送。在很多應用場合，例如交流傳動領域，周期型MSCY_C1通道也簡單地被稱為STANDARD通道。對于電動汽車試驗臺系統(tǒng)，定義了可用數(shù)據(jù)的結構后，一個主站可以采用這些結構使用周期型MSCY_C1 通道存取那些傳動從站的數(shù)據(jù)以及發(fā)出控制指令。

當電動汽車試驗臺系統(tǒng)啟動時，所需要的參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象能夠從主站來配置，如圖4所示。選擇哪種類型的PPO，取決于在通訊網(wǎng)絡中各個從站的任務。在通訊系統(tǒng)中，它們具有最高的優(yōu)先級和最短的時間等條件。

圖4中，PKW是指參數(shù)標識符值，PZD表示過程數(shù)據(jù)區(qū)。PKE做為參數(shù)標識符，用來選擇讀取參數(shù)的。IND表示參數(shù)索引，而PWE是用來存取參數(shù)值的。在PZD區(qū)中，STW表示控制字。STW中的內(nèi)容可以控制變頻器的啟動 ，例如以何種方式啟停；ZSW表示狀態(tài)字，表示變頻器的反饋狀態(tài)，例如是否有報警、在何種工作方式下運行等；HSW表示主設定值，用來作為變頻器的給定，如速度給定或者轉矩給定等；HIW表示主實際值，用來反饋變頻器的實際速度或者轉矩。

4 結論

現(xiàn)場總線是工業(yè)控制領域中又一個新興的技術熱點，得到了廣泛的應用。本文將PROFIBUS現(xiàn)場總線應用到電動汽車電機試驗臺系統(tǒng)。該電動汽車電機試驗臺能夠快速準確的對電機的各種技術參數(shù)進行測試，能夠方便地使電機工作在各種被測試的工況條件下。實驗結果表明，試驗臺的技術要求滿足電動汽車電機測試的各種需要，目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功運行。

[1]Floyd A. Hybrid Electric Vehicles. EVS-13.1996（10）.

[2]孫逢春.電動汽車.北京理工大學出版社,1997.

[3]楊竟衡.電動汽車的電氣傳動系統(tǒng),電氣傳動.1999（4）.

[4]Siemens.Simovert Masterdrives使用大全,西門子電氣傳動有限公司,2000.