论文部分内容阅读
摘要：文章介绍了一种基于现场总线的电动汽车电机试验台，讨论了试验台系统的结构组成，分析了试验台的工作原理。最后，对试验台基于PROFIBUS现场总线的通讯网络进行了设计，给出了数据流通的格式以及变频器参数过程数据对象的数据字节定义。目前，该试验台已成功应用于产品测试。
关键词：电动汽车测试；电机测试；现场总线
中图分类号：U467.52文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）18-0077-01
近年来，各国对混合动力和电动汽车开展了大量研究并取得了大量的成果，一些汽车公司已开始生产该类型的轿车。其中，由于电动汽车使用的是可再生和清洁的电能来驱动，且没有二氧化碳排放和环境污染的问题，因此被认为是未来汽车工业的发展方向，并有望在未来替代传统的燃油汽车。
相对于普通电机，电动汽车的驱动电机和轮毂电机具有更高的转速，在控制中有更高的转矩精度要求，因此，电动汽车电机试验台的测试与控制系统比普通电机的试验台有着更高的要求。文章介绍了一种基于现场总线的电动汽车电机试验台控制系统，分析了测试系统组成和试验台工作原理，并设计了试验台的通讯系统。
1系统组成和工作原理
电动汽车电机试验台的控制系统由西门子变频器、西门子可编程控制器（PLC）、日本HIOKI 3194数据采集系统、特性曲线自动生成系统、高速现场总线系统、扭矩传感器、温度传感器以及西门子高性能工控机等组成。电动汽车电机试验台有两种工作状态，分别介绍如下：
当被试电机运行在电动机状态时，电动汽车电机试验台为第一种工作状态。此时陪试电机运行在发电状态。在这种状态下，陪试电机吸收被试电机输出的机械功率，在西门子变频器控制下将其转化成电能通过四象限变频器或者独立的回馈系统直接回馈到交流电网侧。试验过程中，数据采集系统的扭矩、转速、温度等变量，并送入计算机检测和控制系统。计算机检测和控制系统运行根据试验要求而编制的软件，自动计算出陪试电机控制所需的转矩，然后将此指令发送给西门子变频器，从而改变被试电机的输出使其达到试验要求的工况，直至最后完成系统的整体试验。
2现场总线通讯系统
从电动汽车试验台工作原理可以看出，系统控制的实时性要求非常高，因此文章采用了现场总线的通讯方式连接整个系统。采用现场总线能够显著地提高电动汽车试验台系统的质量和性能，它的优点主要表现在以下几个方面：
①现场布线更加方便。现场布线是控制系统中的重点问题，它决定着系统实现的进度和运行的质量。采用现场总线的方式使线路的连接变得简便可靠，在很大程度上避免了由于现场接线错误而产生的问题。
②数据传输更加可靠。采用数字信号的网络传输方式在可靠性上要远远高于模拟信号的回路传输方式，特别是当传输距离很远时，这种优势更为明显。相对于模拟信号来讲，数字信号在同样的干扰下所受的影响更小，数据保真度更高。
③系统功能更加完备。现场总线是专注于工业控制的现场网络，它的使用使整个工业控制系统成为一个有机的共同体，数据交互，信息共享。
④系统维护更加方便。现场总线的简便的连接方式并没有给系统的维护带来麻烦，相反，它使系统功能的维护和完善更加方便。网络上传输的数据可以任意改变，预留的编程接口使程序的维护和调试可以随时随地进行。
电动汽车试验台主要的通讯网络采用PROFIBUS现场总线系统。PROFIBUS现场总线系统是一种基于欧洲标准、世界通用的总线系统，它对于来自全世界任何制造厂家生产的设备都是开放的，传输介质可用双绞线和光纤。PROFIBUS现场总线具备标准信息帧结构，并具有界面友好、数据一致性高、高度容错性等优点，其最大数据传输率可达12Mbps，而且更重要的是它可以与目前几乎所有的总线系统兼容。由于在电动汽车中，控制系统一般都采用的是CAN总线通讯，因此利用PROFIBUS现场总线兼容其他总线的特点组建试验台的通讯网络有着巨大的优势。至于两种协议网络之间的通讯，本系统采用的协议转换器，运行表明两种总线系统可以自由地交换数据。
电动汽车试验台PROFIBUS现场总线的数据流通主要是变频器与主站（工业控制计算机）之间的通讯。其中，西门子变频器作为PROFIBUS总线的一个从站，其传输有着自己的数据结构，被称之为CBP数据结构。
当电动汽车试验台系统启动时，所需要的参数过程数据对象能够从主站来配置，如图1所示。选择哪种类型的PPO，取决于在通讯网络中各个从站的任务。在通讯系统中，它们具有最高的优先级和最短的时间等条件。
图1中，PKW是指参数标识符值，PZD表示过程数据区。PKE作为参数标识符，用来选择读取参数的。IND表示参数索引，而PWE是用来存取参数值的。在PZD区中，STW表示控制字。STW中的内容可以控制变频器的启动 ，例如以何种方式启停；ZSW表示状态字，表示变频器的反馈状态，例如是否有报警、在何种工作方式下运行等。
HSW表示主设定值，用来作为变频器的给定，如速度给定或者转矩给定等；HIW表示主实际值，用来反馈变频器的实际速度或者转矩。
3结论
现场总线是工业控制领域中又一个新兴的技术热点，得到了广泛的应用。文章将PROFIBUS现场总线应用到电动汽车电机试验台系统。该电动汽车电机试验台能够快速准确的对电机的各种技术参数进行测试，能够方便地使电机工作在各种被测试的工况条件下。实验结果表明，试验台的技术要求满足电动汽车电机测试的各种需要，目前该系统已经成功运行。
参考文献：
[1] 孙逢春.电动汽车[M].北京:北京理工大学出版社,1997.
[2] 杨竟衡.电动汽车的电气传动系统[J].电气传动,1999,(4).
关键词：电动汽车测试；电机测试；现场总线
中图分类号：U467.52文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）18-0077-01
近年来，各国对混合动力和电动汽车开展了大量研究并取得了大量的成果，一些汽车公司已开始生产该类型的轿车。其中，由于电动汽车使用的是可再生和清洁的电能来驱动，且没有二氧化碳排放和环境污染的问题，因此被认为是未来汽车工业的发展方向，并有望在未来替代传统的燃油汽车。
相对于普通电机，电动汽车的驱动电机和轮毂电机具有更高的转速，在控制中有更高的转矩精度要求，因此，电动汽车电机试验台的测试与控制系统比普通电机的试验台有着更高的要求。文章介绍了一种基于现场总线的电动汽车电机试验台控制系统，分析了测试系统组成和试验台工作原理，并设计了试验台的通讯系统。
1系统组成和工作原理
电动汽车电机试验台的控制系统由西门子变频器、西门子可编程控制器（PLC）、日本HIOKI 3194数据采集系统、特性曲线自动生成系统、高速现场总线系统、扭矩传感器、温度传感器以及西门子高性能工控机等组成。电动汽车电机试验台有两种工作状态，分别介绍如下：
当被试电机运行在电动机状态时，电动汽车电机试验台为第一种工作状态。此时陪试电机运行在发电状态。在这种状态下，陪试电机吸收被试电机输出的机械功率，在西门子变频器控制下将其转化成电能通过四象限变频器或者独立的回馈系统直接回馈到交流电网侧。试验过程中，数据采集系统的扭矩、转速、温度等变量，并送入计算机检测和控制系统。计算机检测和控制系统运行根据试验要求而编制的软件，自动计算出陪试电机控制所需的转矩，然后将此指令发送给西门子变频器，从而改变被试电机的输出使其达到试验要求的工况，直至最后完成系统的整体试验。
2现场总线通讯系统
从电动汽车试验台工作原理可以看出，系统控制的实时性要求非常高，因此文章采用了现场总线的通讯方式连接整个系统。采用现场总线能够显著地提高电动汽车试验台系统的质量和性能，它的优点主要表现在以下几个方面：
①现场布线更加方便。现场布线是控制系统中的重点问题，它决定着系统实现的进度和运行的质量。采用现场总线的方式使线路的连接变得简便可靠，在很大程度上避免了由于现场接线错误而产生的问题。
②数据传输更加可靠。采用数字信号的网络传输方式在可靠性上要远远高于模拟信号的回路传输方式，特别是当传输距离很远时，这种优势更为明显。相对于模拟信号来讲，数字信号在同样的干扰下所受的影响更小，数据保真度更高。
③系统功能更加完备。现场总线是专注于工业控制的现场网络，它的使用使整个工业控制系统成为一个有机的共同体，数据交互，信息共享。
④系统维护更加方便。现场总线的简便的连接方式并没有给系统的维护带来麻烦，相反，它使系统功能的维护和完善更加方便。网络上传输的数据可以任意改变，预留的编程接口使程序的维护和调试可以随时随地进行。
电动汽车试验台主要的通讯网络采用PROFIBUS现场总线系统。PROFIBUS现场总线系统是一种基于欧洲标准、世界通用的总线系统，它对于来自全世界任何制造厂家生产的设备都是开放的，传输介质可用双绞线和光纤。PROFIBUS现场总线具备标准信息帧结构，并具有界面友好、数据一致性高、高度容错性等优点，其最大数据传输率可达12Mbps，而且更重要的是它可以与目前几乎所有的总线系统兼容。由于在电动汽车中，控制系统一般都采用的是CAN总线通讯，因此利用PROFIBUS现场总线兼容其他总线的特点组建试验台的通讯网络有着巨大的优势。至于两种协议网络之间的通讯，本系统采用的协议转换器，运行表明两种总线系统可以自由地交换数据。
电动汽车试验台PROFIBUS现场总线的数据流通主要是变频器与主站（工业控制计算机）之间的通讯。其中，西门子变频器作为PROFIBUS总线的一个从站，其传输有着自己的数据结构，被称之为CBP数据结构。
当电动汽车试验台系统启动时，所需要的参数过程数据对象能够从主站来配置，如图1所示。选择哪种类型的PPO，取决于在通讯网络中各个从站的任务。在通讯系统中，它们具有最高的优先级和最短的时间等条件。
图1中，PKW是指参数标识符值，PZD表示过程数据区。PKE作为参数标识符，用来选择读取参数的。IND表示参数索引，而PWE是用来存取参数值的。在PZD区中，STW表示控制字。STW中的内容可以控制变频器的启动 ，例如以何种方式启停；ZSW表示状态字，表示变频器的反馈状态，例如是否有报警、在何种工作方式下运行等。
HSW表示主设定值，用来作为变频器的给定，如速度给定或者转矩给定等；HIW表示主实际值，用来反馈变频器的实际速度或者转矩。
3结论
现场总线是工业控制领域中又一个新兴的技术热点，得到了广泛的应用。文章将PROFIBUS现场总线应用到电动汽车电机试验台系统。该电动汽车电机试验台能够快速准确的对电机的各种技术参数进行测试，能够方便地使电机工作在各种被测试的工况条件下。实验结果表明，试验台的技术要求满足电动汽车电机测试的各种需要，目前该系统已经成功运行。
参考文献：
[1] 孙逢春.电动汽车[M].北京:北京理工大学出版社,1997.
[2] 杨竟衡.电动汽车的电气传动系统[J].电气传动,1999,(4).