張坤良　彭秀英　王嘉鈞　洪　彬　李志宏　黃志勇　龐曉偉　李建興　李江威（-天津大學內燃機研究所天津30007-天津市天波科達科技有限公司）

基于EtherCAT實時以太網的48英寸轉鼓4WD汽車交流電慣量底盤測功機的設計

張坤良1彭秀英1王嘉鈞1洪彬1李志宏1黃志勇1龐曉偉2李建興2李江威2
（1-天津大學內燃機研究所天津3000722-天津市天波科達科技有限公司）

根據(jù)車輛底盤測試技術的特點，將EtherCat總線系統(tǒng)引入到車輛測試中，開發(fā)出基于EtherCAT實時以太網的4WD汽車底盤測功機。通過采用實時以太網技術以及多傳感器采集和變頻控制技術等多技術相融合方式，構建了汽車功率、排放、滑行、加速、動力等不同工況性能測試的平臺。實車測試證明，該測試平臺測試結果準確、可靠。

EtherCAT實時以太網4WD汽車底盤測功機

引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對汽車可靠性及環(huán)保性能的要求不斷提高，汽車廠家為此進行大量的試驗來進行改進論證，尤其是《GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》標準的頒布，對車輛的排放性能以及耐久性能提出了更高的要求，整車廠家通過大量的試驗對車輛進行匹配，在滿足排放性能的同時還要考慮車輛的動力性能，以提高車輛的駕駛性能和操作舒適性。并且，最近四驅車型不斷增多，單軸的底盤測功機已不能滿足試驗的要求，而國外48英寸轉鼓4WD汽車底盤測功機的價格非常昂貴，我們有必要開發(fā)具有自主知識產權的四驅底盤測功機，以滿足我國國內汽車測試的需要。

底盤測功機是整車廠家進行各項匹配試驗及排放試驗的基礎設備。4WD汽車底盤測功機是可以測量前驅車型、后驅車型以及四輪驅動車型的多功能底盤測功機，配備軸距調整系統(tǒng)、自動伸縮式蓋板以及兩套中置式底盤測功機。測功機安裝在地面之下，車輛駛上轉鼓，由對中系統(tǒng)對中，緊固裝置固定車身。而后，設備模擬實際道路行駛條件如車速、扭矩或道路載荷等，車輛在模擬的實際道路條件下進行試驗。系統(tǒng)要求響應時間快，控制精確度高，重復性好等特點，從而產生可靠的試驗數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用模塊化系統(tǒng)設計，各模塊之間采用通訊設計。在通過對各種總線通訊系統(tǒng)進行比較后，本系統(tǒng)采用了由德國倍福自動化有限公司研發(fā)的EtherCAT實時工業(yè)以太網通訊系統(tǒng)。

1　EtherCAT的技術特點介紹

EtherCAT（以太網控制自動化技術［1］）是一個以以太網為基礎的開放架構的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，由德國倍福自動化有限公司提出，其具有開放性好，網絡速度快，實時性好，可靠性高及兼容性好等特點，并且具有靈活的拓撲結構，簡單的系統(tǒng)配置，得到了越來越多開發(fā)商的關注，并且于2014年10月21日成為我國的推薦性國家標準GB/T 31230-2014。

EtherCAT支持幾乎所有的拓撲結構：線型、樹型或星型結構，可以選用的物理介質有標準以太網電纜100 Base-TX、倍福公司的E-bus以及光纜［2］。使用100 Base-TX電纜時站間距離可到100 m。整個網絡最多可以連接65 535個設備。使用快速以太網的全雙工通信技術，使EtherCAT成為主從式的環(huán)型結構，如圖1所示。

圖1　EtherCAT協(xié)議運行原理

EtherCAT協(xié)議使用一個特殊類型的以太網數(shù)據(jù)幀。如圖2a）所示，EtherCAT以太網數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)由多個子報文組成，每個子報文都服務于一個特定的邏輯映像區(qū)。數(shù)據(jù)幀在設備中持續(xù)傳輸，每個設備中的FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）在數(shù)據(jù)幀通過時讀出該數(shù)據(jù)幀中映射到此設備的邏輯地址中的數(shù)據(jù)，如數(shù)字伺服控制指令數(shù)據(jù)等；同樣，輸入數(shù)據(jù)，如數(shù)字伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以在數(shù)據(jù)幀通過時插入到相應的邏輯地址區(qū)中，數(shù)據(jù)幀在整個過程僅有幾納秒的延時。通常每個通信周期只需要傳輸一個以太網數(shù)據(jù)幀，這個數(shù)據(jù)幀沿著邏輯環(huán)傳輸一周，完成所有的廣播式、多播式以及從站間的通信。這種通信方式大大提高了EtherCAT的通信速率和有效數(shù)據(jù)率。控制100個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8字節(jié)的伺服軸只需要100 μs。而1 000個I/O的刷新只需要30 μs［3］。

圖2　EtherCAT數(shù)據(jù)幀結構

EtherCAT的高性能特性使它還可以處理分布式驅動器的電流（轉矩）控制。EtherCAT UDP（User Datagram Protocol）可以將EtherCAT協(xié)議打包至UDP/IP（Internet Protocol）的數(shù)據(jù)幀內，如圖2b）所示。此時，任何帶以太網協(xié)議堆棧的控制都可以尋址EtherCAT系統(tǒng)，甚至允許經路由器和其它子網通信。在這種情況下，在EtherCAT網絡內部，UDP幀只須在第一個從站解壓包，EtherCAT網絡本身的響應時間幾乎不受影響。

2　底盤測功機總體思路簡介

該套四驅車型底盤測功機由兩臺中置式測功機及軸距調整系統(tǒng)等組成，適用于最大總質量不超過3.5 t，軸距在2.03 m至4.57 m之間，輪距在1.1 m至2.5 m之間，功率在0～150 kW之間的M1、M2、N1類輕型汽車的性能試驗，耐久試驗以及歐III、歐Ⅳ、歐Ⅴ等排放法規(guī)工況試驗，可以滿足前驅、后驅、四驅3種車輛的試驗要求。

系統(tǒng)采用交流電力測功機，在底盤測功機本身固有的機械慣量的基礎上可以全電慣量模擬，同時設備采用先進的控制方式和高品質的器件，應用抗干擾技術，保證系統(tǒng)測試精度高，工作可靠穩(wěn)定，對轉動慣量模擬、行車阻力設定及系統(tǒng)內部阻力進行精確控制，從而再現(xiàn)被測車輛的道路行駛阻力或標準所要求的行駛阻力。

3　底盤測功機網絡構架設計

本文設計是基于EtherCAT的底盤測功機實時控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要由3大部分組成：計算機人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括前驅控制系統(tǒng)、后驅控制系統(tǒng)、軸距調整系統(tǒng)、跟蹤冷卻系統(tǒng)、氣動制動系統(tǒng)、輪胎對中系統(tǒng)、主控手動操作系統(tǒng)及遙控手動操作系統(tǒng)等子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括前后驅轉速采集單元、前后驅扭矩采集單元、溫度采集單元、模擬量采集單元、軸距采集單元及車身位置檢測報警單元等子系統(tǒng)，各部分通過EtherCAT總線進行數(shù)據(jù)交互，本系統(tǒng)采用倍福PLC作為主站，以倍福EtherCAT數(shù)據(jù)交互耦合器作為從站，以樹型和線型拓撲結構組合的方式連接各控制及采集單元，拓撲結構框圖如圖3所示。

圖3　總線拓撲結構框圖

4　底盤測功機機械結構設計

汽車在道路上運行過程中存在著運動慣性、摩擦阻力、風阻及坡度阻力等外界條件，要在試驗臺上模擬汽車道路運行工況，首先要解決模擬汽車整車的運動慣性和運動阻力問題，這樣才能用臺架測試汽車運行狀況的動態(tài)性能。為此，在該試驗臺上利用轉鼓轉動慣量和電慣量混合模擬汽車旋轉體的轉動慣量及汽車直線運動質量的慣量的方式，在標準允許的誤差范圍內滿足汽車的慣量模擬。路面模擬是通過滾筒來實現(xiàn)的，本系統(tǒng)采用48英寸轉鼓，以滾筒的表面取代路面，通過控制系統(tǒng)對加載裝置及慣性模擬系統(tǒng)進行自動或手動控制，從而實現(xiàn)對車輛的動力性能的檢測。

本套系統(tǒng)包含前驅轉鼓和后驅轉鼓兩套轉鼓組件，每套轉鼓組件均由中置式電機和兩個轉鼓以及其他控制組件構成。前驅轉鼓組件是一個固定部件，其直接安裝于地坑內，與基礎固定在一起；后驅轉鼓組件為一個移動部件，其軸線與前驅轉鼓組件軸線平行，可以實現(xiàn)朝向和背離前驅轉鼓方向移動，從而實現(xiàn)軸距的調整。在后驅組件前后各有一個黃色的移動平臺，在后驅移動過程中隨著轉鼓系統(tǒng)平動，可以實現(xiàn)平臺平面平整，以方便在軸距調整過程中車輛和維護人員的通過，現(xiàn)場如圖4所示。

圖4　底盤測功機實拍現(xiàn)場

5　底盤測功機控制系統(tǒng)的設計

底盤測功機的主要功能為以模擬道路行駛的模式吸收汽車運轉過程中發(fā)出的功率，系統(tǒng)采用最新的數(shù)字控制、驅動/吸功式交流向量電機，采用基于道路阻力方程求得的電慣量彌補機械慣量和摩擦損失。本系統(tǒng)采用中置式交流測功機作為吸收單元，系統(tǒng)通過吸收汽車發(fā)出的功率，經過整流及逆變，將吸收的能量轉換為交流電回饋到電網，同時提供給系統(tǒng)內部跟蹤冷卻風機等用電設備使用，并且系統(tǒng)采用共直流母線的方式將發(fā)電設備和用電設備聯(lián)接，減少逆變級數(shù)，提高了用電效率。

系統(tǒng)整體采用模塊化設計，變頻器等強電設備安裝在一個機柜內，并且摒棄了傳統(tǒng)的模擬量及開關量控制變頻系統(tǒng)的方式。采用EtherCAT總線控制方式，通過總線控制前驅、后驅以及風機變頻器的運轉，節(jié)省了大量走線。數(shù)據(jù)采集部分安裝在一個機柜內，通過和強電系統(tǒng)的分開，有效地避免了系統(tǒng)干擾，并且將數(shù)據(jù)采集和變送部分都放在測試點附近，縮短了采集變送部分和終端傳感器之間的距離，提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和準確性，采集好的數(shù)據(jù)通過一根EtherCAT網線和遠端主機連接，系統(tǒng)整體簡潔，也提高了系統(tǒng)的可維護性。

6　軟件系統(tǒng)的設計

本套底盤測功機采用上下位機雙微機控制系統(tǒng)模式，上位機采用工業(yè)PC機，操作系統(tǒng)選用大家熟悉的Windows操作系統(tǒng)，并以VB軟件為基礎，對上位機進行人機界面的編程，實現(xiàn)人機交互，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)查詢，生成報表等人性化操作，EtherCAT數(shù)據(jù)幀發(fā)送接收和數(shù)據(jù)處理等功能。下位機采用倍福公司生產的PLC，并通過TwinCAT軟件進行主從站信息配置及下位機編程，并負責數(shù)據(jù)采集，運算，控制等核心操作，整體軟件操作流程如圖5所示。

圖5　整體軟件操作流程框圖

7　試驗結果

測試人員通過底盤測功機模擬車輛行駛的道路狀況，在室內考核車輛的整車性能，如車速、行駛時間、加速性能、扭矩及功率等參數(shù)，本系統(tǒng)在完成車輛性能測試功能的同時，還提供了與工況排放測試儀匹配的工況曲線，駕駛員按照工況曲線要求的時間和車速進行標準駕駛，從而滿足排放分析儀對尾氣進行收集與分析的要求。圖6為大眾某款進口車型在該設備上進行排放測試時的工況曲線圖，并通過排放分析儀進行數(shù)據(jù)分析后，與該車提供的理論值十分接近，達到了預期的效果。

圖6　排放測試工況曲線圖

8　結論

本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集與傳輸可靠，控制系統(tǒng)實時性好。系統(tǒng)采用EtherCAT總線傳輸技術實現(xiàn)了汽車底盤測功機的控制與數(shù)據(jù)采集功能，增加了數(shù)據(jù)通信的速度和距離，節(jié)約了線束安裝空間和成本，提高了數(shù)字化信息化程度，增強了抗干擾能力。

1EtherCAT Technology Group（ETG）.EtherCAT：The realtime Ethernet fieldbus［EB/OL］.http：//www.ethercat.org/pdf/ ethercat_e.pdf

2單春榮，劉艷強，郇極.工業(yè)以太網現(xiàn)場總線EtherCAT及驅動程序設計［J］.制造業(yè)自動化，2007（11）：79-82

3康存鋒，林志磊.基于TwinCAT主站的EtherCAT實時以太網分析與研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2010（11）：16-18，81

Design of 48 Inch Drum 4WD Automobile AC Chassis Dynamometer Based on the Real-time Ethernet EtherCAT

Zhang Kunliang1，Peng Xiuying1，Wang Jiajun1，Hong Bin1，Li Zhihong1，Huang Zhiyong1，Pang Xiaowei2，Li Jianxing2，Li Jiangwei2

1-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin Unversity（Tianjin，300072，China）2-Tianjin Tianbo-keda Technical Co.，Ltd.

According to the characteristics of the vehicle chassis test technology，the EtherCat bus system is introduced into the vehicle test，and the 4WD vehicle chassis dynamometer based on EtherCAT real time Ethernet is developed.Through the use of real-time Ethernet technology and multi-sensor collection and the converter control technology and multi technology fusion，an automotive power，emissions，sliding，speed，power and other different working performance test platform was constructed.Real vehicle test proves that the test platform test results are accurate and reliable.

EtherCAT，Real-time Ethernet，4WD automobile chassis dynamometer

U270.7

A

2095-8234（2016）04-0055-04

2016-06-13）

張坤良（1978—），男，工程師，主要研究方向為工控技術與車輛檢測技術。