汽車動力傳動機引擎及機械/實體參數(shù)測試

汽車的動力傳動機制本質(zhì)上是一種為汽車提供動力的引擎(傳統(tǒng)內(nèi)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)。傳動系統(tǒng)的電氣化正逐漸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(qū)動力、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。

此外，目前關鍵的技術驅(qū)動力主要集中于提高操控性能與耐用性，以及一些新的實用技術，如因應再生煞車而催生的逆變器技術，可用于為電動馬達供電或為電池充電。

在動力傳動任何部份的開發(fā)過程中，與機械性能相關的各種電氣信號和實體參數(shù)都需要進行測量，才能實現(xiàn)完整的測試過程。電氣信號來自于鏈接高壓電池和逆變器的電力電路，而實體參數(shù)則發(fā)生在電氣到機械的轉(zhuǎn)換過程中。為了透徹理解整個系統(tǒng)性能，必須對電磁電力轉(zhuǎn)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)絡上作業(yè)的動力傳動管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)。此外，這些測試必須同時進行，以便達到整體優(yōu)化的解決方案，而不只是單獨優(yōu)化某個組件。

傳統(tǒng)的做法是使用采樣率最高為10，000樣本/秒的數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)測量汽車中的電氣和實體參數(shù)。這種系統(tǒng)通常提供很多信道，讓用戶將多個傳感器輸出和隔離型輸入通道結(jié)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、振動與對材料的壓力等實體參數(shù)。

汽車版ScopeCorder

電氣行動性的開發(fā)趨勢導致電源逆變器日益廣泛使用，加上這些組件支持更高的頻率和更高的電壓，因而目前已經(jīng)出現(xiàn)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(jié)合差分探棒實現(xiàn)的，可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動力傳動管理系統(tǒng)，它工作在諸如CAN網(wǎng)絡等汽車串行總線之上，可連續(xù)傳送引擎溫度、轉(zhuǎn)速和壓力值等引擎性能參數(shù)。而要在一次測量作業(yè)中取得傳動管理系統(tǒng)中的電氣信號、實體性能參數(shù)和數(shù)據(jù)，將會帶來相當大的挑戰(zhàn)。

為了減少整合這些眾多參數(shù)記錄所需的時間和工作量，橫河電機公司開發(fā)出DL850V ScopeCorder Vehicle Edition儀器，在單一可攜式封裝中結(jié)合了高速示與以及傳統(tǒng)數(shù)據(jù)擷取記錄儀的優(yōu)點。ScopeCorder可以擷取和分析可能只持續(xù)幾毫秒的瞬態(tài)事件，也能執(zhí)行長達30天的完整動力傳動系統(tǒng)耐用性測試。

最新汽車版DL850V ScopeCorder儀器具有信道隔離、信號調(diào)節(jié)和高信道數(shù)的特點，還結(jié)合了CAN和LIN總線監(jiān)視功能，可協(xié)助用戶譯碼CAN或LIN信號并監(jiān)測所傳送的實體數(shù)據(jù)，如引擎溫度、車輪速度、加速度與壓力。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。通過結(jié)合多種高壓與電流信號(以高達100MS/s采樣)與實體參數(shù)測量結(jié)果(如溫度、壓力或振動以及經(jīng)譯碼的CAN總線信號)，DL850V可創(chuàng)建單個完整的測量文件，如圖1。相較于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，這種方法可大幅減少分析整個系統(tǒng)所需的時間和工作量。

圖1：在DL850V上創(chuàng)建的單個測量文件，整合了多種高壓與電流信號、實體參數(shù)測量結(jié)果以及經(jīng)譯碼的CAN總線信號。

汽車應用中的電力電子

在汽車應用中的逆變器越來越多地采用速度更快、電壓更高的組件，這就需要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(nèi)同時測量更多數(shù)量的信號。像數(shù)字儲存示波器這種傳統(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?nèi)鄙賳为毟綦x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需要具有外部(主動)信號調(diào)節(jié)電路才能實現(xiàn)高壓隔離。

另一方面，DL850 ScopeCorder在其高壓測量模塊中使用一種被稱為isoPRO的技術，無需外部主動信號調(diào)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技術采用了一種以半導體雷射二極管將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換后的光數(shù)據(jù)通過光纖傳送至儀器。由于半導體雷射二極管的數(shù)據(jù)傳輸速率特別高，通過單一設備即可傳送大量數(shù)據(jù)，所以隔離區(qū)可以做得非常小。

另外，由于光纖本身是絕緣的，沿著光纖的信號傳輸距離足以提供適當?shù)慕^緣作用，因此即使在1kV高壓情況下也能確保信號輸入與主單元之間的絕緣距離。利用isoPRO技術可在尺寸約100×200mm的精巧模塊中封裝具100MS/s、1kV高耐受電壓隔離測量電路的兩個信道。

這種技術的另外一個好處是可提供優(yōu)質(zhì)的噪聲抑制。因為高壓逆變器的開關速度很快，因此噪聲可被導入測量路徑。然而在高壓隔離模塊中，優(yōu)質(zhì)的噪聲抑制性能可以帶來良好的共模抑制比(CMMR)，而且對于IGBT等逆變器和設備來說，通常能高精確地擷取到常見的浮動電壓開關波形，見圖2。

圖2：使用DL850 ScopeCorder模塊測量的逆變器信號脈沖波形。左側(cè)是采樣率為100MS/s的測量結(jié)果，右邊是使用較早的10MS/s單元測得的結(jié)果。

機械/實體參數(shù)值

引擎測試臺是一種用于開發(fā)、表征、測試引擎與仿真動力傳動系統(tǒng)的設施。一個復雜的引擎測試臺包含多種傳感器(或變換器)、數(shù)據(jù)擷取功能和致動器，可用來控制引擎狀態(tài)。DL850 DscopeCorder有一個模塊化的結(jié)構(gòu)以及眾多的輸入模塊來監(jiān)測機械性能與電氣信號。變換器將來自引擎的信號轉(zhuǎn)換為輸入模塊可以理解的形式──一般是電壓信號。例如，采用一款轉(zhuǎn)速計測量單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的引擎速度。這將產(chǎn)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(zhuǎn)角度趨勢的旋轉(zhuǎn)編碼器信號。

通過使用溫度模塊，就可以加以利用熱電耦(通常是K型組件)。這些熱電耦價廉物美，具有足夠精確度來完成任務。每個輸入模塊最多有16個熱電耦連接至儀器。為了監(jiān)測動力傳動系統(tǒng)組件的振動，可以使用帶壓電傳感器的加速度模塊。

圖4：DL850V Vehicle Edition能夠譯碼CAN和LIN總線信息，并在屏幕上同時顯示模擬值以及電氣或機械信號

汽車串行總線

汽車內(nèi)的CAN或LIN網(wǎng)絡連接至電子控制單元(ECU)，通過網(wǎng)絡傳送溫度、車輪轉(zhuǎn)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單元共同組成了動力傳動管理系統(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)膶嶓w參數(shù)，作為電氣與模擬傳感器輸出參數(shù)的參考。DL850V Vehicle Edition即能解a這些CAN和LIN總線信息，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。這個功能可用于直接映像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，從而可實時觀察系統(tǒng)的行為。DL850V支持CAN-dbc文件(由Vector Group開發(fā))和LIN網(wǎng)絡定義文件，從而允許用戶便于選擇感興趣的CAN和LIN信息。

本文小結(jié)

DL850V ScopeCorder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，以及快速傅利葉變換。它還能作為多信道數(shù)據(jù)擷取單元/記錄儀，在單一設備中整合電氣、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(jié)果，而無需脫機的后處理步驟。