基于虛擬儀器技術實現同步多通道不同復雜電壓波動試驗的研究

(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

隨著中國在科研創新領域的不斷投入，當今中國越來越多的高新技術產品走出國門，隨之而來的技術要求也越來越多，等待我們一一解決，本文主要介紹我實驗室在EVCC(電動汽車通信控制器)項目出口日本過程中，根據本田試驗大綱進行檢測，針對大綱要求的雙電源通道同步施加不同復雜波形的電源波動試驗，利用LabVIEW同步控制雙直流電源輸出波形，解決國內大部分實驗室能力的不足，助力企業成功走出國門。

2 試驗要求

由于電動汽車供電系統輸出復雜，大電流電機，電磁閥，電池管理系統等各種元件導致供電電壓輸出經常發生波動，大電壓脈沖或跌落現象頻繁發生，這對車內電子產品能否穩定工作造成挑戰。所以進行電壓波動試驗為檢驗汽車電子產品安全可靠性的必要方法，可以將安全風險規避在設計研發階段。本田試驗大綱中電源波動試驗條件如圖1所示，EVCC引腳為+B及ACC。

圖1

目前國內大部分車廠的電壓波動試驗要求為單引腳波動，即在單一電源通道對所在引腳施加波形，而且波形大多為方波。而國際知名品牌的車廠要求早已突破單一通道限制，即需要多通道、納秒級同步誤差。綜上所述，為了迎合國際試驗條件，滿足以上技術要求，現階段需要解決雙直流電源同步和交流疊加電壓波動波形實現這兩個難題。

3 設計思路

本文利用虛擬儀器技術，來解決這兩個難題，虛擬儀器(virtual instrument)是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。目前在這一領域內，使用較為廣泛的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW。利用LabVIEW對不同復雜波形進行編寫，這樣測試波形可以更直接的展現在前面板上，使測試條件更直觀。施加波形的參數調整也更加方便，可以隨時根據試驗大綱進行調整，而且波形可以直接顯示，在后期利用示波器進行驗證時對比更為直觀。以此為思想前提，而且為了滿足高精度同步的要求，需要通過硬件對同步性進行控制。轉而想到利用嵌有預裝LabVIEW的工控機的 PXI標準儀器(如圖3所示)搭接硬件。

圖2

因為PXI規格定義了一個低歪斜的10MHz參考時鐘。此參考時鐘位于背板上，并且分布至每一個外設槽，而且由時鐘源至每一槽的布線長度都是等長的，因此每一外設槽所接受的時鐘都是同一相位的，這樣可以很好的保證每個模塊的同步性。而且以其10MHz的時鐘源來計算，其誤差可以控制在100ns級。而本田試驗大綱中，最小時間單位為ms級，并且波形的最小循環周期為2ms。PXI可以提供的同步時鐘源精度比試驗大綱中要求的精度高出很多，可見其能夠完全滿足試驗要求。除此之外，為了滿足雙通道電源的要求。配合采用了16輸入通道4輸出通道的高精度同步數據采集卡。預留兩路輸出，為今后更為復雜的試驗研究做好準備。至此，硬件搭建完成，系統配套完全后，系統原理圖如圖3所示。

圖3

在硬件完成后，主要工作為復雜波形的編寫，本文以試驗大綱中一組波形為例，如圖4所示。

圖4

方波部分較為簡單，不在這里過多闡述，主要介紹交流疊加分量波形的編寫，其中：

初始正弦波U1=Sin(2πf·t)

k=△U/△t

Umin=5V

f=10Hz

最終：U=U1+k·t+Umin

=Sin(2πf·t)+k·t+Umin

=Sin(20π·t)+k·t+5

為了更精確的表達出該函數曲線，本文采用線性插值的方法，通過計算大量t點時間的U值，這樣通過足夠多的點能夠更為準確的描繪出電壓波動曲線，本文在一周期50ms內選擇1024個t點，基于此單個周期波形，利用MATLAB計算，輸入公式，最終得到數據，將數據輸入LabVIEW中，得到波形(如圖6所示)，至此，該研究方法的所以硬件和軟件均搭建完畢。

圖5

4 試驗驗證

本文利用雙通道高精度示波器對輸出電源進行驗證。運行上述波形控制雙電源同步輸出，通過放大觀察單個周期波形，可以看出單個周期為大量坐標點線性連接而成，因為采用MATLAB結合數學公式，并采用線性插值，預設交流疊加波形平滑穩定，完全滿足設計要求如圖6所示。

圖6

通過示波器抓圖證明通過以上研究方法最終能夠得到雙通道納秒級同步輸出的電壓波動波形(圖7)。滿足本田試驗大綱要求。

圖7

5 結束語

本文根據本田試驗大綱中電壓波動試驗的復雜案例，通過研究，順利配制出能夠同步輸出多通道復雜波形的電壓波動試驗測試系統，并且滿足測試精度要求，填補了國內實驗室在該試驗項目上的空白，并且為更為復雜的試驗打下基礎，幫助企業在國內順利完成試驗項目，節約大量資金，具有極大的市場價值及推廣前景。