基于现场总线的电动汽车电机试验台系统

■ 湘潭电机集团有限公司 粟明

1 绪论

现代汽车工业是人类工业技术的伟大成就之一。但是随着汽车工业的快速发展和汽车大量广泛的应用，也导致了大气污染和全球变暖等问题。特别是现代汽车使用的燃料—石油是不可再生的资源，因此人类迫切需要寻找新的能源来解决目前存在的问题。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[1-2]。

在电动汽车技术领域，驱动电机和轮毂电机的设计是一个非常重要的部分。获得驱动电机和轮毂电机精确的试验数据，是整车设计完成直至产业化中一个重要的环节。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[3]。本文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。

2 系统组成和工作原理

电动汽车电机试验台的组成如图1所示，其中用户逆变器和被试电机由电动汽车设计方提供。系统中，有源负载和用户逆变器由整流电源供电，控制被试电机的运行；陪试电机由西门子MASTERDRIVERS矢量型变频器控制运行，其实质上是一台变频异步测功机。

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，如图2所示。其中，西门子PLC控制器是整个系统的控制中心，由它通过现场总线对各个部件发出控制指令；西门子逆变器是系统的执行部分，通过控制陪试电机使系统达到试验所需的各种工况；各种数据采集传感器是系统的测量部分，负责采集试验数据。根据被试电机的运行状态，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。

当被试电机运行在发电机状态时，电动汽车电机试验台为第二种工作状态。此时陪试电机运行在电动状态。在这种状态下，陪试电机输出的机械功率由被试电机吸收。在用户逆变器的控制下，被试电机所吸收的机械能转化成电能并通过直流母线上并联的有源负载吸收。同时，计算机控制系统对数据采集系统采集得到的数据进行分析、处理，自动计算出陪试电机控制所需的转速，然后将此指令发送给西门子变频器，从而改变陪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。

3 现场总线通讯系统

图1 电动汽车系统试验工作原理图

图2 电动汽车电机试验系统

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，因此本文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，传输界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12 Mbps，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。

图3 CBP的数据结构

图4 参数过程数据对象（PPO）类型

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，如图3所示[4]。在CBP数据固定结构中，PROFIBUS结构的周期型通道MSCY_C1中的可用数据被定义为参数过程数据对象(PPO)。用MSCY_C1数据传送，可用数据被划分成两个区域，它们以各自的报文进行数据传送。在很多应用场合，例如交流传动领域，周期型MSCY_C1通道也简单地被称为STANDARD通道。对于电动汽车试验台系统，定义了可用数据的结构后，一个主站可以采用这些结构使用周期型MSCY_C1 通道存取那些传动从站的数据以及发出控制指令。

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4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4中，PKW是指参数标识符值，PZD表示过程数据区。PKE做为参数标识符，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。

4 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。本文将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。

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

[2]孙逢春.电动汽车.北京理工大学出版社,1997.

[3]杨竟衡.电动汽车的电气传动系统,电气传动.1999（4）.

[4]Siemens.Simovert Masterdrives使用大全,西门子电气传动有限公司,2000.