重庆大学硕士学位论文.doc

馈能式交流底盘测功机DTC控制系统重庆大学硕士学位论文学生姓名：李 黎指导教师：段其昌专 业：控制理论与控制工程学科门类：工 学重庆大学自动化学院二O一O年四月Power-fed AC Chassis Dynamometer DTC Control SystemA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringByLi Li Supervisor by Prof. Duan QichangMajor: Control Theory and EngineeringCollege of Communication Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaApril, 2010中文摘要摘 要底盘测功机是一项重要的室内整车检测设备，可以实现不解体检测整车的各种性能，如动力性能、排放工况及汽车故障诊断等多种用途。作为现代电测技术和计算技术结合的产物，将整车路测以室内台测模拟方式实现，使整车检测技术得到快速的发展，尤其在检测精度和检测数据可重复性方面得到了极大的改进。随着我国汽车工业的迅猛发展，我国现已成最大的汽车消费市场和生产市场，对汽车性能和品质要求越来越高，因而对底盘测功机系统测试性能方面需求随之提高，甚至开始出现基于虚拟驾驶技术的现代底盘测功机系统的概念。由于核心技术受到国外公司的封锁，研制新型能够满足全功能检测的整车底盘测功机是当前研究的一项紧迫的研究任务。近年来以IGBT为代表的高速、大功率电力电子技术出现和计算机性能及控制技术的快速发展，使交流变频底盘测功机成为底盘测功机研发的主趋势。鉴于此，本文在研究交流异步电机直接转矩控制和三相PWM整流器基础上构造实现馈能式交流底盘测功机直接转矩控制（DTC，direct torque control）系统。为了实现整车路试和台试两种测试方式的等效，分别建立在道路测试和在底盘测功机上行驶动力学模型，对比两种模型建立在底盘测功机上行驶的阻力加载模型，补偿底盘装置的阻力加载。在此基础上，研究了基于虚拟驾驶的整车性能试验系统，实现了整车加速、制动的动态过程模拟，论证基于虚拟驾驶的现代底盘测功机系统可行性。在阻力加载中，为了实现无级惯性阻力模拟采用电模拟方式模拟惯性加载。其次，为克服当前电惯性模拟方式中的转矩响应滞后、转矩脉动等问题，电机主控制系统中采用“交-直-交”控制方式，分为电网侧控制系统和电机侧控制系统。网侧电压源型变流器（VSR，voltage source rectifier）采用定子电压矢量定向控制的空间矢量PWM（SVPWM，space vector PWM）技术，通过双闭环、解耦和前馈控制策略实现网侧电流控制和能量回馈。电机侧VSR变流器采用转矩预测的DTC控制技术，选择SVPWM作为转矩控制的调制策略。在以上分析研究的基础上，结合底盘测功机系统传动理论，构建系统电气传动模型，对底盘测功机的整体性能进行仿真分析。在仿真过程中，研究了底盘测功机的能量双向流动机制和单位功率因数的PWM变流技术的可行性。此外，分析了底盘测功机系统在空载和加载两种状态下的速度响应和转矩响应情况。分析结果表明可以系统在不同的转矩和转速需求下，都可以在保持单位功率因素下实现快速的静态和动态响应。最后，结合先进测试技术，完成系统设计。软件利用LabVIEW作为系统平台，采用多线程的设计思路，实现电机主控制系统的相关算法，设计整车性能试验的测试系统，给出测试主界面。硬件采用NI高速采集卡和控制器及智能功率模块（IPM，intelligent power module），通过改进的DTC算法快速跟踪系统计算转矩值，实现测功机阻力转矩的实时加载。对比计算结果与试验实测值，表明该系统可以达到要求的响应速度和精度。关键词：交流底盘测功机，虚拟驾驶，SVPWM，DTC，转矩预测控制89英文摘要ABSTRACTThe chassis dynamometer is a kind of core indoor-frame-test equipment, which can realize the full function vehicle performance test without disassembling it, such as: dynamic performance, exhaust test, automobile detection or diagnosis. With the combination of modern electrical measurement technology and computer technology, the chassis dynamometer carries out the indoor-frame-test in place of the outdoor-road-test. This change not only speeds up the development of automobile measurement technology, but also makes a great progress of experimental data precision as well as the test results repeatability. With the rapid development of Chinas automobile industry, China has become the largest auto consumption market and production market. As a result, vehicle performance and quality demands increasingly high, and more attentions have been concentrated on the multi-function and high-performance chassis dynamometer, even on conception of modern chassis dynamometer based driving simulation. However, the core technology is blocked by foreign companies. Independent R&D of novel and functionality chassis dynamometers to meet demands of all vehicle tests is the tack of current research. In recent years, thanks to high speed and high power electronics technology, such as IGBT, as well as the development and application of power electronics, computer, control theory, the AC automobile chassis dynamometer becomes the main trend of this field. Consequently, building the DTC controlled system of the power-fed AC chassis dynamometer, based on the three phase PWM rectifier and direct torque control of AC induction motor, is carried out in the paper.In order to recur the road and resistance of the automobile, we analyze the resistance of the car driving on the road and on the chassis dynamometer respectively, draw a resistance equation separately about the car, make the contrast of the two equations, obtain their difference and put forward the electric simulation model. And then, above the fommer analysis, we try to build the vehicle-performance-test system based on steering simulation, simulate the dynamic responses of vehicle accelerating and braking, and validate the feasiability of chassis dynamometer based on the steering technology. Based on the resistance compensation model, we realize the continuous simulation of the inertia using the method of electric simulation in stead of the traditional mechanical simulation which loads the simulation resistance by assembling limited flywheels. To overcome torque response lag, torque ripple and other issues of the current inertia electric simulation, the main motor control system is realized by the “AC-DC-AC” configuration, which is separated by grid side control system and mechanical control system. In the grid side, we adopt Voltage-Oriented Control (VOC) pulse widths modulate (PWM) commute strategy, as well as the method of space vector PWM (SVPWM), decoupling control strategy to the Voltage Source Rectifier (VSR) to realize the grid-side dismissed-coupling current control and bi-directional energy flow. In the mechanical side, we adopt direct torque control (DTC) strategy based on the torque prediction, and select the SVPWM as the modulate strategy of the torque control.Based on the analysis above, combined with the mechanical transform theory of the chassis dynamometer, we build electric-mechanical simulation model to analyze and research the dynamic-static performance. The feasibility of bi-directional energy flow mechanism and PWM converter technology with unit power factor is also discussed. Besides, the torque and speed response on generate electricity state and electro motion state are presented. It can been concluded that no matter what different torque and different speed both not only keep steady and quick dynamic response, but also feed back the generated energy to AC mains with unit power factor.Finally, the whole system selects LabVIEW as the software design tools and development environment, and then, we implement the algorithm design of main control system, develop the vehicle performance test system, finally give the system test interface. In order to load real-time torque resistance, that is, to fellow the expected torque calculated from the method of improved DTC algorithm, NI high-speed sample card and controller, IPM power module, and etc, are chosen for hardware system. On the grounds of the contrast of calculated results and measured results, the system can meet the expected response speed and accuracy.Key words: AC chassis dynamometer, Driving simulation, SVPWM, DTC, Torque prediction control.目 录目 录中文摘要I英文摘要III1绪论11.1课题的提出及学术背景11.2国内外研究现状11.3负载模拟技术比较31.4虚拟仪器技术41.5本文完成的主要工作52整车性能试验及底盘测功机原理分析72.1底盘测功机组成结构72.1.1道路负荷加载设备72.1.2测量装置与控制装置82.2摩托车底盘测功机原理92.2.1摩托车在道路上行驶阻力分析102.2.2摩托车在底盘测功机上的行驶阻力分析132.3基于虚拟驾驶的整车性能试验仿真系统的研究162.3.1发动机数学模型162.3.2传动系统模型和道路负荷模型182.3.3整车驾驶模拟202.3.4试验仿真系统的总体方案222.3.5整车试验动力学仿真及结果分析222.3.6虚拟驾驶的整车试验应用前景242.4本章小结253摩托车底盘测功机理论研究273.1摩托车底盘测功机系统设计及关键技术273.1.1模拟试验条件273.1.2整车试验测试项目及关键技术273.2摩托车交流底盘测功机实现方案283.2.1绕线式电机同步方案293.2.2鼠笼式异步电机方案303.3底盘测功机电网侧系统结构分析323.3.1电压型整流器323.3.2电压型整流器的数学模型343.3.3电压型整流器电网侧控制系统383.3.4带能量回馈电网侧系统仿真403.4底盘测功机电机侧系统结构分析463.4.1异步电机直接转矩控制技术463.4.2三相异步电机的数学模型473.4.3磁链跟踪和转矩跟踪控制513.4.4直接转矩控制仿真603.5本章小结624交流底盘测功机动态分析和系统设计654.1底盘测功机电气控制系统模型654.2底盘测功机的传动部分运动方程654.3底盘测功机控制系统构成及仿真研究684.4基于LabVIEW底盘测功机系统实现714.4.1技术方案设计714.4.2系统软件实现724.5本章总结795总结与展望815.1本文所做的工作总结815.2本文后续工作与展望81致 谢83参考文献85附 录89A作者在攻读学位期间发表的论文89B作者在攻读学位期间参与项目891 结论1绪论1.1课题的提出及学术背景试验技术及装置在现代科学研究和产品生产过程中发挥的作用越来越重要。摩托车、汽车等整车性能测试分为室外道路试验测试和室内台架测试（后文中的“路试”和“台试”即指前面两种整车测试试验），由于气候、道路条件状况及驾驶技术等因素的影响比较大，而且实际道路中的负载是极其复杂的，有不可预测性，进行道路行驶的在线测试是不可行的。当前整车性能测试基本由室内“台试”来取代路试，“台试”是将整车在实际道路行驶的动态过程用整车在测试台架上的行驶来代替，再现道路行驶的过程。基本原理是采用单轮毂或双轮毂代替道路路面，由于在“台试”时，摩托车处于静止状态，所以整车行驶中惯性阻力、空气阻力无法通过“台试”试验体现出来。为了保证“台测”试验的真实性、准确性，需要对道路阻力、加速阻力等进行模拟，通过电加载或机械加载的方式对行驶阻力进行补偿。其特点是试验条件易控制、数据离散小、试验精度高、可比性好、试验周期短、能消除无需研究之因素的影响。近年来，计算机在车辆试验中得到了广泛的应用，在进行“台试”试验时，利用计算机控制，模拟实际道路试验的工况，可以代替一部分道路试验，这既可以提高试验精度，也可以大大缩短试验周期。利用底盘测功机，我们不仅可以对汽车进行动力性能检测，在配备油耗仪和尾气分析仪的基础上，我们还可以在不同工况下对汽车的燃油经济性和尾气排放进行测试分析。近年来以IGBT为代表的高速、大功率电力电子技术出现以及计算机性能和控制技术的快速发展，使底盘测功机技术已有了很大的改进，尤其是随后出现的交流变频底盘测功机已成为底盘测功机研发的主趋势。国内的底盘测功机主要以电涡流测功机和水力测功机为主，通常配备一些惯性飞轮来对汽车的惯性阻力进行相应模拟。通过控制电磁离合器的吸合与断开来控制不同飞轮的组合，以实现对不同质量汽车运动惯量的模拟。由于飞轮的数量有限，不能实现汽车惯量的无级模拟，不能满足当前各种类型汽车的检测需求，而且模拟精度有待提高1。鉴于此，本文研究了交流异步电机直接转矩控制和三相PWM整流器，在此基础上构造馈能式交流底盘测功机DTC控制系统。1.2国内外研究现状国内通常把直流底盘测功机和交流底盘测功机统称为电力底盘测功机。电力底盘测功机目前大都采用直流电机，这是因为直流电机的调速性能好，控制简单。但直流电机由于换向器的影响，不能适用于高速运行，因此在转速很高的情况下，往往采用机械调速装置，使系统复杂且噪声增大。交流测功机是一种新型的机电一体化测功机，适合各种不同类型的整车、发动机和电机的性能测试2。交流测功机由于不存在换向器问题，采用同步或异步电机，因而结构简单、可靠性高，且近几年来随着高开关频率、大功率电力电子控制技术发展、计算机性能和电机控制技术的快速进步，交流传动系统在动、静态性能上得到了显著提高，使得对于交流底盘测功机的研究成为主流趋势。将现代交流测功机技术应用于汽车底盘性能测试领域，可以充分发挥其优异的转速和转矩控制特性，以及动态响应快、结构灵活多样、高效节能、可靠性高等特点；同时，可以设计出机械测功机无法实现的控制方案，如能量回馈、电封闭测试和多路并行测试等，并可使用计算机和虚拟仪器技术实现整车性能测试系统的自动化和智能化。湖南大学对电力测功机的研究取得了不少成果，研制的CY110、CY160系列交流变频异步电力测功机通过了鉴定，并已申请专利2。文献3介绍了一种基于脉宽调制(PWM)整流器和异步电机磁场定向控制的交流底盘测功机，提出了一种新的交流测功机方案，采用矢量控制技术对底盘测功机的异步电机实行转矩和速度控制。三相PWM整流技术产生直流母线电压，也能将测功机测功时产生的电能反馈给电网，同时保持电网侧电流为正弦，且功率因数接近为1，降低了谐波对电网的干扰，也节约了能源。该方案提高了底盘测功机的动态性能，但矢量控制对电机模型参数依赖程度较大，影响测试系统的性能。目前，许多国外发动机研究机构和生产厂家基本上都有先进的发动机和整车测试系统，以AVL公司的ARA系列、德国SHENCK公司的HT、LI系列、美国宝克(Bruke)公司4086系列摩托车底盘测功机以及日本小野株式会社等产品为代表2，基本实现具有先进的Dynamount Control自动化系统，可进行动态试验、整车底盘试验和道路负荷模拟试验。在整车性能仿真方面，国内外的研究已有了很大进步。国内研究中，基于道路行驶的动力学模型，通过发动机传动系统建模和虚拟驾驶技术可以很好地模拟整车起步过程中车速和发动机运转速度的变化等问题；国外研究中，比较成功的产品有汽车整车性能仿真系统ADAMS/car，通过设置相应的整车参数和道路参数，可以很好的在线仿真整车各种工况性能。现代整车测试测控制系统已经向自动化、智能化、集成化和网络化方向发展，早期的水力测功机和电涡流式测功机台架不能满足现代测试要求，现代的测控系统是集数据建模与仿真、自动控制、信号处理、人工智能、电力电子技术、计算机和虚拟仪器技术等各种现代化科学技术于一体的复杂控制系统。交流底盘测功机主要由交流电机和变频模块以及其它一些测试和辅助设备组成，在变频装置的要求下它可以四象限运行，当变频装置控制异步电机的工作频率所对应的同步转速高于系统（测功机-滚筒）转速时，测功机工作在电动状态，作为原动机驱动被测设备转动，用于磨合试验和机械效率试验；当测功机的工作频率低于系统转速时，测功机运行在发电状态，作为测试设备为原动机提供负载。目前，变频控制技术主要有恒压频比控制、矢量控制、空间矢量PWM控制以及直接转矩控制（DTC）。 随着变频技术和电力电子器件的发展，使用变频装置和鼠笼式异步电机构建全功能型交流测功机是一种较理想的解决方案。1.3负载模拟技术比较为了在汽车测试中模拟汽车惯量，文献4研究了机械惯量电模拟的方法。分析总结了传统飞轮组模拟方法的局限性。在不同测试目的和测试结构下，分析了测试系统的运动方程，导出了整车等效惯量在电模拟时需要补偿的转矩计算方法。分别讨论了加减速过程和惯量不匹配这两种情况下补偿转矩的方法。测功机道路模拟的关键是模拟在滚筒上的运行阻力。目前有三种形式来实现：第一，机械模拟，是采用飞轮组合的形式来获得整车传递和转动的惯量；第二，机电模拟，是用惯性飞轮系统实现车辆平移质量的精确拟合，风阻和爬坡阻力由控制系统驱动测功机模拟加载实现；通过风阻系数、爬坡度等的准确设定，可实现底盘测功机与道路试验的精确拟合；第三，电模拟，当采用电模拟时，车辆平移惯性阻力、风阻和爬坡等阻力均采用阻力模型计算，然后控制交流或直流电机来实现道路阻力的精确加载。在机械模拟中，用大质量飞轮组的方法模拟汽车惯量，飞轮组由大小不等的多个飞轮构成，飞轮组通过离合器等机械方法与底盘测功机的主滚筒连接，通过不同的组合实现惯性质量的匹配。这种方法的主要优点是技术成熟、控制简单，但也有诸多缺点4：飞轮一旦制造完成，飞轮惯量相对固定，所以它只能模拟几种特定型号的汽车，由于受到最小模拟精度等级的限制，往往精度不准确，而且惯量不容易匹配；大质量的飞轮设计和制造工艺水平要求较高，加上多个离合器，费用昂贵；飞轮的运用使得测试系统的噪声和振动加大，飞轮储存的动能对于设备和人员的安全有一定的影响；使用惯性飞轮组的测试系统体积庞大，安装和更换飞轮耗时耗力。由于存在以上一些问题，机械惯量的电模拟技术成为研究的热点。由于其技术先进、运行安全、控制灵活，它已逐步取代传统的方法，构成新型的汽车或摩托车测试系统。通过转矩补偿的方法可以实现正、负汽车惯量电模拟，即当汽车惯量大于电惯量系统的纯机械惯量时，实现正惯量，用电惯量增加原系统的惯量，当汽车惯量小于电惯量系统的纯机械惯量时，用电惯量减少原系统的惯量。所以，电惯量系统模拟惯量的范围可以达到原系统惯量的-50%+100%4。当要测试一系列不同质量的汽车时，测试系统的惯量可以通过设计选择在一个中位水平，较大质量的汽车测试要用电惯量实现正惯量，而测试质量较小的汽车时可以用电惯量实现负惯量，实现惯量的精确匹配。这样，一套电惯量测试系统可以适用于测试多种类型的汽车。这也是电惯量系统优于飞轮组机械惯量测试系统的显著优点。1.4虚拟仪器技术1986年，美国国家仪器公司NI (National Instruments)提出“软件即是仪器”的虚拟仪器(VI-Virtual Instrument)概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器技术是近些年来同NI公司提出的，其将计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。它结合计算机强大的数据处理能力，先进的技术支持，将传统仪器的优点和计算机技术完全整合起来，形成以通用硬件为支持，上层功能随用户来定义由软件来实现的一种全新的现代仪器的概念。它一般由完成数据采集功能的硬件部分和完成数据分析处理功能的软件部分组成。硬件部分将采集到的信号转换成电信号后输入到计算机内。计算机通过软件实现数据的读取和信号的分析处理，并将处理结果显示出来。与传统仪器不同，虚拟仪器融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储、打印曲线和图表等功能方面的限制，大大增强了仪器的功能。虚拟仪器技术真正充分利用了计算机丰富的软件资源，强调仪器硬件软件化，使得系统维护可以大部分通过软件完成，提高功能模块的复用率，真正节约了系统硬件投入成本，增加了系统的灵活性；可以通过软件技术和数值算法可实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；并且通过图形用户界面(GUI)技术；可真正做到界面友好的人机交互。虚拟仪器组建方案如图1.1所示。图1.1虚拟仪器的系统构架Fig1.1 system frame diagram of virtual instrument1.5本文完成的主要工作底盘测功机是汽车、摩托车性能测试的室内测试核心设备，为了保证室内试验的真实性、准确性，需要对道路阻力、加速阻力等进行模拟，通过电模方式模拟摩托车道路行驶各种阻力，再现道路行驶的过程。结合对嘉陵集团工程技术研究院47KW交流变频底盘测功机测试系统课题的研究，论文主要从以下几个方面展开：第二章简单介绍了底盘测功机测试原理及种类。综合前人的研究工作和成果，结合摩托车检测系列标准，分别从摩托车在实际道路行驶动态过程和在底盘测功机上运行动态过程两个方面进行过程分析、建模，从动力学和运动学角度分析研究底盘测功机模拟摩擦力加载模型。然后，对底盘测功机惯性模拟的几种方式进行比较，为了实现底盘测功机灵活性和测试的柔性，选择机械惯性的电模拟。最后，结合汽车驾驶仿真中出现的虚拟驾驶技术，从仿真的角度研究基于虚拟驾驶的摩托车整车性能试验模拟过程，研究了摩托车道路负载的动力学过程和加速过程。采用虚拟驾驶技术完成试验操作过程，减少试验的干扰，试验结果可再现性提高，为现代底盘测功机系统研究的一个重要课题。第三章分析了底盘测功机系统结构原理，对底盘测功机整车性能试验条件和关键技术进行系统介绍。分析比较了底盘测功机的两种实现方案，根据底盘测功机发电状态和电动状态转速范围要求，选择笼型电机异步方案。对网侧三相电压型PWM整流技术深入分析及仿真研究，采用双闭环控制实现电网侧单位功率因数的电流控制，保持直流电压的稳定，控制网侧电流的高次谐波，减少谐波对公网的影响。此外，对电机侧逆变器的控制策略进行讨论，电机侧采用直接转矩控制方法和原理，并对其传统方法提出改进，减少滞环控制引起的转矩脉动，并对VSR逆变器的两种工作状态进行仿真研究。结合摩托车交流测功机的实际情况，构建稳定、快速和精确的交流底盘测功机系统，并能准确模拟摩托车道路负载。第四章从理论建模上分析整个交流测功机系统的实现。在第三章对三相电压型PWM整流技术和异步电机的直接转矩控制技术进行深入分析的基础上，构建由三相PWM整流技术和直接转矩控制的能馈交流DTC控制底盘测功机，对系统的整体性能进行分析和实验研究。分析了能馈交流DTC控制底盘测功机的能量双向流动机制，由直流侧电流的方向决定功率流动方向，底盘测功机两种的状态切换由测功机交流笼型电机的运行状态切换而自然发生，无需控制。根据其运动方程建立了能馈交流DTC控制底盘测功机的动态模型，设计控制方案控制三相PWM整流装置和直接转矩控制逆变装置协调工作，使测功机的电磁转矩快速响应达到所设定的负载。最后，应用先进工业测试系统开发软件LabVIEW8.0作为开发平台，实现底盘测功机系统设计和开发。第五章系统总结和展望。2 整车性能试验及底盘测功机原理分析2整车性能试验及底盘测功机原理分析2.1底盘测功机组成结构摩托车底盘测功机是一种不解体检验摩托车性能的设备，通过室内台架装置上模拟道路行驶工况的方法来检测摩托车的动力性能，而且还可以测量多工况排放指标及油耗。同时能方便地进行摩托车的加载调试和诊断摩托车在负载条件下出现的故障等。由于摩托车底盘测功机在试验时能通过控制试验条件，使气候、道路条件状况及驾驶技术等因素的影响减至最小，同时如果采用变流装置可以实现能量回馈电网，通过功率吸收装置来模拟道路行驶阻力，控制行驶状况，故能进行实际的复杂的循环工况试验，具有试验条件易控制、数据离散小、试验精度高、可比性好、能量可馈等特点，因而成为汽车、摩托车制造设计和研发的热点。滚筒式底盘测功机，一般由台架、滚筒装置、举升装置、测功装置、测速装置、控制与指示和辅助设备等组成。图2.1为国内某型号汽车底盘测功机结构示意图。图2.1底盘测功机结构示意图Fig 2.1 The structure diagram of chassis dynamometer1-滚筒 2-举升器 3-变速箱 4-挡轮 5-小飞轮 6-电磁离合器 7-大飞轮 8-传动链 9-单向离合器 10-电动机 11-功率吸收装置 12-联轴器 13-举升板 14-离合器2.1.1道路负荷加载设备随着电力电子技术的发展，交流传动系统在静、动性能上得到了显著提高，可与直流传动相媲美，并且交流测功机不存在换向器问题，因而结构简单，可靠性高。交流测功机中使用的主要是异步绕线式电机和笼型异步电机，前者转速不能太高，后者高速性能好，是高速测功机的首选品种，加上自八十年代以来，性能完善、工作可靠的变频装置的逐步成熟，极大的提高了交流电机的调速性能，使得交流变频笼型异步底盘测功机成为交流底盘测功机这一测功机种类中的主流产品3。 交流同步电机测功机由电机的运行原理可知，电机的同步转速等于旋转磁场的转速，即同步转速为：M = 60f/p；其中p为极对数；f为定子供电频率，Hz；M为同步电机的转速，r/min。在极对数不变的情况下，改变定子供电频率是同步电机调速唯一可行的方法。目前多用它制式变频方式，其输出转速由系统外部的基准频率振荡器给定。因此，当频率突变或过载时电机容易失步，同步电机测功机应精确控制供电频率，以防电机在过载情况下工作时发生失步现象。三相同步电机测功机在同步转速的发电状态下运行时，其发出的电能可纳入外电网加以利用，但此时无法对转速进行调节；在非同步转速的发电状态下运行时，其发出的频率与外源电网不一致而无法并网，这时要用负荷电阻来消耗发出的电能。 交流异步电机测功机采用鼠笼式三相异步电机作为加载设备，由变频装置提供可变频率的驱动电源，运用直接转矩控制（DTC）技术实现转矩控制。变频装置由整流/回馈单元和逆变器组成，能实现能量的流动（四象限工作），三相可控IGBT工作桥通过三相滤波器和电网相连，当测功机在发电状态下运行时，可回馈单元将电能回馈到电网；当测功机在电动状态下运行时，相当于普通的电动机在变频调速下运行，从电网吸收有功功率和无功功率。交流测功机做整车测试试验时，其工作机理可以表述为：当其工作频率对应的同步转速高于被测机转速时，测功机为电动状态，驱动摩托车整车行驶；当异步电机的同步转速低于被测机的转速时，测功机运行在发电状态，为摩托车行驶提供负载。交流电机以其成本较低和易于能量反馈的优良特性，作为本系统研究的主要对象。2.1.2测量装置与控制装置参数测量分电气参数测量、机械参数测量和温压参数测量三个部分。电气参数主要包括电网侧三相交流电参数（电压、电流）和电机侧电参数和直流母线电参数；机械参数主要包括转矩测量和转速测量；温压参数是指反映整车及发动机工作状态的压力和温度参数。对于电气测量和机械测量要求工作可靠、精确，即测量误差小，机读数据稳定，并能迅速的适应被测值的变化。测力装置用以测量测功机滚筒上的扭矩，可反映作用在驱动轮上的驱动力大小。测力精度主要取决于测力传感器的精度和信号调理的精度。测速装置用以测量底盘测功机滚筒的转速，可得出相应的整车行驶速度。测速精度主要由光电编码器的精度和计数装置测速性能来决定。电气测量可由高精度的电压电流互感器或其它测量装置完成测量和信号调理。对于温度，由于信号本身特性决定不能突变，对测量精度和测量速率没有太多要求；压力信号通过压力传感器，调理单元和采集卡进入计算机系统。控制装置主要有高速控制器、IPM智能功率开关模块（IGBT模块）、SVPWM信号模块、50kW异步感应电机以及高性能工业计算机等。除了必需的硬件模块外，其它控制算法如：网侧变换器SVPWM控制算法和电机侧DTC控制算法由软件完成，这样可以节省昂贵的硬件开销。2.2摩托车底盘测功机原理摩托车底盘测功机的基本结构如图2.2。试验摩托车的后轮放在一个大滚筒上，用滚筒的表面代替路面，相对于车辆作旋转运动。滚筒轴端与测功机同轴相联，构成测功机滚筒机组。试验时测功机给滚筒施加阻转矩来模拟车辆在道路行驶时的阻力。摩托车前轮用“前轮夹持器”夹住，保证车辆前后不能移动左右不会倾倒。试验车辆的正前方安放一个风机，用于冷却整车。图2.2底盘测功机测试原理示意图Fig 2.2 The system schedule of chassis dynamometer test1-风机驱动电动机 2-冷却风机 3-显示器 4-前轮夹持器 5-试验整车6-测功机和转鼓机组试验时整车驱动轮带动滚筒测功机旋转。测功机模拟“路试”状态的各种阻力，使车辆发动机受到的阻力与同等工况下“路试”状态中受到的阻力等效；风机的风速跟踪车速，使车辆发动机的冷却条件与“路试”状态一致。测功机系统本质是实现整车状态必须与路试状态一致；整车驱动轮的转速转矩特性必须与路试的车速阻力特性一致。这样就可以实现车辆在底盘测功机上模拟道路行驶。系统还配备了对转速、转矩、温度、压力、油耗等项目的测量环节，由计算机进行数据采集和控制。整个系统协调运转，驾驶员在显示器的提示下按照试验要求驾驶车辆，进行车辆的加速性能、最高车速、燃油消耗、工况排放等项目试验。与室外道路试验相比，在底盘测功机上进行车辆试验具易试验条件易控制、数据离散小、试验精度高、重复性好、试验周期短、能消除不必要因素影响的优点。2.2.1摩托车在道路上行驶阻力分析为了有效地模拟真实道路行驶工况，应分析并建立摩托车道路行驶的动力学模型。如图2.3所示为在一般道路上行驶时摩托车所受的行驶阻力分析。沿坡度水平方向存在摩托车道路行驶中驱动轮产生的滚动阻力、空气阻力；垂直坡道方向存在摩托车重力的分力和平行方向的重力分力。在加速状态时，存在摩托车水平质量和转动质量产生的加速阻力。图2.3摩托车道路行驶运动学分析Fig 2.3 Force analysis of motorcycle of road driving 滚动阻力摩托车在道路上行驶时，由于驱动轮的滚动而使轮胎与路面接触面产生的滚动阻力，其与滚动阻力系数f和摩托车总重量有关6，可表达为式(2.1)：(2.1)式中：Ff 驱动轮的滚动阻力，(N)；m 摩托车整车基准质量（含驾驶员质量75.0），(kg)；g 重力加速度，(m/s2)；f 整车滚动阻力系数，其是车速、路面状况、轮胎结构、充气压力、载荷等的函数，；f1 从动轮的滚动阻力系数；G 摩托车整车法向载荷，(N)；G1 从动轮的法向载荷，(N)；f2 驱动轮的滚动阻力系数；G2 驱动轮的法向载荷，(N)； 空气阻力摩托车行驶时，在空气中运动受到空气的作用力，称为空气阻力。其主要由压力阻力(即形状阻力，迎面压力大于后部压力) 和摩擦阻力(即表面阻力，在摩托车与切向气流摩擦表面上产生)构成6,7。据实验测定，空气阻力主要是压力阻力，关系如式(2.2)：(2.2)式中: Fw 空气阻力，(N)；CD 空气阻力系数；A 迎风面积,即摩托车(含驾驶员) 行驶方向的正投影面积，(m2)； 空气密度，(kg/ m3)；v 相对速度，(m/s)，无风时为摩托车行驶速度。 坡度阻力摩托车沿纵向坡路上行驶时，受重力沿坡道分力的作用，称为坡度阻力。上坡时，坡度阻力与驱动力方向相反；下坡时，两者方向一致。(2.3)式中: Fi 坡度阻力，(N)；纵向坡度角，()； 加速阻力摩托车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，这个力就是加速阻力Fj。摩托车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部分。加速时不仅平移的质量产生惯性力，旋转的质量也要产生惯性力偶矩。为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，并以系数作为计入旋转质量惯性力偶矩后的摩托车质量换算系数6,8，因而摩托车加速时的阻力（N）可写作(2.4)：(2.4)式中：摩托车旋转质量换算系数，（1）；m摩托车质量，单位为kg；摩托车行驶加速度，单位为m/s2。主要与摩托车飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。其值可通过式(2.5)进行计算：(2.5)式中：摩托车旋转质量换算系数，（1）；摩托车车轮的转动惯量（驱动轮转动惯量I2和非驱动轮转动惯量I1之和）单位为kgm2；If 发动机飞轮的转动惯量，单位为kgm2；ig 变速器速比；i0 主减速器速比；T 摩托车传动系的机械效率；r 摩托车车轮的滚动半径；根据上述各力在x轴上的投影，可得到摩托车的道路变速行驶方程：(2.6)式(2.6)表明了摩托车在坡道上变速行驶时的驱动力与行驶阻力的平衡关系，亦表明了摩托车的动力性能。另外，由于滚动阻力系数与行驶速度有关，所以滚动阻力、空气阻力均为车速的函数，在任何条件下均存在，且为正值；可以表示如(2.7)：(2.7)而坡度阻力、惯性阻力与车速无关(惯性阻力为加速度的函数)，且在一定条件下(即上坡或下坡、加速或减速) 存在，且有正负值。将(2.7)代入(2.6)可得：(2.8)根据GB/T12534-90整车道路试验要求的标准气象和路面条件下进下道路阻力测试试验8。将摩托车在平直道路上加速到最高车速的80%左右（此速度要大于滑行的初始速度vc），然后开始脱挡滑行。在此期间驾驶员尽量保持直线行驶状态。试验时，汽车以车速vi+v滑行至vi-v，通过自带的测速、测时装置对速度和时间进行测量与记录。当v较小时，可近似认为这一行驶过程是匀减速运动，根据运动学原理则有(2.9)成立：(2.9)则在这一滑行过程中，汽车所受的阻力为(2.10)通过式(2.9)(2.10)计算得到(v1, F1),(v2, F2),(vi, Fi),(vn, Fn)n个离散的点，利用最二乘法拟合得到拟合曲线关系式(2.11)：(2.11)测得a、b、c即为所对应的待定阻力系数A、B、C。2.2.2摩托车在底盘测功机上的行驶阻力分析与在道路上运行时受阻力不同，图2.4为摩托车在底盘测功机上运行时所受阻力。对于本文而言，当测功机不工作时，摩托车在底盘测功机上运行时仅仅需要克服驱动轮与滚筒之间的滚动阻力、台架系统的机械摩擦阻力、滚筒等旋转部件产生的惯性力。当摩托车在底盘测功机上运行时，假设满足非滑动条件，对驱动轮在滚筒上的情况进行受力分析，如图2.4所示。图2.4摩托车在底盘测功机上运行的受力分析Fig 2.4 Force analysis of motorcycle on the chassis dynamome