操作者框架在車輛傳動系旋轉(zhuǎn)耐久試驗中的研究與應(yīng)用

蘇全在，胡世廣

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300000；2.中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300000）

汽車驅(qū)動橋在汽車行駛過程中承受復(fù)雜的載荷，它既要傳遞系統(tǒng)中的扭矩，又要支撐汽車的荷重。驅(qū)動橋必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和壽命。因而驅(qū)動橋總成及其零部件必須經(jīng)受嚴(yán)格的試驗[1]。研究一種性能好、高精度的汽車傳動系耐久試驗臺非常有必要。

1 試驗臺的構(gòu)成

傳動系旋轉(zhuǎn)耐久試驗臺主要由驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動端變速箱、驅(qū)動端試件扭矩傳感器、驅(qū)動端試件轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動端軸承測溫傳感器、負(fù)載1驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載1端變速箱、負(fù)載1端試件扭矩傳感器、負(fù)載1端試件轉(zhuǎn)速傳感器、負(fù)載1端軸承測溫傳感器、負(fù)載2驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載2端變速箱、負(fù)載2端試件扭矩傳感器、負(fù)載2端試件轉(zhuǎn)速傳感器、負(fù)載2端軸承測溫傳感器、驅(qū)動端變速箱油溫控制、負(fù)載1變速箱油溫控制、負(fù)載2變速箱油溫控制、試件油溫控制、電氣傳動系統(tǒng)、自動化及采集控制系統(tǒng)等構(gòu)成。試驗臺結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 傳動系旋轉(zhuǎn)耐久試驗臺結(jié)構(gòu)框

2 操作者框架

整個試驗臺的控制集中在上位機(jī)，并使用高級語言編制控制程序。上位機(jī)軟件完成驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載1電機(jī)、負(fù)載2電機(jī)、4個潤滑系統(tǒng)的溫控、以及其他設(shè)備的控制，同時還要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖形界面顯示。驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載1電機(jī)、負(fù)載2電機(jī)均可以工作在速度模式、轉(zhuǎn)矩開環(huán)模式和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模式，每個電機(jī)根據(jù)具體試驗的要求分別工作在相應(yīng)的工作模式下以相互匹配。例如在旋轉(zhuǎn)耐久試驗中，驅(qū)動電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速模式，負(fù)載1電機(jī)和負(fù)載2電機(jī)同時工作在轉(zhuǎn)矩開環(huán)模式或者轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模式；但在差速試驗中正好相反，驅(qū)動電機(jī)工作工作在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)或者轉(zhuǎn)矩開環(huán)模式，而負(fù)載1電機(jī)和負(fù)載2電機(jī)均工作在轉(zhuǎn)速模式。試驗臺有的試驗需要同時使用4個電機(jī)，但還有一些試驗只使用2臺電機(jī)，控制模式較多。4個潤滑站的功能基本相同，均可以完成溫度設(shè)定和溫度實時檢測。

根據(jù)車橋種類的不同，這種旋轉(zhuǎn)耐久試驗臺還會出現(xiàn)4電機(jī)，6電機(jī)等相似結(jié)構(gòu)和功能的試驗臺，同時他們的潤滑溫控系統(tǒng)也會相應(yīng)增加。設(shè)計上位機(jī)控制軟件時不但要滿足4電機(jī)配置試驗臺，還應(yīng)為該軟件擴(kuò)展成4電機(jī)，6電機(jī)等試驗臺做好準(zhǔn)備。

以往的工控機(jī)配置的基本都是單核心CPU，為了提高計算機(jī)系統(tǒng)的性能，可以提高CPU的主頻和帶寬，這樣會產(chǎn)生各種實際很難處理的問題，比如溫度飆升等。單核CPU性能達(dá)到一定程度后，計算速度難以提升。不過現(xiàn)在的工控機(jī)基本都配有多核心CPU。線程是CPU處理實際業(yè)務(wù)的實體，就是說一個CPU在同一時刻只能執(zhí)行一個線程，需要執(zhí)行其他線程就必須要把當(dāng)前的線程“掛”起來，再去執(zhí)行。要加強(qiáng)程序的計算能力，就需要多創(chuàng)建幾個線程把每個實際的物理CPU都利用起來。舉個簡單的例子，我們有一個8核心的CPU，以查詢字典的方式破解密碼，可創(chuàng)建8個線程，把字典拆成8份，每一個線程運(yùn)算一份，并行計算。這樣比單核心CPU要快得多。為了提高程序運(yùn)行速度，不但要提高CPU核心數(shù)量和單核CPU性能，而且應(yīng)用軟件也必須根據(jù)多核CPU特性進(jìn)行多線程設(shè)計。以往的文本高級編程語言有的不支持多線程編程，有的雖然支持多線程編程，但開發(fā)環(huán)境并不友好，對于測試工程師開發(fā)難度過大。尋找一種適合測試工程師使用，同時又具有高性能、易擴(kuò)展、友好的支持多線程編程的編程軟件非常有意義。

Labview是美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件，允許用圖形方式編程，拋棄了晦澀難懂的文本代碼，使得計算機(jī)編程不再是少數(shù)人的專利。Labview是由測試工程師開發(fā)的專用編程語言，主要用于測試測量領(lǐng)域。在Labview編程環(huán)境下，使用不同的專用工具包可以覆蓋工業(yè)自動化、測量測試、嵌入式應(yīng)用、運(yùn)動控制、圖像處理、計算機(jī)仿真、FPGA等各種不同的領(lǐng)域[2]。

操作者框架是Labview特有的編程結(jié)構(gòu)，它面向?qū)ο?，面向多線程，可使擴(kuò)展性和重復(fù)使用得以解決。在拓展功能或者添加其他處理需要復(fù)制很多代碼時，操作者框架可以很好地解決這類問題。操作者框架完全基于多線程，可以充分有效利用多核CPU系統(tǒng)的性能。

操作者是Labview類表示某個任務(wù)的狀態(tài)。所有操作者類都從Labview的操作者類繼承。該類主要由3個部分構(gòu)成。

（1）操作者的核心程序命名為操作者核心，專門用來定義操作者的連續(xù)行為，它定義了操作者的消息處理。該類的子孫類重寫該方法用來顯示操作者的用戶界面、添加并行循環(huán)以及啟動嵌套操作者。操作者核心程序作用相當(dāng)于一個隊列消息處理器。該程序接收并響應(yīng)系統(tǒng)中其他操作者發(fā)送給它的消息和數(shù)據(jù)。因為操作者是Labview類，所以比傳統(tǒng)的隊列消息處理器更容易重復(fù)使用和擴(kuò)展。（2）操作者的特定方法的程序是Labview類的成員，用來定義操作者。通常每個方法對應(yīng)操作者可以執(zhí)行的一個任務(wù)。祖先類包含專門設(shè)計用于被子孫類重寫的方法。對于響應(yīng)消息而發(fā)生的行為，應(yīng)首先創(chuàng)建操作者方法，然后創(chuàng)建觸發(fā)方法的消息。（3）操作者的消息是一個Labview類，定義了操作者可以接收的指令和能夠作出響應(yīng)的方式。其他操作者將該消息發(fā)送到一個操作者，以便讓操作者調(diào)用其中的某個方法。使用操作者框創(chuàng)建應(yīng)用程序時，一般需要為操作者的所有方法分別定義一個消息。全部消息都從Labview中消息類繼承。盡管消息本身不是操作者的一部分，但用戶一般在定義操作者同時定義了操作者的消息。因為這種緊密的聯(lián)系，操作者框架模板將操作者和消息放在同一個項目庫中。通常情況下特定操作者只可把消息發(fā)送到調(diào)用方操作者或者嵌套操作者。消息是通過隊列發(fā)送的，每個操作者可以訪問操作者用來將消息發(fā)送至調(diào)用方的隊列和操作者用來將消息發(fā)送至自身的隊列。為了防止其他操作者釋放其消息隊列，操作者框架引入了待入消息隊列，它是一個引用，只能使操作者發(fā)送消息到隊列，但不能執(zhí)行任何其他操作。

操作者框架通常包括多個彼此獨立而又需要相互通信的任務(wù)。操作者之間的通信線路構(gòu)為樹狀結(jié)構(gòu)。通常在操作者框架的應(yīng)用程序中，一個子程序啟動一個根操作者。該操作者調(diào)用一個或多個嵌套操作者。每個嵌套的操作者可能會啟動屬于它自己的嵌套操作者，依次類推。調(diào)用方至操作者的關(guān)系和操作者層次樹是操作者框架應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。為減少出錯并提高應(yīng)用程序的可靠性，操作者框架限制了能夠互相發(fā)送消息的操作者。一般情況下，一個操作者只能和它的調(diào)用方，或者屬于它自己的嵌套操作者通信。這樣只有一個通信路徑需要管理，很容易寫入代碼，并且可以確保在退出之前保證其他的操作者可以接收到消息，并作出響應(yīng)。雖然盡量避免在操作者層次樹中建立任何直接通信，但特殊情況下，在層次樹中跨越節(jié)點而直接通信可提高性能。

3 應(yīng)用

使用操作者框架可將通用功能封裝到一個通用操作者中。通用操作者是一個Labview類，本身無法創(chuàng)建實例，無法進(jìn)行控制測量；但是通用操作者的成員可以從總體上定義需要哪些步驟，每個步驟都和一個成員子程序相關(guān)聯(lián)。

因為通用操作者是一個類，因此可創(chuàng)建從通用操作者繼承通用操作者功能的子操作者。子操作者獲得父操作者全部功能，同時還會添加子操作者所需的特殊功能，這樣子操作者就可以完成連續(xù)測量控制和顯示結(jié)果等功能。這種方法將通用功能封裝到通用操作者，從而最大化代碼的重復(fù)使用性。

在旋轉(zhuǎn)試驗臺中，主要被控對象有電機(jī)、潤滑站、各種測量設(shè)備。本旋轉(zhuǎn)試驗臺中電機(jī)可以作為通用操作者，具有速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、報警功能等。試驗臺中3臺電機(jī)分別是驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載1電機(jī)、負(fù)載2電機(jī)，3臺電機(jī)可分別繼承電機(jī)通用操作者從而完成除通用功能外的一些特殊功能。對于潤滑站有的潤滑站帶加熱功能，有的沒有該功能，可以建立潤滑站通用操作者，完成油站起停、溫度控制、流量控制等。4個潤滑站可分別建立4個操作者，每個操作者均繼承自潤滑站通用操作者來完成除通用功能外的其他功能?？梢钥吹?，不管是增加、刪除、改變新的類似設(shè)備，都可以利用通用操作者，讓代碼重復(fù)利用率大幅提高。

4 結(jié)語

該上位機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行數(shù)月，可以完全滿足車輛傳動系耐久試驗系統(tǒng)要求。該上位機(jī)軟件可以很容易地擴(kuò)展成四電機(jī)或者更多電機(jī)的類似試驗臺的上位機(jī)控制軟件。