基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的48英寸轉(zhuǎn)鼓4WD汽車(chē)交流電慣量底盤(pán)測(cè)功機(jī)的設(shè)計(jì)

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(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津30007-天津市天波科達(dá)科技有限公司）

基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的48英寸轉(zhuǎn)鼓4WD汽車(chē)交流電慣量底盤(pán)測(cè)功機(jī)的設(shè)計(jì)

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(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津3000722-天津市天波科達(dá)科技有限公司）

根據(jù)車(chē)輛底盤(pán)測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)，將EtherCat總線(xiàn)系統(tǒng)引入到車(chē)輛測(cè)試中，開(kāi)發(fā)出基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的4WD汽車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī)。通過(guò)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)以及多傳感器采集和變頻控制技術(shù)等多技術(shù)相融合方式，構(gòu)建了汽車(chē)功率、排放、滑行、加速、動(dòng)力等不同工況性能測(cè)試的平臺(tái)。實(shí)車(chē)測(cè)試證明，該測(cè)試平臺(tái)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)4WD汽車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī)

引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)可靠性及環(huán)保性能的要求不斷提高，汽車(chē)廠家為此進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)論證，尤其是《GB 18352.5—2013輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》標(biāo)準(zhǔn)的頒布，對(duì)車(chē)輛的排放性能以及耐久性能提出了更高的要求，整車(chē)廠家通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行匹配，在滿(mǎn)足排放性能的同時(shí)還要考慮車(chē)輛的動(dòng)力性能，以提高車(chē)輛的駕駛性能和操作舒適性。并且，最近四驅(qū)車(chē)型不斷增多，單軸的底盤(pán)測(cè)功機(jī)已不能滿(mǎn)足試驗(yàn)的要求，而國(guó)外48英寸轉(zhuǎn)鼓4WD汽車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī)的價(jià)格非常昂貴，我們有必要開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)，以滿(mǎn)足我國(guó)國(guó)內(nèi)汽車(chē)測(cè)試的需要。

底盤(pán)測(cè)功機(jī)是整車(chē)廠家進(jìn)行各項(xiàng)匹配試驗(yàn)及排放試驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)備。4WD汽車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī)是可以測(cè)量前驅(qū)車(chē)型、后驅(qū)車(chē)型以及四輪驅(qū)動(dòng)車(chē)型的多功能底盤(pán)測(cè)功機(jī)，配備軸距調(diào)整系統(tǒng)、自動(dòng)伸縮式蓋板以及兩套中置式底盤(pán)測(cè)功機(jī)。測(cè)功機(jī)安裝在地面之下，車(chē)輛駛上轉(zhuǎn)鼓，由對(duì)中系統(tǒng)對(duì)中，緊固裝置固定車(chē)身。而后，設(shè)備模擬實(shí)際道路行駛條件如車(chē)速、扭矩或道路載荷等，車(chē)輛在模擬的實(shí)際道路條件下進(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)要求響應(yīng)時(shí)間快，控制精確度高，重復(fù)性好等特點(diǎn)，從而產(chǎn)生可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各模塊之間采用通訊設(shè)計(jì)。在通過(guò)對(duì)各種總線(xiàn)通訊系統(tǒng)進(jìn)行比較后，本系統(tǒng)采用了由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)的EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)。

1　EtherCAT的技術(shù)特點(diǎn)介紹

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)［1］）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)，由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司提出，其具有開(kāi)放性好，網(wǎng)絡(luò)速度快，實(shí)時(shí)性好，可靠性高及兼容性好等特點(diǎn)，并且具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)配置，得到了越來(lái)越多開(kāi)發(fā)商的關(guān)注，并且于2014年10月21日成為我國(guó)的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31230-2014。

EtherCAT支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：線(xiàn)型、樹(shù)型或星型結(jié)構(gòu)，可以選用的物理介質(zhì)有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)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(shí)站間距離可到100 m。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65 535個(gè)設(shè)備。使用快速以太網(wǎng)的全雙工通信技術(shù)，使EtherCAT成為主從式的環(huán)型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　EtherCAT協(xié)議運(yùn)行原理

EtherCAT協(xié)議使用一個(gè)特殊類(lèi)型的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。如圖2a）所示，EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)由多個(gè)子報(bào)文組成，每個(gè)子報(bào)文都服務(wù)于一個(gè)特定的邏輯映像區(qū)。數(shù)據(jù)幀在設(shè)備中持續(xù)傳輸，每個(gè)設(shè)備中的FMMU（Fieldbus Memory Management Unit）在數(shù)據(jù)幀通過(guò)時(shí)讀出該數(shù)據(jù)幀中映射到此設(shè)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(guò)時(shí)插入到相應(yīng)的邏輯地址區(qū)中，數(shù)據(jù)幀在整個(gè)過(guò)程僅有幾納秒的延時(shí)。通常每個(gè)通信周期只需要傳輸一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，這個(gè)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(gè)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(gè)I/O的刷新只需要30 μs［3］。

圖2　EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

EtherCAT的高性能特性使它還可以處理分布式驅(qū)動(dòng)器的電流（轉(zhuǎn)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(nèi)，如圖2b）所示。此時(shí)，任何帶以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制都可以尋址EtherCAT系統(tǒng)，甚至允許經(jīng)路由器和其它子網(wǎng)通信。在這種情況下，在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，UDP幀只須在第一個(gè)從站解壓包，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)本身的響應(yīng)時(shí)間幾乎不受影響。

2　底盤(pán)測(cè)功機(jī)總體思路簡(jiǎn)介

該套四驅(qū)車(chē)型底盤(pán)測(cè)功機(jī)由兩臺(tái)中置式測(cè)功機(jī)及軸距調(diào)整系統(tǒng)等組成，適用于最大總質(zhì)量不超過(guò)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(lèi)輕型汽車(chē)的性能試驗(yàn)，耐久試驗(yàn)以及歐III、歐Ⅳ、歐Ⅴ等排放法規(guī)工況試驗(yàn)，可以滿(mǎn)足前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)3種車(chē)輛的試驗(yàn)要求。

系統(tǒng)采用交流電力測(cè)功機(jī)，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)本身固有的機(jī)械慣量的基礎(chǔ)上可以全電慣量模擬，同時(shí)設(shè)備采用先進(jìn)的控制方式和高品質(zhì)的器件，應(yīng)用抗干擾技術(shù)，保證系統(tǒng)測(cè)試精度高，工作可靠穩(wěn)定，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬、行車(chē)阻力設(shè)定及系統(tǒng)內(nèi)部阻力進(jìn)行精確控制，從而再現(xiàn)被測(cè)車(chē)輛的道路行駛阻力或標(biāo)準(zhǔn)所要求的行駛阻力。

3　底盤(pán)測(cè)功機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)是基于EtherCAT的底盤(pán)測(cè)功機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要由3大部分組成：計(jì)算機(jī)人機(jī)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(qū)控制系統(tǒng)、后驅(qū)控制系統(tǒng)、軸距調(diào)整系統(tǒng)、跟蹤冷卻系統(tǒng)、氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、輪胎對(duì)中系統(tǒng)、主控手動(dòng)操作系統(tǒng)及遙控手動(dòng)操作系統(tǒng)等子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括前后驅(qū)轉(zhuǎn)速采集單元、前后驅(qū)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(chē)身位置檢測(cè)報(bào)警單元等子系統(tǒng)，各部分通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)進(jìn)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(shù)型和線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合的方式連接各控制及采集單元，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

4　底盤(pán)測(cè)功機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車(chē)在道路上運(yùn)行過(guò)程中存在著運(yùn)動(dòng)慣性、摩擦阻力、風(fēng)阻及坡度阻力等外界條件，要在試驗(yàn)臺(tái)上模擬汽車(chē)道路運(yùn)行工況，首先要解決模擬汽車(chē)整車(chē)的運(yùn)動(dòng)慣性和運(yùn)動(dòng)阻力問(wèn)題，這樣才能用臺(tái)架測(cè)試汽車(chē)運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)性能。為此，在該試驗(yàn)臺(tái)上利用轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電慣量混合模擬汽車(chē)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及汽車(chē)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣量的方式，在標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍內(nèi)滿(mǎn)足汽車(chē)的慣量模擬。路面模擬是通過(guò)滾筒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)采用48英寸轉(zhuǎn)鼓，以滾筒的表面取代路面，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)加載裝置及慣性模擬系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性能的檢測(cè)。

本套系統(tǒng)包含前驅(qū)轉(zhuǎn)鼓和后驅(qū)轉(zhuǎn)鼓兩套轉(zhuǎn)鼓組件，每套轉(zhuǎn)鼓組件均由中置式電機(jī)和兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓以及其他控制組件構(gòu)成。前驅(qū)轉(zhuǎn)鼓組件是一個(gè)固定部件，其直接安裝于地坑內(nèi)，與基礎(chǔ)固定在一起；后驅(qū)轉(zhuǎn)鼓組件為一個(gè)移動(dòng)部件，其軸線(xiàn)與前驅(qū)轉(zhuǎn)鼓組件軸線(xiàn)平行，可以實(shí)現(xiàn)朝向和背離前驅(qū)轉(zhuǎn)鼓方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軸距的調(diào)整。在后驅(qū)組件前后各有一個(gè)黃色的移動(dòng)平臺(tái)，在后驅(qū)移動(dòng)過(guò)程中隨著轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)平動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)平面平整，以方便在軸距調(diào)整過(guò)程中車(chē)輛和維護(hù)人員的通過(guò)，現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4　底盤(pán)測(cè)功機(jī)實(shí)拍現(xiàn)場(chǎng)

5　底盤(pán)測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

底盤(pán)測(cè)功機(jī)的主要功能為以模擬道路行駛的模式吸收汽車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)出的功率，系統(tǒng)采用最新的數(shù)字控制、驅(qū)動(dòng)/吸功式交流向量電機(jī)，采用基于道路阻力方程求得的電慣量彌補(bǔ)機(jī)械慣量和摩擦損失。本系統(tǒng)采用中置式交流測(cè)功機(jī)作為吸收單元，系統(tǒng)通過(guò)吸收汽車(chē)發(fā)出的功率，經(jīng)過(guò)整流及逆變，將吸收的能量轉(zhuǎn)換為交流電回饋到電網(wǎng)，同時(shí)提供給系統(tǒng)內(nèi)部跟蹤冷卻風(fēng)機(jī)等用電設(shè)備使用，并且系統(tǒng)采用共直流母線(xiàn)的方式將發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備聯(lián)接，減少逆變級(jí)數(shù)，提高了用電效率。

系統(tǒng)整體采用模塊化設(shè)計(jì)，變頻器等強(qiáng)電設(shè)備安裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，并且摒棄了傳統(tǒng)的模擬量及開(kāi)關(guān)量控制變頻系統(tǒng)的方式。采用EtherCAT總線(xiàn)控制方式，通過(guò)總線(xiàn)控制前驅(qū)、后驅(qū)以及風(fēng)機(jī)變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)省了大量走線(xiàn)。數(shù)據(jù)采集部分安裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)和強(qiáng)電系統(tǒng)的分開(kāi)，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(cè)試點(diǎn)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(zhǔn)確性，采集好的數(shù)據(jù)通過(guò)一根EtherCAT網(wǎng)線(xiàn)和遠(yuǎn)端主機(jī)連接，系統(tǒng)整體簡(jiǎn)潔，也提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

6　軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本套底盤(pán)測(cè)功機(jī)采用上下位機(jī)雙微機(jī)控制系統(tǒng)模式，上位機(jī)采用工業(yè)PC機(jī)，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(chǔ)，對(duì)上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)界面的編程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)查詢(xún)，生成報(bào)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(jī)采用倍福公司生產(chǎn)的PLC，并通過(guò)TwinCAT軟件進(jìn)行主從站信息配置及下位機(jī)編程，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，運(yùn)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(yàn)結(jié)果

測(cè)試人員通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)模擬車(chē)輛行駛的道路狀況，在室內(nèi)考核車(chē)輛的整車(chē)性能，如車(chē)速、行駛時(shí)間、加速性能、扭矩及功率等參數(shù)，本系統(tǒng)在完成車(chē)輛性能測(cè)試功能的同時(shí)，還提供了與工況排放測(cè)試儀匹配的工況曲線(xiàn)，駕駛員按照工況曲線(xiàn)要求的時(shí)間和車(chē)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)駕駛，從而滿(mǎn)足排放分析儀對(duì)尾氣進(jìn)行收集與分析的要求。圖6為大眾某款進(jìn)口車(chē)型在該設(shè)備上進(jìn)行排放測(cè)試時(shí)的工況曲線(xiàn)圖，并通過(guò)排放分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，與該車(chē)提供的理論值十分接近，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖6　排放測(cè)試工況曲線(xiàn)圖

8　結(jié)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(shí)時(shí)性好。系統(tǒng)采用EtherCAT總線(xiàn)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī)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(xiàn)束安裝空間和成本，提高了數(shù)字化信息化程度，增強(qiáng)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(qiáng)，郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)EtherCAT及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2007（11）：79-82

3康存鋒，林志磊.基于TwinCAT主站的EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)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?yàn)楣た丶夹g(shù)與車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)。