一種新型測試混合動力發(fā)動機技術
2014-3-26 來源：數(shù)控機床市場網(wǎng) 作者：
汽車的傳動系本質上就是一個包含給汽車提供動力的發(fā)動機（傳統(tǒng)的內燃機），并將動力傳遞給變速箱、傳動軸最終到達汽車車輪的系統(tǒng)。傳動系的電氣化正在改變汽車技術的未來發(fā)展前景，同時也受到來自可持續(xù)能源驅動、提高燃油效率以及符合相關二氧化碳排放法規(guī)等的影響。另外，目前的關鍵技術推進工作主要集中于提高操控性能與耐用性，還有就是一些新的實用技術，比如因再生制動而催生的逆變器技術，這種技術用于給電動機供電，或者給電池充電。
在傳動系任何部分的開發(fā)過程中，都需要測量與機械性能相關的各種電氣信號和物理參數(shù)，并作為完整測試過程的一部分。電氣信號來自鏈接高壓電池和逆變器的電力電路，而物理參數(shù)涉及電氣到機械的轉換過程。為了透徹理解整個系統(tǒng)性能，必須對電磁電力轉換器和電力電路進行測量，并分析來自CAN等汽車串行總線網(wǎng)絡上工作的傳動系管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。此外，這些測試必須同時進行，以便達到總體最優(yōu)的解決方案，而不是單獨優(yōu)化某個元件。
傳統(tǒng)的做法是使用采樣率最高為10000樣本/秒的數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量汽車中的電氣和物理參數(shù)。這種系統(tǒng)通常具有很多通道，允許用戶將多個傳感器輸出和隔離型輸入通道結合在一起測量電氣系統(tǒng)（經(jīng)常包括浮動電壓值）以及溫度、振動及對材料的壓力等物理參數(shù)。
汽車版ScopeCorder
電氣移動性開發(fā)趨勢導致了電源逆變器日益廣泛的使用，而由于這些器件支持更高的頻率和更高的電壓，因此有了速度高達1億樣本/秒（100MS/s）的隔離式測量要求。這些采樣率以前是由示波器結合差分探頭實現(xiàn)的，可以讓工程師觀察以更高頻率出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓與電流。一個令人更感興趣的領域是傳動管理系統(tǒng)，它工作在諸如CAN網(wǎng)絡等汽車串行總線之上，可連續(xù)傳送發(fā)動機溫度、轉速和壓力值等發(fā)動機性能參數(shù)。而通過一次測量就能獲得傳動管理系統(tǒng)中的電氣信號、物理性能參數(shù)和數(shù)據(jù)具有相當大的挑戰(zhàn)性。為了減少整合這些眾多參數(shù)記錄所需的時間和工作量，日本橫河公司的DL850VScopeCorder汽車版儀器在單個便攜式封裝中融合了高速示波器的優(yōu)勢和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集記錄儀的優(yōu)勢。ScopeCorder可以捕獲和分析可能只持續(xù)幾個毫秒的瞬態(tài)事件，也能執(zhí)行長達30天的完整傳動系耐用性測試。
圖1：在DL850V上創(chuàng)建的單個測量文件，它整合了多種高壓與電流信號、物理參數(shù)測量結果及解碼后的CAN總線信號。
這臺最新汽車版本DL850VScopeCorder儀器具有通道隔離、信號調節(jié)和高通道數(shù)量的特點，還能提供CAN和LIN總線監(jiān)視功能，可以幫助用戶解碼CAN或LIN信號并監(jiān)視傳送的物理數(shù)據(jù)，如發(fā)動機溫度、車輪速度、加速度和壓力。然后將這些值與來自實際模擬傳感器的數(shù)據(jù)進行比較。通過將多種高壓與電流信號（以高達100MS/s采樣）與物理參數(shù)測量結果（如溫度、壓力或振動以及解碼出來的CAN總線信號）的有機組合，DL850V可以創(chuàng)建單個完整的測量文件，見圖1。與來自多臺測量儀器的測量文件必須經(jīng)過整合才能在PC上進行分析的其它方法相比，這種方法可以極大地減少分析整個系統(tǒng)所需的時間和工作量。
汽車應用中的電力電子
用于汽車應用的逆變器越來越多地采用速度更快、電壓更高的器件，這就要求具有更高采樣速率的隔離型高耐受電壓測量功能，并能夠在更長時間內同時測量更多數(shù)量的信號。像數(shù)字存儲示波器這種傳統(tǒng)的波形測量儀器在高壓逆變器測量方面能力非常有限，因為它們缺少單獨隔離的輸入、高壓隔離性能和12或16位高分辨率。其它波形測量解決方案通常要求外部（有源）信號調節(jié)電路才能實現(xiàn)高壓隔離。
DL850ScopeCorder則在其高壓測量模塊中使用了一種被稱為isoPRO的技術，無需外部有源信號調節(jié)設備就能提供100MS/s的采樣率、1kV的隔離性能和12位的分辨率。isoPRO技術采用了一種使用半導體激光二極管將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換為光信號的系統(tǒng)，轉換出來的光數(shù)據(jù)通過光纖傳送給儀器。由于半導體激光二極管的數(shù)據(jù)傳輸速率特別高，靠單個設備可以傳送大量數(shù)據(jù)，所以隔離區(qū)可以做得非常小。另外，因為光纖本身是絕緣的，沿光纖的信號傳輸距離足以提供合適的絕緣，因此即使在1kV高壓情況下也能保證信號輸入與主單元之間的絕緣距離。利用isoPRO技術可以在尺寸大約100×200mm的緊湊模塊中封裝兩個通道的100MS/s、1kV高耐受電壓隔離測量電路。
這種技術的另外一個好處是可以提供卓越的噪聲抑制。因為高壓逆變器的開關速度很快，因此噪聲很可能被引入測量路徑。然而在高壓隔離模塊中，卓越的噪聲抑制性能可以帶來良好的共模抑制比（CMMR），而且對IGBT等逆變器和設備來說常見的浮動電壓開關波形可以被精確捕獲，見圖2。
圖2：使用DL850ScopeCorder模塊測量的逆變器信號脈沖波形。左側是采樣率為100MS/s的測量結果，右邊是使用較老的10MS/s單元得到的測量結果。
機械/物理參數(shù)值
發(fā)動機試驗臺是一種用于開發(fā)、表征、測試發(fā)動機和仿真?zhèn)鲃酉档钠骶?。一個復雜的發(fā)動機測試臺包含多種傳感器（或變換器）、數(shù)據(jù)采集功能和致動器，可用來控制發(fā)動機狀態(tài)。DL850DscopeCorder有一個模塊化結構和眾多的輸入模塊來監(jiān)視機械性能與電氣信號。變換器將來自發(fā)動機的信號轉換為輸入模塊可以理解的形式——一般是電壓信號。例如，單位為每分鐘轉數(shù)的發(fā)動機速度用轉速計進行測量。這將產生一個電壓輸出或一個脈沖輸出信號，然后將這個信號發(fā)送到ScopeCorder進行脈沖輸出處理，并在顯示器后顯示實際的加速度圖形——甚至擴展繪制出機械/電氣相位差，見圖3。
圖3：用于計算旋轉角趨勢的旋轉編碼器信號。
通過使用溫度模塊可以使用熱電偶（通常是K型器件）。這些熱電偶價廉物美，具有足夠精度完成任務。每個輸入模塊最多可以有16個熱電偶連接儀器。為了監(jiān)視傳動系部件的振動，可以使用帶壓電傳感器的加速度模塊。
汽車串行總線
汽車內的CAN或LIN網(wǎng)絡連接著ECU（電子控制單元），網(wǎng)絡上傳送的是溫度、車輪轉速、加速度和壓力等眾多參數(shù)和控制信號。汽車串行總線和ECU單元一起組成了傳動系管理系統(tǒng)。這意味著在開發(fā)過程中，不僅能測量來自模擬傳感器的電氣與機械信號，還能測量在汽車串行總線上傳輸?shù)倪@些物理參數(shù)，它們也被稱為電氣與模擬傳感器輸出參數(shù)。DL850V汽車版儀器能夠解碼這些CAN和LIN總線消息，并在屏幕上同時顯示出模擬值以及電氣或機械信號。圖4給出了這樣一個例子。這個功能可以用來直接映射汽車串行總線上傳送的數(shù)據(jù)與電氣和機械值之間的關系，從而實時觀察系統(tǒng)的行為。DL850V支持CAN-dbc文件（由矢量小組開發(fā)）和LIN網(wǎng)絡定義文件，從而允許用戶方便地選擇感興趣的CAN和LIN消息。
圖4：DL850汽車版儀器能夠解碼這些CAN和LIN總線消息，并在屏幕上同時顯示出模擬值以及電氣或機械信號。
總結
DL850VScopeCorder提供了現(xiàn)代數(shù)字示波器的所有測量與分析工具，包括光標、波形參數(shù)計算、數(shù)學和DSP通道以及快速傅里葉變換。它還能作為多通道數(shù)據(jù)采集單元/記錄儀，在單臺設備中整合電氣、機械和汽車串行總線測量功能。在大多數(shù)情況下，用戶能夠立即分析數(shù)據(jù)并取得結果，無需離線的后處理步驟。
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