汽车动力传动机引擎及机械/实体参数测试

汽车的动力传动机制本质上是一种为汽车提供动力的引擎(传统内燃机)，并将动力传递给变速箱、传动轴最终到达汽车车轮的系统。传动系统的电气化正逐渐改变汽车技术的未来发展前景，同时也受到来自可持续能源驱动力、提高燃油效率以及符合相关二氧化碳排放法规等的影响。

此外，目前关键的技术驱动力主要集中于提高操控性能与耐用性，以及一些新的实用技术，如因应再生煞车而催生的逆变器技术，可用于为电动马达供电或为电池充电。

在动力传动任何部份的开发过程中，与机械性能相关的各种电气信号和实体参数都需要进行测量，才能实现完整的测试过程。电气信号来自于链接高压电池和逆变器的电力电路，而实体参数则发生在电气到机械的转换过程中。为了透彻理解整个系统性能，必须对电磁电力转换器和电力电路进行测量，并分析来自CAN等汽车串行总线网络上作业的动力传动管理系统数据。此外，这些测试必须同时进行，以便达到整体优化的解决方案，而不只是单独优化某个组件。

传统的做法是使用采样率最高为10，000样本/秒的数据记录仪或数据撷取系统测量汽车中的电气和实体参数。这种系统通常提供很多信道，让用户将多个传感器输出和隔离型输入通道结合在一起，测量电气系统(经常包括浮动电压值)以及温度、振动与对材料的压力等实体参数。

汽车版ScopeCorder

电气行动性的开发趋势导致电源逆变器日益广泛使用，加上这些组件支持更高的频率和更高的电压，因而目前已经出现速度高达1亿样本/秒(100MS/s)的隔离式测量要求。这些采样率以前是由示波器结合差分探棒实现的，可让工程师观察以更高频率出现的瞬态电压与电流。一个令人更感兴趣的领域是动力传动管理系统，它工作在诸如CAN网络等汽车串行总线之上，可连续传送引擎温度、转速和压力值等引擎性能参数。而要在一次测量作业中取得传动管理系统中的电气信号、实体性能参数和数据，将会带来相当大的挑战。

为了减少整合这些众多参数记录所需的时间和工作量，横河电机公司开发出DL850V ScopeCorder Vehicle Edition仪器，在单一可携式封装中结合了高速示与以及传统数据撷取记录仪的优点。ScopeCorder可以撷取和分析可能只持续几毫秒的瞬态事件，也能执行长达30天的完整动力传动系统耐用性测试。

最新汽车版DL850V ScopeCorder仪器具有信道隔离、信号调节和高信道数的特点，还结合了CAN和LIN总线监视功能，可协助用户译码CAN或LIN信号并监测所传送的实体数据，如引擎温度、车轮速度、加速度与压力。然后将这些值与来自实际模拟传感器的数据进行比较。通过结合多种高压与电流信号(以高达100MS/s采样)与实体参数测量结果(如温度、压力或振动以及经译码的CAN总线信号)，DL850V可创建单个完整的测量文件，如图1。相较于多台测量仪器的测量文件必须经过整合才能在PC上进行分析的其它方法相比，这种方法可大幅减少分析整个系统所需的时间和工作量。

图1：在DL850V上创建的单个测量文件，整合了多种高压与电流信号、实体参数测量结果以及经译码的CAN总线信号。

汽车应用中的电力电子

在汽车应用中的逆变器越来越多地采用速度更快、电压更高的组件，这就需要具有更高采样速率的隔离型高耐受电压测量功能，并能够在更长时间内同时测量更多数量的信号。像数字储存示波器这种传统的波形测量仪器在高压逆变器测量方面能力非常有限，因为它们缺少单独隔离的输入、高压隔离性能和12或16位高分辨率。其它波形测量解决方案通常需要具有外部(主动)信号调节电路才能实现高压隔离。

另一方面，DL850 ScopeCorder在其高压测量模块中使用一种被称为isoPRO的技术，无需外部主动信号调节设备，就能提供100MS/s的采样率、1kV的隔离性能和12位的分辨率。

isoPRO技术采用了一种以半导体雷射二极管将数字数据转换为光信号的系统，转换后的光数据通过光纤传送至仪器。由于半导体雷射二极管的数据传输速率特别高，通过单一设备即可传送大量数据，所以隔离区可以做得非常小。

另外，由于光纤本身是绝缘的，沿着光纤的信号传输距离足以提供适当的绝缘作用，因此即使在1kV高压情况下也能确保信号输入与主单元之间的绝缘距离。利用isoPRO技术可在尺寸约100×200mm的精巧模块中封装具100MS/s、1kV高耐受电压隔离测量电路的两个信道。

这种技术的另外一个好处是可提供优质的噪声抑制。因为高压逆变器的开关速度很快，因此噪声可被导入测量路径。然而在高压隔离模块中，优质的噪声抑制性能可以带来良好的共模抑制比(CMMR)，而且对于IGBT等逆变器和设备来说，通常能高精确地撷取到常见的浮动电压开关波形，见图2。

图2：使用DL850 ScopeCorder模块测量的逆变器信号脉冲波形。左侧是采样率为100MS/s的测量结果，右边是使用较早的10MS/s单元测得的结果。

机械/实体参数值

引擎测试台是一种用于开发、表征、测试引擎与仿真动力传动系统的设施。一个复杂的引擎测试台包含多种传感器(或变换器)、数据撷取功能和致动器，可用来控制引擎状态。DL850 DscopeCorder有一个模块化的结构以及众多的输入模块来监测机械性能与电气信号。变换器将来自引擎的信号转换为输入模块可以理解的形式──一般是电压信号。例如，采用一款转速计测量单位为每分钟转数的引擎速度。这将产生一个电压输出或一个脉冲输出信号，然后将这个信号发送到ScopeCorder进行脉冲输出处理，并在显示器后显示实际的加速度图形──甚至扩展绘制出机械/电气相位差，见图3。

图3：用于计算旋转角度趋势的旋转编码器信号。

通过使用温度模块，就可以加以利用热电耦(通常是K型组件)。这些热电耦价廉物美，具有足够精确度来完成任务。每个输入模块最多有16个热电耦连接至仪器。为了监测动力传动系统组件的振动，可以使用带压电传感器的加速度模块。

图4：DL850V Vehicle Edition能够译码CAN和LIN总线信息，并在屏幕上同时显示模拟值以及电气或机械信号

汽车串行总线

汽车内的CAN或LIN网络连接至电子控制单元(ECU)，通过网络传送温度、车轮转速、加速度和压力等众多参数和控制信号。汽车串行总线和ECU单元共同组成了动力传动管理系统。这意味着在开发过程中，不仅能测量来自模拟传感器的电气与机械信号，还能测量在汽车串行总线上传输的实体参数，作为电气与模拟传感器输出参数的参考。DL850V Vehicle Edition即能解碼这些CAN和LIN总线信息，并在屏幕上同时显示出模拟值以及电气或机械信号。

图4给出了这样一个例子。这个功能可用于直接映像汽车串行总线上传送的数据与电气和机械值之间的关系，从而可实时观察系统的行为。DL850V支持CAN-dbc文件(由Vector Group开发)和LIN网络定义文件，从而允许用户便于选择感兴趣的CAN和LIN信息。

本文小结

DL850V ScopeCorder提供了现代数字示波器的所有测量与分析工具，包括光标、波形参数计算、数学和DSP通道，以及快速傅利叶变换。它还能作为多信道数据撷取单元/记录仪，在单一设备中整合电气、机械和汽车串行总线测量功能。在大多数情况下，用户能够立即分析数据并取得结果，而无需脱机的后处理步骤。