基于現場總線的電動汽車電機試驗臺系統

摘要：文章介紹了一種基于現場總線的電動汽車電機試驗臺，討論了試驗臺系統的結構組成，分析了試驗臺的工作原理。最后，對試驗臺基于PROFIBUS現場總線的通訊網絡進行了設計，給出了數據流通的格式以及變頻器參數過程數據對象的數據字節定義。目前，該試驗臺已成功應用于產品測試。

關鍵詞：電動汽車測試；電機測試；現場總線

中圖分類號：U467.52文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）18-0077-01

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境污染的問題，因此被認為是未來汽車工業的發展方向，并有望在未來替代傳統的燃油汽車。

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比普通電機的試驗臺有著更高的要求。文章介紹了一種基于現場總線的電動汽車電機試驗臺控制系統，分析了測試系統組成和試驗臺工作原理，并設計了試驗臺的通訊系統。

1系統組成和工作原理

電動汽車電機試驗臺的控制系統由西門子變頻器、西門子可編程控制器（PLC）、日本HIOKI 3194數據采集系統、特性曲線自動生成系統、高速現場總線系統、扭矩傳感器、溫度傳感器以及西門子高性能工控機等組成。電動汽車電機試驗臺有兩種工作狀態，分別介紹如下：

當被試電機運行在電動機狀態時，電動汽車電機試驗臺為第一種工作狀態。此時陪試電機運行在發電狀態。在這種狀態下，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直接回饋到交流電網側。試驗過程中，數據采集系統的扭矩、轉速、溫度等變量，并送入計算機檢測和控制系統。計算機檢測和控制系統運行根據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，直至最后完成系統的整體試驗。

2現場總線通訊系統

從電動汽車試驗臺工作原理可以看出，系統控制的實時性要求非常高，因此文章采用了現場總線的通訊方式連接整個系統。采用現場總線能夠顯著地提高電動汽車試驗臺系統的質量和性能，它的優點主要表現在以下幾個方面：

①現場布線更加方便。現場布線是控制系統中的重點問題，它決定著系統實現的進度和運行的質量。采用現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場接線錯誤而產生的問題。

②數據傳輸更加可靠。采用數字信號的網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，這種優勢更為明顯。相對于模擬信號來講，數字信號在同樣的干擾下所受的影響更小，數據保真度更高。

③系統功能更加完備。現場總線是專注于工業控制的現場網絡，它的使用使整個工業控制系統成為一個有機的共同體，數據交互，信息共享。

④系統維護更加方便。現場總線的簡便的連接方式并沒有給系統的維護帶來麻煩，相反，它使系統功能的維護和完善更加方便。網絡上傳輸的數據可以任意改變，預留的編程接口使程序的維護和調試可以隨時隨地進行。

電動汽車試驗臺主要的通訊網絡采用PROFIBUS現場總線系統。PROFIBUS現場總線系統是一種基于歐洲標準、世界通用的總線系統，它對于來自全世界任何制造廠家生產的設備都是開放的，傳輸介質可用雙絞線和光纖。PROFIBUS現場總線具備標準信息幀結構，并具有界面友好、數據一致性高、高度容錯性等優點，其最大數據傳輸率可達12Mbps，而且更重要的是它可以與目前幾乎所有的總線系統兼容。由于在電動汽車中，控制系統一般都采用的是CAN總線通訊，因此利用PROFIBUS現場總線兼容其他總線的特點組建試驗臺的通訊網絡有著巨大的優勢。至于兩種協議網絡之間的通訊，本系統采用的協議轉換器，運行表明兩種總線系統可以自由地交換數據。

電動汽車試驗臺PROFIBUS現場總線的數據流通主要是變頻器與主站（工業控制計算機）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據結構，被稱之為CBP數據結構。

當電動汽車試驗臺系統啟動時，所需要的參數過程數據對象能夠從主站來配置，如圖1所示。選擇哪種類型的PPO，取決于在通訊網絡中各個從站的任務。在通訊系統中，它們具有最高的優先級和最短的時間等條件。

圖1中，PKW是指參數標識符值，PZD表示過程數據區。PKE作為參數標識符，用來選擇讀取參數的。IND表示參數索引，而PWE是用來存取參數值的。在PZD區中，STW表示控制字。STW中的內容可以控制變頻器的啟動 ，例如以何種方式啟停；ZSW表示狀態字，表示變頻器的反饋狀態，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。

3結論

現場總線是工業控制領域中又一個新興的技術熱點，得到了廣泛的應用。文章將PROFIBUS現場總線應用到電動汽車電機試驗臺系統。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，目前該系統已經成功運行。

參考文獻：

[1] 孫逢春.電動汽車[M].北京:北京理工大學出版社，1997.

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