基于PXI總線的電驅變速箱齒軸耐久測試系統(tǒng)的開發(fā)

郁曉瑜

上海汽車集團股份有限公司技術中心

1 介紹

2008年上汽和上海市政府簽署研發(fā)軍令狀，啟動IP24項目研發(fā)面向批產(chǎn)的插電式油電混合動力車?；旌蟿恿偝傻难邪l(fā)國內(nèi)和國際都屬于前沿技術，對于關鍵部件的測試驗證無前人可以參照，但隨著混合動力汽車的產(chǎn)業(yè)化，其相應的測試技術也尤為重要。混合動力試驗技術的研究是一項非常重要和意義的技術工作。隨著混合動力的產(chǎn)業(yè)化進程，對電驅變速箱的要求也越來越高，其必須具備的高功率密度、高轉速、高效率、高可靠性的性能。

電驅變速箱齒軸耐久試驗是驗證電驅變速箱不會過早的因為內(nèi)部的齒軸失效而無法正常工作的試驗。因為項目緊迫，急需要迅速完成這個試驗?，F(xiàn)有的臺架只能完成手動的功能測試，不能進行自動化運行的工況。本文運用NI公司的PXI平臺和硬件模塊，進行信號的采集、控制和通訊，使用NI的圖形化編程軟件Labview進行測試順序的控制、數(shù)據(jù)的采集和用戶界面的編寫，配合并行測試方法，達成了靈活的自動化測試系統(tǒng)，快速完成項目上的目標。

2 試驗介紹

齒軸耐久試驗的目的是為了驗證電驅變速箱不會過早因為內(nèi)部的齒軸等零部件在各種工況下的失效導致功能損壞。

其試驗順序如圖1所示。試驗共分5個模塊（Block），代表試驗過程中的5大工況，分別為額定負載、最大扭矩、最大功率、能量回饋和最大轉速。每個模塊又分2步（Phase）或3步，分別是該工況下的1檔、2檔或倒檔測試。試驗共耗時13366分鐘，即約222小時。

按照試驗規(guī)范，采用5%的工況，即每次每步只運行總時間的5%，耗時668.44分鐘。若需要完成100%試驗，循環(huán)運行5%工況20次，即可完成整個試驗。

試驗標準同時要求整個過程必須安裝8個傳感器來確保電驅變速箱的安全運行。具體傳感器見表1。

圖1 試驗規(guī)范Fig.1 Test Specifications

表1 傳感器Table1 Sensor

3 臺架系統(tǒng)電氣架構設計

3.1 系統(tǒng)圖設計

根據(jù)齒軸的試驗標準，需要使用三測功機臺架來完成，驅動測功機通過皮帶機構連接到電驅變速箱，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動機。變速箱輸出通過法蘭和半軸連接到兩個輸出測功機。輸出測功機運行在轉速模式，同時驅動測功機、電驅變速箱的ISG電機和TM電機輸出扭矩。電池系統(tǒng)由AV900電子負載代替連接到PEB（Power Electric Box）上。如圖2所示。

原有常測變速箱臺架自帶的軟件能手動控制驅動測功機和輸出測功機，同時具有遠程控制的功能，開放了CAN通訊協(xié)議。因此，此測試系統(tǒng)通過臺架的CAN協(xié)議可以直接控制測功機，同時監(jiān)控測功機重要參數(shù)。另外此測試系統(tǒng)，可以運用CCP的通訊協(xié)議與混合動力控制器（HCU）通訊，控制和監(jiān)測控制器內(nèi)信號，使整個動力系統(tǒng)處在并聯(lián)模式，使電驅變速箱的ISG電機和TM電機輸出扭矩。

3.2 NI硬件選用

本課題所研究的測試系統(tǒng)需要2路高速CAN通訊，需要至少8路的高精度模擬量輸入采集通道。考慮到此測試系統(tǒng)需要一個強大的計算器進行大量數(shù)據(jù)采集和循環(huán)控制同步的精確性，因此選擇了PXI開發(fā)平臺，這是因為PXI不僅具有業(yè)內(nèi)最高的總線帶寬和最低的傳輸延遲，而且能在惡劣環(huán)境中運行，這對此測試系統(tǒng)安置在臺架如此高噪音、高振動和高電磁輻射的環(huán)境很有利。為了適應本系統(tǒng)進一步升級和后續(xù)模塊的嵌入，選擇了高性能的8槽機箱。（PXI－1042）控制器則采用內(nèi)嵌雙核2.53 GHZ的PXI－8108以滿足測試循環(huán)的順暢執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集的實時性。PXI－6229M系列16位數(shù)據(jù)采集板卡作為外圍模塊提供多達32路具有250KS/s傳輸速率的通道，足以滿足此試驗傳感器要求。PXI－8013/2作為雙端口軟件可選控制器局域網(wǎng)絡（CAN）PXI接口，其支持的NI－XNET軟件可選式接口能夠最靈活地進行CAN開發(fā)，其板載收發(fā)器還很適合高速、低速/容錯和單線CAN，足以滿足2路高速CAN的通訊要求。

圖2 系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram

4 程序架構設計

4.1 狀態(tài)機程序架構

按照試驗規(guī)范，采用5%的工況，即每次每步只運行總時間的5%，若要完成100%試驗，循環(huán)運行5%工況20次，即可完成整個試驗。可見此循環(huán)順序無法單純的用順序結構來實現(xiàn)，循環(huán)中有多個模塊，模塊中又有多個步驟，且用戶會通過手動輸入需要運行的工況，因此可以考慮采用狀態(tài)機的程序架構。

狀態(tài)機是在工程應用中使用最多的設計模型。使用狀態(tài)機，我們可以很容易的實現(xiàn)程序流程圖中的判斷、分支。

狀態(tài)機具有4個要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動作和次態(tài)?，F(xiàn)態(tài)是指當前所處的條件；條件又稱事件，當一個條件被滿足，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)遷移；動作是條件滿足所執(zhí)行的動作，動作執(zhí)行完后可以遷移到新的狀態(tài)，也可以仍舊保持原狀態(tài)。動作是不必需的，當條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動作，直接遷移到新的狀態(tài)；次態(tài)為條件滿足后要遷往的新狀態(tài)，

此測試系統(tǒng)的狀態(tài)機有初始化、模塊1、模塊2、模塊3、模塊4、模塊5組成，初始狀態(tài)為INIT，對各種空間和變量進行初始化，完成后自動進入模塊，根據(jù)界面設置來選擇進入任何一個模塊和步驟。因此最外面是FOR循環(huán)20次，里面是模塊選擇結構，最里面是步驟選擇結構，通過枚舉變量來完成結構和結構的連接，即狀態(tài)和狀態(tài)間跳轉。見下面圖3和圖4所示。

4.2 CCP CAN通訊介紹

ASAP作為一個國際標準從兩個方面對匹配標定系統(tǒng)作了規(guī)范：匹配標定系統(tǒng)是怎么樣的；怎樣建立匹配標定系統(tǒng)。ASAP工作組為了實現(xiàn)對應用系統(tǒng)進行測量、標定和診斷，定義了名為MCD的模型，圍繞這個模型建立了3個標準，即ASAP1、ASAP2和ASAP3。（見圖5）ASAP1a作為一個可應用于不同平臺的協(xié)議在ASAP標準之中具有相對的獨立性。XCP是一系列基于不同通訊平臺的測量標定協(xié)議的總稱。CCP協(xié)議是“XCP on CAN”協(xié)議的具體應用。CCP由28個基本命令組成，一次標定過程是由一組按規(guī)定順序發(fā)送的基本命令組成。CCP的基本操作模式是由主機發(fā)出所有命令，從機根據(jù)主機的指示完成相應操作。

在軟件環(huán)境下，按照命令的定義編寫一系列的函數(shù)，并編譯成動態(tài)鏈接庫。然后在狀態(tài)機的軟件中可以按照CCP（ASAP1b）或者ASAP3標準中給出的實現(xiàn)常用功能所需的流程，順序調用響應命令來實現(xiàn)快速與ECU等控制器的通訊。

圖3 初始化軟件框圖Fig.3 Initialization software block diagram

圖4 主程序軟件框圖Fig.4 Main program software block diagram

CCP報文使用CAN數(shù)據(jù)幀8個字節(jié)的數(shù)據(jù)場，占用兩個CAN報文ID標志符（CRO，DTO）。

圖5 ASAPFig.5 ASAP

CRO：（Command Receive Object）上位機發(fā)給ECU的命令報文。

DTO：（Data Transmission Object）ECU發(fā)送到上位機的報文。

CRO和DRO報文結構：

CRO：

byte0 1 2 3 4 5 6 7 CMD CTR參數(shù)區(qū)parameter area

CRM，Event Message：

byte0 1 2 3 4 5 6 7 PID ERR CTR數(shù)據(jù)區(qū)data area

DAQ－DTO：

byte0 1 2 3 4 5 6 7 PID數(shù)據(jù)區(qū)data area

CMD是命令代碼，CCP規(guī)定了28個命令，實現(xiàn)各種不同的功能；CTR是命令計數(shù)位，用以確定返回報文的是哪條命令的執(zhí)行結果；PID是標示DTO的類型；ERR是錯誤代碼。

表2為CCP協(xié)議命令介紹：

CCP獲取數(shù)據(jù)的方式，常用的模式為Polling模式即查詢模式，由上位機向ECU發(fā)送SET＿MTA命令設置系統(tǒng)操作的內(nèi)存地址，上位機每發(fā)送一次UPLOAD命令，ECU就返回一個對應區(qū)域和長度的數(shù)據(jù)至上位機。見圖6。

圖6 Polling模式Fig.6 Polling mode

表2 CCP協(xié)議命令Table2 CCP agreement command

根據(jù)CCP通訊協(xié)議，定出測試系統(tǒng)的CCP控制指令（見圖7）和監(jiān)測指令（見圖8）。

4.3 臺架遠程通訊協(xié)議制定

在臺架設計初期必須考慮到外部開放接口，制定好遠程控制協(xié)議對后續(xù)集成工作具有重要作用。地址選定要避免與通用汽車DBC定義相同，盡量實現(xiàn)集中控制。實現(xiàn)對臺架測功機的模式、轉速、扭矩等的控制。

地址1 address 1：

?

地址2 address 2：

Data1 Data2 Data3 Data4 Data5 Data6 Data7 Data8驅動電機轉速load motor speed驅動電機扭矩load motor torque驅動電機功率load motor power車速vehicle speed油門開度throttle opening負載電機1轉速load motor 1speed負載電機1扭矩load motor 1torque負載電機1功率load motor 1power

地址3 address 3：

Data1 Data2 Data3 Data4負載電機2轉速load motor 2speed負載電機2扭矩load motor 2torque負載電機2功率load motor 2power驅動電機狀態(tài)drive motor condition Data5 Data6 Data7 Data8負載電機1狀態(tài)load motor 1condition負載電機2狀態(tài)load motor 2condition溫控系統(tǒng)溫度temperature system control臺架故障bench failure

圖7 CCP控制指令Fig.7 CCP control command

圖8 CCP監(jiān)測指令Fig.8 CCP monitoring command

5 模擬實車信號

由于臺架使用的是真實的混合動力控制器（HCU）和電力電子箱（PEB），因此實車的一些信號必須模擬才能使整個系統(tǒng)正常工作。模擬電池管理系統(tǒng)（BMS）給HCU和PEB發(fā)送信號；模擬ABS系統(tǒng)給HCU發(fā)送實時車速信號，才能使HCU進入并聯(lián)模式。

6 軟件及用戶界面

圖9為主控制界面，左面為設置界面，用戶可以任意選擇需要運行的工況，也可以將某步驟Disable，可以任意設置每步驟需要運行的時間。左下方為系統(tǒng)信息顯示欄，可以顯示每步運行的狀態(tài)，是否有報錯。右面為監(jiān)控界面，實時監(jiān)控CAN上的主要參數(shù)和信息，右下方為急停、故障復位、停車、系統(tǒng)上電、系統(tǒng)下電按鈕和進度條顯示。

圖10為輔助監(jiān)控界面，主要采集8路傳感器參數(shù)并實時顯示，同時監(jiān)控CAN上的變量，同時選擇參數(shù)作為三級報警，增加了系統(tǒng)的安全性，保護了被試件的安全。

圖9 主控制界面Fig.9 Main control interface

圖10 監(jiān)控界面Fig.10 Monitoring interface

7 總結與展望

利用NI公司的虛擬儀器Labview2010和PXI平臺以及采用CCP協(xié)議，在較短時間內(nèi)開發(fā)完成了一套電驅變速箱齒軸耐久的試驗系統(tǒng)，比采用其他傳統(tǒng)軟件開發(fā)平臺縮短了至少1倍以上的開發(fā)時間，該平臺的成功開發(fā)，使得混合動力電驅變速箱在不作任何軟件更改上完成了齒軸耐久試驗，試驗結果迅速能為設計工程師作為圖紙鎖定和方案修改的參考。因而，在實際測試系統(tǒng)開發(fā)過程中，必須節(jié)約成本和縮短開發(fā)時間，同時降低事故發(fā)生的概率。

［1］ 陳樹學，劉萱等.LabView寶典［M］.電子工業(yè)出版社，2010.

［2］ 伍少初，曹建國.汽車可靠性數(shù)據(jù)的采集設計與應用［J］.第11卷第4期.

［3］ 豈興明，周建興等.LABVIEW8.2中文版入門與典型實例［M］.人民郵電出版社，2008.

［4］ 阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗［M］.2009.

［5］ 林靜.LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通［M］.人民郵電出版社，2010.

［6］ 楊高科.LabVIEW虛擬儀器項目開發(fā)與管理［M］.機械工業(yè)出版社，2010.

［7］ 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.2007.

［8］ 陳振輝.基于CCP協(xié)議的混合動力車VCU標定系統(tǒng)開發(fā)［J］.微計算機信息，2007.