拖拉機(jī)電性能虛擬綜合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張小龍 井 梅 劉鵬飛 姚 強(qiáng)

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心， 合肥 230601)

拖拉機(jī)電性能虛擬綜合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張小龍1井 梅1劉鵬飛1姚 強(qiáng)2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心， 合肥 230601)

基于虛擬儀器構(gòu)建了拖拉機(jī)電性能綜合測試系統(tǒng)，以滿足整車條件下拖拉機(jī)電器功耗、電器部件匹配選型等研究測試需要。首先在分析拖拉機(jī)電性能測試要求的基礎(chǔ)上，對硬件進(jìn)行選型。然后設(shè)計(jì)了以美國NI cRIO控制器為核心的測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池和發(fā)電機(jī)端電壓和電流、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、溫度等信號同步采集。給出了測試系統(tǒng)的虛擬軟件設(shè)計(jì)方案，包括在數(shù)據(jù)采集器中運(yùn)行的FPGA軟件和實(shí)時軟件，以及在上位機(jī)中的數(shù)據(jù)采集與分析軟件等。最后進(jìn)行了電流精度對比試驗(yàn)和拖拉機(jī)電性能場地實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)電流采樣精度和工作可靠性。

拖拉機(jī)； 電性能； 測試系統(tǒng)； 虛擬儀器； 試驗(yàn)

引言

為滿足保護(hù)性耕作、田間聯(lián)合作業(yè)等迫切需求，當(dāng)前拖拉機(jī)的作業(yè)功率、作業(yè)速度等都有明顯提升[1]，其經(jīng)濟(jì)性問題也越來越突出。采用導(dǎo)航技術(shù)對拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)規(guī)劃以提高整機(jī)作業(yè)效率[2-3]，對發(fā)動機(jī)采用增壓和中冷技術(shù)[4]、高壓共軌技術(shù)[5]等提高熱效率，優(yōu)化傳動系統(tǒng)、采用液壓機(jī)械無級變速技術(shù)等以提高傳動效率等[6-8]，都是提高拖拉機(jī)經(jīng)濟(jì)性的有效手段。對拖拉機(jī)經(jīng)濟(jì)性測試最直接有效的手段是構(gòu)建綜合測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)和燃油消耗的測試與分析[9]。

當(dāng)前拖拉機(jī)試驗(yàn)技術(shù)已向虛擬儀器和虛擬試驗(yàn)方向發(fā)展[10]，如基于虛擬儀器的拖拉機(jī)牽引性、制動性、輸出扭矩、車速等測試[11-13]，但對拖拉機(jī)電器功耗測試研究相對缺乏。電器負(fù)載消耗的電能是由發(fā)電機(jī)將發(fā)動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的。從提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，希望發(fā)電機(jī)工作在發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，且在蓄電池電量充足時不發(fā)電，也就是在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷狀態(tài)時盡可能不增加發(fā)動機(jī)發(fā)電負(fù)載，這樣存在發(fā)電機(jī)選型或智能發(fā)電機(jī)匹配問題[14]。其它電器件，如空調(diào)、大燈、喇叭等也是如此，需要構(gòu)建一套能夠同時測試與分析發(fā)電機(jī)、蓄電池等電器部件端的電壓電流綜合測試系統(tǒng)。

本文針對拖拉機(jī)電性能實(shí)時測試研究需要，基于cRIO虛擬儀器構(gòu)建綜合測試系統(tǒng)，完成拖拉機(jī)發(fā)電機(jī)和蓄電池端電壓和電流，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、溫度等信號同步采集與分析，為拖拉機(jī)電性能綜合評估、電器部件選型優(yōu)化分析等提供有效手段。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

綜合考慮系統(tǒng)功能和可靠性要求，構(gòu)建的測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和便攜式計(jì)算機(jī)3部分，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)蓄電池和發(fā)電機(jī)端電壓、電流，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、溫度等信息的實(shí)時同步采集、數(shù)據(jù)記錄和分析。

考慮到拖拉機(jī)工作車身振動強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣，車載數(shù)據(jù)采集器選用美國NI公司的嵌入式實(shí)時控制器cRIO 9033及其對應(yīng)C模塊[15]，均為工業(yè)級可靠性，工作溫度-40～70℃?？刂破髦刑峁〧PGA硬件，通過編程可使得系統(tǒng)工作實(shí)時性和可靠性更高。

1.2 主要信號采集

1.2.1 電流信號采集

電流的快速、可靠采集是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)選用日本日置電機(jī)株式會社(HIOKI)的CT686X系列鉗式電流傳感器[16]，體積小巧，非接觸感應(yīng)式測量，現(xiàn)場安裝方便。不同型號測量量程從20 A到1 000 A不等，直流信號帶寬可達(dá)1 MHz(量程越大，帶寬越低)。測試振幅精度0.03%rdg(讀數(shù)精度)±0.01% FS，相位精度0.1°，滿足車載測試需要。在數(shù)據(jù)采集箱體內(nèi)設(shè)計(jì)了精密電源為電流傳感器提供±12 V±0.05%電壓源。不同量程的電流傳感器其輸出電壓量程均為±2 V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流通道可應(yīng)用于不同電流鉗的接入使用。系統(tǒng)選用字長16位的NI 9205模擬輸入模塊對相應(yīng)電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換[17]，轉(zhuǎn)換頻率在cRIO內(nèi)為1 kHz，數(shù)據(jù)保存頻率根據(jù)用戶要求選定。

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware scheme of test system

1.2.2 其它信號采集

系統(tǒng)選用4通道、24位字長、±60 V量程、同步AD采樣的NI 9229模塊實(shí)現(xiàn)對蓄電池和發(fā)電機(jī)端等測點(diǎn)電壓測試[18]。

考慮到環(huán)境溫度對蓄電池充放電特性的影響，系統(tǒng)中增加了基于熱電偶的溫度測試通道，對應(yīng)采樣模塊是NI 9214，其帶有溫度冷端補(bǔ)償模塊，支持K、J、T等多種熱電偶傳感器。在儀器面板上設(shè)計(jì)有快插接頭，現(xiàn)場安裝測試快速方便。

主要電器部件，如發(fā)電機(jī)、空調(diào)等由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，其工作特性與其自身轉(zhuǎn)速(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速)相關(guān)。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車速采集通道，主要通過發(fā)動機(jī)故障診斷接口(OBD II)輸出信號進(jìn)行采集和解析[19]。通過軟件編程，也可實(shí)現(xiàn)其它輸出參數(shù)的解析[9]。如果發(fā)動機(jī)帶有CAN輸出功能就將該信號引入到數(shù)據(jù)采集器的CAN模塊 NI 9853進(jìn)行編程解析，如果僅有K線輸出功能，系統(tǒng)將其引入K線模塊(如ELM327)，再通過控制器串口對其進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和解析。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試軟件基于美國NI LabVIEW開發(fā)，包括運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集器中的FPGA軟件和實(shí)時RT軟件，以及運(yùn)行在上位機(jī)中的數(shù)據(jù)采集與分析軟件。

2.1 FPGA和實(shí)時軟件架構(gòu)

實(shí)時控制器cRIO 9033中包括1.33 GHz雙核Intel Atom處理器、Xilinx Kintex-7 160T FPGA[15]，可實(shí)現(xiàn)高速控制、在線處理、自定義定時和觸發(fā)，控制器需要通過FPGA訪問C模塊。系統(tǒng)基于FPGA實(shí)現(xiàn)電壓和電流、溫度、指定發(fā)動機(jī)OBD CAN信息等3組信號的同步采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理，并分別送入對應(yīng)FIFO供控制器讀取。

控制器中運(yùn)行NI Linux 實(shí)時系統(tǒng)，主要工作包括硬件(包括C模塊)初始化、通過串口對K線信息讀取、對FPGA送上來的FIFO信息實(shí)時讀取與處理、所有測試數(shù)據(jù)的同步打包、采樣數(shù)據(jù)的UDP上傳至上位機(jī)、通過UDP實(shí)時接收上位機(jī)的設(shè)置更改等。各項(xiàng)工作通過獨(dú)立的多線程while循環(huán)進(jìn)行，各循環(huán)間通過功能性全局變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與共享[20]。

2.2 基于狀態(tài)機(jī)架構(gòu)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要功能包括系統(tǒng)初始化，傳感器設(shè)置與初始偏置標(biāo)定，與下位機(jī)UDP通信，采樣數(shù)據(jù)的解析、處理、顯示與保存，試驗(yàn)設(shè)置與試驗(yàn)報(bào)告自動生成等。其中人機(jī)交互部分采用狀態(tài)機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)可靠實(shí)時運(yùn)行。軟件中采用多線程技術(shù)，有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

圖2為上位機(jī)軟件界面示例，界面簡潔，通過菜單欄和快捷鍵方式進(jìn)行人機(jī)交互操作，試驗(yàn)過程控制簡便。

圖2 上位機(jī)軟件界面Fig.2 Interfaces of PC software

3 電流測試精度對比試驗(yàn)

搭建如圖3所示的試驗(yàn)系統(tǒng)對本文設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)電性能測試系統(tǒng)的電流測試精度進(jìn)行對比測試。

選用固緯數(shù)字電源GPD-3303S作為恒流源，采用HIOKI鉗式電流傳感器CT6862對該電流進(jìn)行傳感，其輸出的電壓信號分別送給拖拉機(jī)電性能測試系統(tǒng)和示波器進(jìn)行同步采集。電流鉗量程為50 A，示波器是Agilent公司MSOX3024A，通過USB閃存盤保存數(shù)據(jù)。電性能測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存頻率設(shè)為10 Hz。測試系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖3 電流測試精度對比試驗(yàn)方案Fig.3 Verification scheme for current accuracy test

圖4 電流精度對比試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.4 Device picture of current accuracy test1.便攜式計(jì)算機(jī) 2.示波器 3.拖拉機(jī)電性能測試系統(tǒng) 4.電流傳感器 5.恒流源

試驗(yàn)時，分別將恒流源設(shè)置為不輸出和0.01、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.5、2、2.5、3 A，示波器和電性能測試系統(tǒng)在電流恒定時采集20 s?；贛atlab編程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測點(diǎn)均值處理并繪制曲線進(jìn)行對比分析。

圖5是整條測試曲線，圖6是局部放大圖。從圖中可以看出，拖拉機(jī)電性能測試系統(tǒng)對小電流測試線性度高，測試結(jié)果與恒流源輸出結(jié)果一致性好，偏差在1 mA左右，滿足試驗(yàn)要求。

圖5 電流測試結(jié)果對比Fig.5 Comparison for current test curves

圖6 電流測試結(jié)果對比局部放大圖Fig.6 Partial magnification for current test curves

4 拖拉機(jī)實(shí)車試驗(yàn)

在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程園使用圖1所示測試系統(tǒng)對東方紅-LX754型拖拉機(jī)進(jìn)行部分電性能參數(shù)測試試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備安裝實(shí)物如圖7所示。電流傳感器分別安裝在蓄電池和發(fā)電機(jī)回路中，電壓探頭分別安裝在蓄電池正極和發(fā)電機(jī)接線端。測試拖拉機(jī)用電器的用電量時，使用的是量程50 A電流傳感器CT6862；測試拖拉機(jī)啟動電流時，使用的是1 000 A大量程電流傳感器CT6865。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備安裝實(shí)物圖Fig.7 Pictures of test equipments1.拖拉機(jī) 2.拖拉機(jī)儀表盤 3.電流傳感器 4.蓄電池 5.測電壓線束 6.便攜式計(jì)算機(jī) 7.拖拉機(jī)電性能測試系統(tǒng)

共進(jìn)行了4組電性能測試試驗(yàn)。第1組測試拖拉機(jī)每個電器單獨(dú)打開時的用電量。每次打開一種用電器，測試10 s左右。打開的用電器依次為左轉(zhuǎn)向燈、右轉(zhuǎn)向燈、雙閃、儀表盤燈、大燈(近光、遠(yuǎn)光)、后頂棚燈、前頂棚燈、雨刮，電流曲線如圖8所示。

第2組測試拖拉機(jī)多個電器部件用電量。依次打開轉(zhuǎn)向燈(左、右)、雙閃、儀表盤燈、大燈(近光、遠(yuǎn)光)、后頂棚燈、前頂棚燈、雨刮，然后再依次關(guān)閉對應(yīng)電器部件，電流曲線如圖9所示。

圖8 電器部件單獨(dú)打開測試電流曲線Fig.8 Current curves when electrical components were turned on independently

圖9 多電器部件打開測試電流曲線Fig.9 Current curves when several electrical components were turned on

第3組測試拖拉機(jī)啟動電壓和啟動電流。啟動發(fā)動機(jī)，記錄發(fā)動機(jī)啟動短時蓄電池端電壓和電流，繪制試驗(yàn)曲線如圖10所示。從圖中可看出啟動電流最大達(dá)到1 000 A，啟動電流和電壓有周期性變化。

圖10 發(fā)動機(jī)啟動電壓與電流試驗(yàn)曲線Fig.10 Current and voltage curves when engine was started

圖11 發(fā)動機(jī)啟動后電器回路電平衡圖Fig.11 Electric balance curves for whole tractor electrical circuit when engine was started

第4組長時電平衡試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)啟動后，打開電器部件，包括轉(zhuǎn)向燈、雙閃、儀表盤燈、大燈、前后頂棚燈、雨刮等，試驗(yàn)采集2 200 s左右的數(shù)據(jù)，如圖11所示。在最初500 s內(nèi)，蓄電池和發(fā)電機(jī)端電壓逐步上升，隨后趨向穩(wěn)定。蓄電池充電電流從開始的-12 A左右回落到-3 A左右，而發(fā)電機(jī)發(fā)電電流從開始的43 A左右下降到35 A左右，整個回路基本趨向平衡。試驗(yàn)中同步采集了環(huán)境溫度和發(fā)電機(jī)定子線圈溫度，在回路趨向平衡時，定子線圈溫度也保持相對恒定。

該拖拉機(jī)沒有OBD接口，將系統(tǒng)應(yīng)用于某帶K線發(fā)動機(jī)的汽車，一次試驗(yàn)得到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速曲線如圖12所示，表明該功能能夠正常運(yùn)行?，F(xiàn)國內(nèi)大多數(shù)在用拖拉機(jī)沒有OBD接口，建議布置霍爾式發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和網(wǎng)口通訊的GPS測速設(shè)備實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的測試。圖1中的NI 9205模塊和控制器cRIO 9033具有冗余接口[9]，可以編程實(shí)現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)采集。

圖12 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速曲線Fig.12 Curves for engine speed and vehicle velocity

5 結(jié)論

(1)基于虛擬儀器搭建拖拉機(jī)電性能綜合測試系統(tǒng)，通過電流對比測試和拖拉機(jī)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了其毫安級電流測試精度、整體功能和工作可靠性。

(2)本測試系統(tǒng)為虛擬測試系統(tǒng)，可以方便地?cái)U(kuò)展其他參數(shù)測試功能，系統(tǒng)可為拖拉機(jī)電性能綜合評估、電器部件選型優(yōu)化分析提供有效手段。

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18 National Instruments Corporation. NI 9229 datasheet [EB/OL]. [2016-6-20]. www.ni.com/pdf/manuals/374184c_02.pdf.

19 ISO 15765-4: 2005. Road vehicles-diagnostics on controller area networks (CAN)—Part 4: Requirements for emissions-related systems [S].2005.

20 張小龍, 盛丹丹, 夏萍，等. 拖拉機(jī)導(dǎo)航作業(yè)中虛擬無線通訊系統(tǒng)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013,44(4):190-195. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130433&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.04.033. ZHANG Xiaolong, SHENG Dandan, XIA Ping, et al. Virtual wireless communication realization in agricultural tractor navigation system[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(4): 190-195. (in Chinese)

Design and Field Test of Integrated Virtual Test System for Tractor Electrical Performance

ZHANG Xiaolong1JING Mei1LIU Pengfei1YAO Qiang2

(1.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China2.TechnicalCenterofAnhuiJianghuaiAutomotiveGroupCo.,Ltd.,Heifei230601,China)

The power consumption of tractor’s electrical components has a great effect on its economic performance, which was awfully neglected in the past. By matching the electrical components properly, and keeping its work condition in the economic zone of engine, the engine’s combustion efficiency can be improved greatly. The integrated virtual testing system for tractor electrical performance was designed, which aimed to meet the research requirements on the tractor power consumption test, electrical components match, etc. Firstly, the hardware selection was determined based on the requirement analysis of tractor electrical performance test. Then, the test system based on NI cRIO controller was designed, which can complete the synchronous acquisition of battery and generator terminal voltage and current, engine speed and tractor velocity, temperature, and so on. Consequently, the virtual software design of the test system was described in detail, including FPGA software, real-time software and PC data acquisition and analysis software. Finally, the field tests were conducted, which included the engine start test, the power consumption tests for each electrical component, and the electrical balance test for the whole tractor electrical circuit when the engine was started. According to the current accuracy comparison tests and tractor field tests, both the current samples accuracy and the system work function and reliability were validated. The research result provides an effective means to comprehensively evaluate and analyze the tractor electrical performance.

tractor; electrical performance; test system; virtual instrument; test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.012

2016-08-25

2016-09-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51675005)和安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1608085ME109)

張小龍(1976—)，男，教授，博士，主要從事車輛測控與動力學(xué)研究，E-mail: xlzhang@ahau.edu.cn

S219; U467.5+21

A

1000-1298(2017)04-0097-06