实现汽车测功器应用的灵活性

本文将向您介绍运用National Instruments产品建立灵活的测功器测试平台。
目录：
· 简介
· 汽车测功器应用
· 测功器技术
· 应用示例
· 综合控制系统
· 结论
· 联系方法
· 附录 A – 常用设计参数
· 附录 B – 扭矩与马力的关系


简介

概要
本文描述了如何运用National Instruments产品建立灵活的测功器测试平台。
设计和验证应用有多种不同的对象，尤其是在使用测功器测试马达、发动机或车辆时。然而，大多数测功器应用都会遇到以下几方面的难题：
· 手工操作的不便性
· 如何集成控制功能、测量功能和操作员界面功能
· 通道扩展能力有限
· 是否与新型信号和协议兼容
· 是否与第三方设备兼容
本文将探讨使用哪些工具可以攻克以上难题，并将介绍一些描基于National Instruments平台的解决方案。
对于构建发动机和底盘性能测试系统的汽车工程师和系统集成员而言，使用基于LabVIEW 软件和 PXI 硬件的National Instruments 汽车测试平台可以构建实时控制和测量系统平台。与专用解决方案不同，运用汽车测试平台，用户可以构建完全符合自己测试需要的应用方案，除此之外，还有一个好处就是汽车测试平台可以将多种National Instruments公司的产品及第三方的部件集成为一个独立系统。
虽然本文主要介绍动力系统测试应用案例，但其技术和方法同样可以应用于测试其它部件（如软管、刹车、安全带或电机）的安全性、耐用性和运行性能。
National Instruments公司 简介
National Instruments公司在基于PC的数据采集和产品控制中处于领先地位。通过使用National Instruments 公司所生产的硬件和软件产品，工程师和科学家可以轻松实现测试程序、数据采集和分析的自动化，并且可以以一种简单易懂的方式来显示检测结果。
NI在各种行业领域和研发领域中拥有众多的客户，通过采用NI产品来创建各种自动化测试和测量系统，他们各自的生产率有了显著提高，而且还大大降低了开发和维护成本。


汽车测功器应用

汽车测功器的常规应用包括：
· 汽车检查和维护
· 底盘设计和验证
· 发动机设计和验证
· 传动系设计和验证

设计和验证测试
设计和验证测试应考虑多个目标，包括：
· 测量性能因数，如马力、加速度和里程等
· 产品使用周期和耐久性测试
· 验证产品设计是否符合废气排放和安全标准以及是否符合产品规范
· 测量噪声和振动
简而言之，在测试时，理想的测功器测试结果是测试系统可以连续生成有意义的数据，而不会对人员造成意外伤害或是对测试系统和被测器件造成损害。要达成这一目标，测试系统必须具有以下三点特性：
· 可靠性 － 以确保操作员的安全和数据的完整性
· 可重复性 － 以获得一致的结果
· 灵活性 － 以适应不同的模型和汇编级
具有以上这些特性的测功器可以作为可扩展和可配置的自动化控制系统的基础部分，以此来满足多种测试应用的需求。以下的部分将介绍一种运用National Instruments 产品来建立上述控制系统的方法。


测功器技术

测功器是一种可以向被测品施加受控负载的能量吸收式设备。负载以扭矩（旋转力）的形式施加到发动机轴上或车轮上。
测功器可采用以下几种制动技术来产生受控负载：
· 惯性 － 质量较大的旋转物体可以提供与加速度成正比的负载。扭矩可以根据加速度变化率算出。平均扭矩可以根据将物体加速到给定转速所需要的时间来算出。
· 水力制动 － 负载通过水泵产生。与轴相连的叶轮通过机械力迫使水流通过水泵。安置在水泵输出管路中的一个阀可以调节背压并产生负载。
· 涡流 － 通过位于磁场中的旋转金属盘引发的涡流来产生负载。
· 交流或直流电机 –  负载由电机产生。电机还可起到驱动电机的作用，以此来产生扭矩。
· 液压 – 使用光滑的盘式动力元件（该元件通过粘性剪力吸收能量）来产生负载。
每项测功器技术均可以根据成本、功率、速度、动态响应、控制稳定性、内在惯性以及其它特性来进行分类。在高速运转的情况下，涡流测功器和电机测功器仍具有良好的响应性能和功率/扭矩性能，因此它们是汽车测试运用中的首选。电机测功器可以提供最佳的控制响应，而涡流测功器则可在更高的速度下处理更高的功率。
许多测功器都带有用于测量扭矩和速度的内置式传感器，这些传感器可用来计算功率（参见附录B）.目前最新的趋势是由测量扭矩扩展到也测量由活塞或其它机械部件产生的扭转振动。
一些测功器（特别是交流和直流电机测功器）具有“驱动”能力，即所产生制动负载可以推动轴的正向运动。
工作模式
测功器在两种控制模式下均可工作，即开环模式和闭环模式。
开环模式
在开环模式中，测功器控制被设置为可用测功器输出或负载的百分比。在这种模式下，测功器所产生的负载不受油门位置、转速和车辆行驶速度的影响。虽然在开环模式下允许手动操作测功器，但计算机自动化操作可以确保测试结果的可靠性和可重复性。
闭环模式
在闭环模式下，负载与测试程序所确定的一个反馈信号有关。例如，在恒速模式下，用户可以设定一个速度并使车辆始终以这个速度行驶。油门位置的增加会被负载的增加抵消，从而防止车辆的速度超出设定值。可以根据时间编制几个速度设定点，这样，操作员就可在发动机允许的速度范围内缓慢、逐级地提高车辆的速度，并在此过程中监测发动机参数及其与扭矩输出的关系。
闭环应用的另一例子是地形模拟，在这种应用中，负载在计算机的控制下作出相应的改变，以此来模拟在山上行驶、转弯和其它驾驶情形。
在大多数情况下，采用手动方法不能进行连续的负载调整，因此对于需要进行闭环控制的测试应用，必须采用自动化控制系统。


应用示例

以下是两个典型测功器应用对控制系统的要求。
底盘
你可能较为熟悉底盘测功器，该种测功器根据滚轮（滚轮的作用：使车辆传动与车轮接触）的速度和扭矩测量值来测试车辆的性能。



图中文字：
integrated control system -- 综合控制系统， automatic driver or driver’s aid－自动传动装置或驱动指导，operator interface－操作员界面， real-time control system－实时控制系统， torque, speed－扭矩，速度， roll dynamometer－滚动测功器
此处所示的底盘测功器是采用一个控制系统使测试程序自动运行，同时进行测量并记录测量所得的数据供以后分析使用。在某些配置中，控制系统通过油门传动机构和制动传动装置直接“驱动”车辆。而在另一些应用中，控制系统会在测试过程中引导驾驶员的行为。
要使可靠性达到最大化，控制系统应采用实时软件工具来建立。安装简便的实时软件可以在预计响应时间内执行自动化任务。由于微软的Windows和其它常用操作系统不能预计响应时间，因此它们不是十分适合用于控制高性能测功器测试系统。
然而由于具有绘图和联网能力，PC机又常被用作操作员控制台。同时，使用一台独立的计算机还可以防止由于操作员的操作而影响实时系统的响应。
在建立综合控制系统时，创建应用软件是最困难的任务之一。大多数实时软件工具都需要有工作人员来开发并维护用于处理实时输入/输出接口以及处理实时系统与操作员界面交互的特殊软件库。交钥匙系统供应商可以提供由它们开发好的解决方案，但这种解决方案往往需要专有硬件和非开放式软件工具的支持，而这些软、硬件存在着价格昂贵、开发能力有限的弊端。
为便于未来扩展，控制系统应采用价格不高、使用简便且与多种传感器和系统兼容的软件工具来建立。在以下的一个段落中我们将介绍National Instruments 的产品如何实现这一目标。
发动机
现在让我们来看看发动机测试应用。在这种应用中，通过测功器在飞轮处直接与发动机驱动轴相连，发动机可进行自测试（即在车辆之外）。测试系统控制器控制油门位置和其它发动机输入。在此应用中，测功器有自己的控制器，该控制器通过一个串行连接与测试系统控制器交互。

Mustang测功器示例
图中文字：
reference data and alarms－参考数据和报警， AC drive controller－交流驱动控制器， speed－速度， torque－扭矩， real-time test cell controller－实时测试系统控制器， coolant system－冷却系统，fuel meter－油量计，oil system－供油系统，high-speed network－高速网络， operator interface－操作员界面
上图显示了一个典型的发动机测试系统，该系统采用几个独立的设备来模拟与发动机有关的燃料、冷却剂、油、电气和其它车辆系统。这些系统可能有自己的参数（如温度、压力和流量），测试系统控制器必须对这些参数进行控制。测试系统通常还包括安全联锁和一些与设备相关的其它接口，这些接口也由测试系统控制器进行管理。
虽然上图中并未显示，但发动机通常都配有传感器，以提供有关内部运行情况的信息。在实际生产中，发动机还利用条形码或内嵌式闪存向测试系统提供与自身相关的信息。
上图中所示的综合控制系统是系统集成员采用National Instruments 产品创建的典型系统。值得注意的是，与其它方法不同，实时控制系统和信号输入/输出连接均位于此测试系统之内。而且，网络连接取代了原先测试系统中又长又重的电缆，从而缩短了安装和调试时间并提升了运行可靠性和噪声抑制性能。
传动
传动应用的目标是测试传输、差动和其它传动组件的性能。驱动电机在输入处向被测组件施加受控扭力。


综合控制系统

在自动化测功器测试系统中，控制系统具有以下功能：I
· 操作员界面
· 数据记录
· 数据采集
· 控制发动机/车辆
· 控制模拟驾驶环境

开发工具
以下部分介绍了可用于构建测试系统平台的National Instruments的工具和方法。
LabVIEW 实时模块
你可能已经在使用基于工业标准的LabVIEW 图形化编程工具，那么LabVIEW实时模块正是基于此的。 利用内置式LabVIEW库，你可以快速对硬件进行编程，来完成采集数据、执行控制回路以及与其它供应商提供的仪器和设备通信的工作。在采集数据的同时，你还可以对其进行时域分析或频率域分析并使操作员能立即看到分析结果。
LabVIEW实时模块使得LabVIEW 图形化编程环境更加易于使用，用户无需深入了解有关实时技术或非标准计算机系统的知识就可开发和配置实时系统。通过运用LabVIEW实时模块你可以将关键任务下载到一个实时处理器中，让任务在确定性环境（即“非Windows”）中执行。虽然操作员界面是在一台独立的计算机上运行，但与实时软件结合在一起就可作为一个一体化应用程序运行。PC机与实时处理器通过一个高速以太网连接通信。
在测功器应用中，操作员界面用于配置和控制实时控制系统。实时控制系统进行测量并将数据记录到磁盘上，同时生成用于控制测功器、发动机和其它设备的输出。实时系统还执行用户运用操作员界面编制的测试程序。
注意，以上这个使用单个集成化系统的方法与其它需要为某些功能单独配置设备的解决方案相比起来， 其成本效益要高得多。
模块化PXI和 SCXI 硬件
在过去的20年里VME 一直是实时系统中最常用的工业计算机总线，所以许多测功器控制系统至今仍都采用VME 或 VXI 技术构建。然而近来新一代CompactPCI总线已开始被迅速应用于工业环境。
National Instruments为制定PXI作出了贡献，使得CompactPCI 可被用于测量和控制应用中。以下所示的配置中含有一个内置式实时处理器以及PXI 数据采集和信号调节模块。运用多种底盘配置和扩展选件可以方便地建立具有更多插槽的系统，从而可以轻松地增加系统通道数。

低成本选件
高性能控制系统不是对所有应用都是必须和合适的。National Instruments 公司为需要较少功能的客户提供以下选件：
· 在FieldPoint 模块上运行的LabVIEW实时模块
· 在基于PC和PXI的数据采集设备上运行的LabVIEW实时模块
· 在微软的Windows环境下运行所有控制和采集程序

如果你想了解有关实时控制器、数据采集和信号调节的更多信息，请浏览http://www.ni.com/rt, http://ni.com/measurements和http://www.ni.com/scxi。
信号输入/输出
在创建你自己的控制系统时，必须考虑系统要处理的所有参数。

扭矩 致动器
转速/速度 l 油门位置
马力 l 刹车踏板
温度 l 变速器
压力 数字输入/输出
流量 环境条件
振动/噪声 l 大气压力
排气 l 湿度
发动机数据
l 条形码
l 闪存

这份清单并不详尽，但它包括了在测功器应用中所需的大多数常用参数。
这些信号的测量和控制输入/输出可以通过几种方法进行。两种常用的方法是：将传感器和致动器直接与测试系统控制器相连或与执行具体任务的设备相连（例如发动机测试示例中的交流测功器控制器）。这样数据便可以纯电压或电流的形式或以RS-232 、CAN和 GPIB.等通信协议形式传送到控制系统。
信号接口的多样性在建立控制系统时可能会引发另一个问题。虽然确定你正在使用的传感器和设备的输入/输出要求可能较为容易，但是预测从现在起一年内你所需要的参数类型和通道数目却非常困难。你的选择会受到专有的解决方案的限制，尤其是在选择特殊传感器和第三方仪器（如废气排放分析仪）方面以及需要扩展现有系统以增加额外的输入/输出通道时，此问题更加突出。

传感器 通信 数字输入/输出
传声器 CAN总线 计数
加速计 RS-232 定时
Modbus 光隔离
模拟输出 GP1B 高速
电压设定点 RS-422/485
电流设定点 DeviceNet 其它
波形 以太网 运动控制

以上表格列出了National Instruments PXI 模块可以测量的传感器和信号的类型。虽然你现在可能不需要所有这些功能，但在未来需要时你就可方便地使用。模块内置的GPIB, RS-232和 RS-422/485 通信模块与大多数第三方仪器和子系统兼容。
某些类型的传感器和信号在与控制系统连接之前需要进行调节。在采用以下类型的传感器和信号时，National Instruments SCXI 模块可以提供所需的激励、隔离、多路复用和其它信号调节功能。

传感器 模拟输入 数字输入/输出
热电偶 低压 TTL
RTD 高压 240VAC
热敏电阻 0-20mA
加速计 频率至电压 转换
LVDT, RVDT 电阻 多路复用器
应变计 矩阵变换电路
负载 模拟输出
扭矩 电压
压力 电流



结论

在本文中我们探讨了一些促使市场对于灵活的测功器测试的需求因素。
我们已经看到LabVIEW 实时系统是如何与PXI和SCXI 硬件模块相结合而形成具有灵活性的综合控制解决方案，从而满足你不断变化的需求。利用PXI平台用户可以将多种National Instruments公司和第三方的组件集成为一个完全由用户自定义的单一系统。


联系方法

本文对National Instruments公司提供的测功器测试工具和产品作了简要介绍。如有问题或想和我们讨论你的特殊需求，请与我们联系：
上海曲阳路800号商务大厦6楼（200437）
电话：（021）65557838
传真：（021）65556244
Email：china.info@ni.com
Web：ni.com/china
也可参阅
有关使用基于National Instruments的系统建立你的测功器或选择系统集成器的更多信息。
有关National Instruments产品的更多信息。


附录 A – 常用测试参数

摘要
控制值包括：
变量 工程单位 设备
油门、刹车位置 % 致动器
装载或驱动转矩 lb ft, N m, % 测功器
直接测量值包括：
变量 工程单位 传感器
力 lb, N 测力计
扭矩 lb ft, N m 扭矩计
转速 rpm 转速计
流量 liters/s 流量计
压力 psi, psig, psia 压力传感器
温度 °C, °F 热电偶，RTD
废气排放 ppm, % 电化设备，红外设备
振动 g 加速计
噪声 Pa 传声器
计算值包括：
变量 工程单位 源自
扭矩 ft lb, N m 力，力臂
功率 hp, W 扭矩，转速
速度 mph, km/h 卷筒速率，直径
加速度/减速度 m/s2, ft/s2 速度
制动力 N 速度，车辆质量
燃料效率 mpg 速度/流量或距离/总消耗
测量和控制术语
扭矩和力
扭矩是“扭力”。扭矩通常是通过与发动机飞轮相连的或与由车轮驱动的滚轮相连的测功器测量。
在实际驱动条件下，影响车辆的基本作用力有：
· 驱动力（扭矩）
· 制动力
· 空气阻力
· 重力（在斜坡上）

有些测试程序要求测功器对以下这些力进行模拟。
马力
马力是衡量发动机功率输出的单位。马力可以用以下方法计算：
马力 = 扭矩 (lb ft/s) x 转速 / 5252
因此通过测量转速和扭矩可以计算出功率输出。
注：有关扭矩和马力的详细说明请参见附录B——扭矩和马力的关系。

车辆速度和转速
车辆速度和转速用于计算马力和加速度。为了显示或分析的目的，测量的参数值通常与速度或转速一起绘制成曲线。
温度和压力
温度和压力条件对发动机和车辆的性能有直接的影响。温度和压力参数可以在以下位置测量：
· 周围环境（大气压）
· 油
· 冷却剂
· 歧管
· 燃油
· 排气
· 刹车和制动液

燃油和液体流量
燃油效率（每加仑英里数或每升公里数）是衡量客户满意度和是否符合规章要求的重要性能参数。燃油效率根据燃油和车辆速度算出。
空气/燃油比是另一个重要的值，该值可以根据燃油流量和空气流量算出。
车辆控制
· 车辆和发动机控制值包括：
· 油门位置
· 刹车位置
· 变速器位置

离散数字信号
离散数字信号为开/关状态指示器或控制连接。
噪声和振动
噪声和振动是频域参数，对于评估噪声、振动和粗糙度 (NVH) 设计因素极为重要。.
排气
低排气量对于满足环保规章的要求极为重要。通常需测量的排放气体包括：
· 氧气
· 二氧化碳
· 一氧化碳
· 氮氧化物
· 甲烷和其它碳氢化合物

在需要测量气体排放的测试应用中采用第三方的气体分析仪。


附录 B – 扭矩与马力的关系

扭矩是指由发动机产生的扭力（通常以磅英尺为测量单位）。
扭矩被定义为（通常也按此方法计算）：力臂长度乘以施加到力臂之上的正交力。力臂是指转轴（如车轴或传动轴）中心至力的施加点的距离（如与地面接触的轮胎表面），力臂的测量单位是英尺。

扭矩 = 力 x力臂 (lb ft)
图中文字：moment arm－力臂， torque－扭矩， force－力

注：扭矩的公制单位是牛顿米(N m)。

注：发动机扭矩与滚轮（车轮）扭矩不同，因为传动链中的齿轮装置会改变力臂。在下面我们可以看到，功率与转速和扭矩成正比。在理论上，功率在传动过程中保持不变，所以车轮扭矩和发动机扭矩之比与发动机转速和车轮转速之比成正比。
“马力”一词由詹姆斯瓦特最先提出，他把他发明的蒸气机比作马。他发现一匹强壮的马可以在60秒内将重150磅的物体提升220英尺。所以瓦特想要知道他的蒸气机能够替代多少匹马。


注：区分用于衡量力的磅和用于衡量质量的磅非常重要。1磅的质量表示重力场中的1磅垂直力（重量）。在马提起重物的例子中，提升力与重力对抗。很明显，如果马沿着地面拉动重物，移动重物所需的力就完全不同了。因此此处讨论的磅是指力，而不是质量或重量。
功是指在给定距离内施加力而所需的代价。在瓦特的例子中，功是指将150磅的重物提升220英尺距离所需的代价。
功 = 力 x 距离 (lb ft)
功率是指执行功时的速度。在瓦特的例子中，使用1马力发动机可以在60秒内将150磅重物提升220英尺，而使用2马力发动机则在30秒内就可完成。
功率 = 功/时间 (lb ft/s)
= 力 x 距离/时间
瓦特将马力确定为：
1 马力 = 150 lb x 220 ft / 60 s = 550 (lb ft/s)
注：功率的公制单位是瓦特 (1 W = 1 N m/s)。
1 hp = 746 W
马力与扭矩的关系如下所示：
功率 (lb-ft/s) = 力 (lb) x 距离 (ft) / 时间 (s)
对于车轮而言，
距离 =周长x 转数
= 2 P x R (半径或矩臂，以英尺为单位) x 转数
因此，
功率 =力 x 2 P x力臂 x 转数 / 时间
= 扭矩 x 2 P x转数 / 时间
= 扭矩 x 2 P x 转速 (转数/分钟)/60(s/minute)
= 扭矩 x 转速 x 2 P /60
马力 = 功率 / 550 (lb ft/s)
= 扭矩 x 转速 x 2 P /(60 x 550)
马力 = 扭矩 x 转速 / 5252