（动力机械及工程专业论文）汽车动力装置动态试验台建设与应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 辍多能源技零免嵇徭鹣混合凄力获瓣辩电涎窀动汽车静牙发与应震是接逶 汽车技术的跨越试发展重大举措。车用动力装鬣动态性自试验台架有区别于传 统的一般台架的许多优点，在发动机的开发中舆有重要馋用，它的建设和应蹋， 是建立车用混台动力总或、混合动力汽车及缝瞧动汽车的台架测试系统，梅建 高效、实用的车用动力装鼢研究开发平台的基础。 本文在建立纂于p u m ao p e n 动态试验豹发动辊萄态挫l 试验念禁基础上， 从测功桃系统、控制系统、数据澳试与采集系统和自动化操作系统四个方丽详 细分析了p u m a o p e n 动态试验台架系统的构成和功能特点；为满足发动机动态 试验螽装统对瀑发熬要求，设诗蒸予p u m ao p e n 系统鹣p i d 控稍器秘2 穆 p o i n t 控制器的冷却水温度和机油温度控制系统，系统结构简单，与整个台架协 同工作，集成一体，操作方便，自动化程度高，且受到p u m a 系统内设是的温 度较隈参数瓣薤褫，其骞藏障整疆葫缝，搽谖了运行懿霹靠幢；为了实臻笈凌 机、电机、混合动力等的动态性能测试，研究并论述了对车用动力装置动态性 能测试的方法与过程，说明了汽车巾涉及到的动态过程炎型，对使用动态试验 台架滋行汽车遵鼯行驶状态下的各种行驶阻力、车辆静起步、搬秘和减档过程 的模拟方法作了较细致深入的分析，在此基础上模拟车辆对发动机进行了邋路 行驶工援熬囊态憔憩试验，证明了联述实验方法豹正确继，为进行车爰动力装 置动态性能试验提供了必甏的基础：运用动态试验台进行车用混合动力装鼹开 发研究是建立动淼试验台的重要目的，为此研究并提出了如何以动态试验螽架 羹墓秘，实理车愆混台动力总残测试、各帮羚魏特睦溺试移整车麴套袈斌骏豹 具体内释，设计了不同测试项目的具体台架结构，并建立了基于p u m a 动态试 验台的熄机动态性能试验螽架，通过模拟车辆邋路负载对a c 9 0 d 型交流电机的 动态畿髓瓣试，验证了亳橇试验台静各顼囊麓；为了控稍混合动力系统串静发 动机与电机协调工作，以获得总成的良好动力憔与经济性，基于过对富康t u 5 j p 1 l 发动执豹稳态秘动态转矩输出性能测试，分掇了发动规在翔载过携孛转筑输 出的变亿特性和影晌因素，建立并蜜验验证了基于平均德模型的靛动机动i 惫模 型，利用模型对发动机转髓输出性能进行了仿真分析，指出了平均值模型在进 嚣发动擞动态籍铤埝窭接谤方嚣搜矮瓣爨缺点。 关键词：动态试骏台架，动态性能，测试应用，建模仿翼 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t a ni m p o n a n ta n dh a r dt a s kt h a td e v e l o pu e wt y p eo fa u t oe n g i n ea n di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fa u t oe n g i n ec o n f r o n t e du s i t sag r e a ts t r a t e g yt od e v e l o p e l e c t r i c a la u t od r i v eb yh y b r i de l e c t r i c a le n g i n eo rf u e lc e l le n g i n et oc o n q u e rt h i s c h a l l e n g e t h en e wt y p eo fa u t oc h a r a c t e r i z e dw i t ht h eu s i n go fs e v e r a lk i n d so f e n e r g y t h ed y n a m i ct e s tb e dh a sm a n yv i r t u e st h a tt r a d i t i o n a ls t e a d yt e s tb e dd o e s n o t ，a n db eu s e dw i d e l yi nt h ec a u s eo fa u t oe n g i n e sd e v e l o p m e n t 。s e t t i n gu pt h e d y n a m i ce n g i n et e s tb e di st h ef i r s ts t e pt oi n t e g r a t ean e wt y p eo fa u t oa n de n g i n et e s t b e d ，e s p e c i a lt h eh y b r i de l e c t r i c a le n g i n ea n dv e h i c l et e s tb e d w h i c hi sb a s e do nt h e d y n a m i ce n g i n et e s tb e d t h i s p a p e ra n a l y z e s t h e p u m a - o p e nt e s ts y s t e m w h i c hc o m p r i s e st h e d y n a m o m e t e r , t h ec o n t r o ls y s t e m ，d a t aa c q u i r i n ga n dm e a s u r i n gd e v i c e s ，a n dt h e a u t o m a t i co p e r a t i n gs y s t e m t h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe a c hs u b s y s t e ma r e d e t a i l e di nt h i sp a p e r t h ee n g i n et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw a sd e v i s e db a s e do n t h ep i do r2 3 一p o i n tc o n t r o l l e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fe n g i n e i tc a n a u t o m a t i c a l l ys t e a d yt h ec o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea n do i lt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt o t h es e tv a l u e ，a n dw o r k sw i t ht h ep u m a s y s t e ms i m u l t a n e o u s l y , a n dc a l lc h e c kt h e e r r o r sd u r i n gt h ec a u s eo fw o r k i n g t h i sp a p e rd e m o n s t r a t et h ew a yt h a th o wt ot e s tt h e 豫鑫辩0 nt h ep u m a - o p e n t e s tb e di n d e t a i l s ，s p e c i f yt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ed y n a m i c si nv e h i c l e ，a n d d e m o n s t r a t et h ew a yh o wt os i m u l a t et h ev e h i c l e ，t h er o a dl o a da n dt h ed r i v e r s b e h a v i o r si nd e t a i l s 。s o m ed y n a m i ct e s tr n nw e r ec a r r i e do nt op r o v et h em e t h o du s e d t os i m u l a t et h ev e h i c l e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sc o r r e c t a v e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft h ed y n a m i ce n # n e t e s tb e di st e s t i n gt h eh y b r i d e l e c t r i c a le n g i n ea n dt h ep a r t sc o m p r i s i n gi t t h ep a p e rs p e c i f i e sa l lt h et e s tc o n t e n t s a n dt h es t r u c t u r e so ft h et e s tb e du s e dt oc a r r yo nt h e s et e s t s ae l e c t r i c a lm o t o rt e s t b e dw a ss 畦u pb a s e do nt h ed y n a m i ct e s tb e d 。a n dt h ef u n c t i o n so ft h ee l e c t r i c a l m o t o rt e s tb e dw e r ec h e c k e do nb ys o f i ed y n a m i ct e s tm i s m o d e l i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe n g i n ei st h eb a s i st oc o n t r o lt h eo u g i n e 壬重 武汉理工大学硕士学位论文 a n de l e c t r i c a lm o t o rw o r kt o g e t h e re f f i c i e n t l yi nh y b r i ds y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e d t h et u 5 j p e n g i n e st o r q u eo u t p u tp e r f o r m a n c eb ys t e a d ya n dd y n a m i ce n g i n et e s t a d y n a m i ce n g i n em o d e li ss e tu pb a s e do nt h et e s tr e s u l t s t h em o d e l i n go ft h ee n g i n e i sb a s e do i lt h em e a nv a l u ee n g i n em o d e l ，w h i c ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e s p e c i f i e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d y n a m i ce n g i n et e s tb e d ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t e s ta n da p p l i c a t i o n ， m o d e l i n g i l l 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丝李盎日期丝6 ：缈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：盔垒季虹导师签名：车! 生日期越芏：攀 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理j = 大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题的题目：汽车动力装置动态试验台建设与应用研究 课题来源：校“2 1 1 ”工程的“新能源电动汽车关键技术”项目 1 1 2 课题研究的背景 为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业的竞争力，国家 从战略的高度重视电动汽车的研究及产业化工作。以多能源技术为特征的混合 动力及燃料电池电动汽车的开发与应用将推进汽车技术的跨越式发展，同时， 也将推动我国国民经济的可持续发展。 以新能源技术、新材料技术、信息与控制技术应用为基础，多能源、机电 结合、智能控制为特征的电动汽车技术是对传统汽车技术的重大突破。电动汽 车多能源动力系统及其控制技术是电动汽车的核心技术，也是电动汽车区别于 传统汽车的本质所在，它是实现电动汽车节能与环保的关键。 为了进行多能源动力系统机电耦合方案的分析及单元技术特性的研究，建 立多能源动力系统零部件动态模型及数据库；研究车载能量管理策略及动力系 统控制策略；开发多能源动力系统仿真软件及仿真试验系统，形成多能源动力 系统仿真技术平台；建立基于动力总成动态试验台的多能源动力系统试验开发 系统，掌握e c u 软件匹配标定技术，进行电动汽车的机电特性、控制特性、行 驶性能及可靠性的试验研究，形成电动汽车的试验与评估系统，我校设立了“2 1 1 工程”重点学科建设项目“新能源电动汽车关键技术”项目，购置了大型设备 “汽车动力系统动态试验台”，利用该试验台可对内燃机在动态工况下的性能特 性，控制策略进行测试和优化研究，对电机的动态性能进行测试研究，并基于 此试验台对车辆、道路及驾驶员的模拟功能，集成车用混合动力总成、混合动 力汽车及纯电动汽车的台架测试系统。试验台的建设和如何利用其对汽车动力 武汉理工人学硕士学位论文 系统动态性能进行测试研究就成了必须研究和解决的基础性问题。 1 2 汽车及其动力装置动态性能及其研究意义概述 汽车在起步、升档、降档、制动、加速、减速等过程中，发动机不能达到 稳定工况的力平衡与热平衡，发动机处于动态工况，汽车的传动系统各个元件 也处于受力不平衡，即运动状态不断变化的动态过程。 发动机的动态工况是相对于稳态工况而言，就是发动机的转矩、转速或油 门度中的任意一个量或多个量处于变化过程时所处的工况。当车辆在道路上行 驶时，即使是在高速公路上巡航行使时，发动机的负荷和转速等参数也处于变 动状态，因此动态工况占整个运行工况的6 6 一8 0 【l ，2 】。发动机在动态工况下 所表现出来的性能特性叫发动机的动态特性。评价汽车发动机的性能在很大程 度上是基于其动态特性的。在动态工况下，缸内的任意瞬时的状态与对应的稳 态情况大不一样，动态过程中的燃烧放热规律与稳态时也大不一样【3 1 。为了改进 这一过程的特性，尤其是与排放、燃油消耗和驾驶性能相关的性能，需对发动 机的动态特性进行深入的研究。研究的目标是整个发动机系统的响应，各子系 统和发动机的管理系统以及其从属的各个部分的相互作用，以达到控制策略和 各部分之间工作时的协调优化，实现最佳性能。在研究过程中需要能够多次再 现同一条件下的动态燃烧特征，这只有通过特别的动态测试才能得到。 对汽车而言，在道路行驶的过程中，由道路状况的不断变化造成的行驶阻 力和和车速的不断变化，汽车的部分运动元件的传动关系需要产生变化( 如加、 减档过程1 ，传动系统也存在一个动态的协调过程，同是还存在机件的振动，对 汽车行驶的平顺性、驾驶的方便性以及零部件的磨损带来一定的影响，也是需 要研究的问题。 车用混合动力装置中如何根据电机和发动机各自的特性使两者在混合动力 系统中达到协调配合，以取得最佳的经济性和排放性能的问题得到了广泛的研 究。一是要优化发动机与电机的能量管理策略及传动匹配；二是并联混合动力 系统在各个工作模式切换过程中有可能造成发动机和电机的目标转矩突变，需 要研究在发动机和电机达到各自的目标转矩之前，如何控制发动机和电机协调 工作，从而保证发动机和电机输出的转矩之和不产生较大的波动，并符合驾驶 员对驱动转矩的需求，满足车辆的动力性和驾驶舒适性1 4 。以上两个方面是混合 2 武汉理上大学硕士学位论文 动力系统研究开发中必须解决的两大关键性问题。这实质上是如何实现发动机 与电机动态协调地工作，使混合动力汽车获得最佳的动力性、经济性和排放性 能的问题。 上述问题的解决需要有一个能够再现汽车在实际道路上行驶状态的动态测 试平台。车用动力装置动态性能试验台架的建立可以为以上各种问题的解决构 建一个高效、实用的研究开发平台，具有重大的现实意义。 1 3 汽车动力装置动态性能测试方法及其特点 1 3 1 传统的测试方法及存在的问题 传统的动态性能试验主要采用的方法有： 车辆置于底盘测功机，带有换档和踏板执行器； 车辆置于底盘测功机上，用驾驶员驾驶； 实地驾驶测试。 传统的动态性能测试方法不具有可重复性，由环境和操作人员引起的误差 大，且需要整车才能测试，限制了测试的灵活性。传统的测试方法也不可能实 现在没有车辆的情况下对车用动力装置的动态性能进行测试和优化，也就不能 实现发动机与车辆的同时开发，大大增加了发动机与车辆联合开发的时间。 1 3 2 虚拟加实体的模拟测试方法 为了研究汽车及发动机的动态特性，已开发出了更先进的动态试验台，即 虚拟加实体的模拟动态测试系统。具有代表性的有德国申克d a n y s 3 系统、西门 子c a t 系列、奥地利a v l 的p u m a o p e n 系统、日本小野测器等公司的产品。 近年来中国引进了这些公司的产品。上述试验台普遍采用交流电力测功器作为 加载装置，有较好的综合性能，但价格昂贵，控制复杂。为了开发低成本的发 动机动态试验台，英国、日本及中国在这方面进行了探索，采取电涡流测功器 与发动机直接相联的型式，取得了一定的成绩，但由于电涡流测功器具有不能 倒拖发动机等性能的局限，使得模拟精度的提高和实际应用受到限制。现将目 前得到很好应用的虚拟加实体的模拟动态测试系统的特点介绍如下。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 系统的所要实现的功能： 动态测试代表了最成熟的发动机测试技术。这种测试模拟整个驾驶车辆系 统，如驾驶员、离合器、刹车和汽车的变速。驾驶员和车辆的特性通过模拟达 到实际情况来提供给测试台架上的发动机( 见图1 1 ) 。这通过与发动机相连的， 可以对发动机进行驱动和制动的异步电机来实现。 实际道_，所需参数 、发动机动态 路行驶旷一7 或设置少一、 试验台架 图1 - 1 发动机动态测试系统实现的功能 极短的控制响应时间是模拟完整的车辆特性所必须的，也是动态测试台最 重要的特性之一。 变速器参数，转矩转换，动力系统的刚度和惯量，车辆质量和空气阻力系 数，能被随意修改，以确定它们对给定驾驶循环的主要的工况( 负荷速度) 点 的影响。研究给定车身和发动机的合适的变速比是另一个优化所开发的汽车的 性能和排放的途径。通过简单的修改模拟模块中的驾驶员、车辆和动力系统定 义参数，动态测试台就可以检验发动机与车辆是否匹配。 对整车的模拟使不能用于实际汽车的仪器或用于实际汽车费用很高的仪器 均可使用。实验室环境也可以提供很高的精确度和测试结果的可再现性。对处 于开发中的车辆部件，如车身、传动系、车轮、变速器，可以使用特定的发动 4 武汉理工大学硕士学位论文 机进行优化。因为同时可以开发车辆部件，使得开发时间大为降低。发动机及 其它的车辆元件可以同时在模拟的车辆中进行开发。 2 测试系统的优点 发动机动态试验台通过加载装置可模拟发动机在实际运行过程中的多种受 力状态，在发动机开发的早期，无需装车就可对发动机的特性进行全面测试， 为发动机的测试、研究和开发提供了强有力的手段。它可以通过对发动机负载 的任意的改变来实现对发动机动态性能的评价和优化。它主要的优点有： 在早期的开发阶段就进行实际的负载测试； 发动机不必装在汽车上； 发动机测试装置非常易于安装： 测试的可重复性； 降低了道路状况和驾驶员行为的影响； 对所有不同的驾驶和车辆行为都能进行模拟； 法定的测试循环( 如f f p 7 5 测试循环) 可以在发动机测试台上进行； 以上的优点可以降低开发的成本； 实现发动机与车辆的同时开发。 3 系统的基本的组成及原理 如图1 2 示， ( a ) 是发送命令和操作部分。其中已经设置了驾驶的方式和各种参数。 ( b ) 是计算和控制部分。使用以实时为基础的虚拟车辆计算动态载荷。另外， 通过发动机曲轴的反馈转矩来控制测功器，以校正转矩传送的错误。 ( c ) 是系统的硬件部分。发动机与测功器通过玻璃纤维制造的传动轴连接， 该轴用来传递转矩。曲轴的末端是控制点，此处安装了个高刚度的转矩测量 计。测功器是在驱动和制动工作状态均能正、反向旋转的高动态交流测功机， 且它的转动惯量与发动机基本相同。这样可以适应倾斜的加速率并且对发动机 的加减速状况能产生充分的响应。 硬件的配置还包括用来保证高响应性和高精度的传感器。虚拟车辆及其控 制由目前迅速发展的数字模型技术来实现，因此车辆的负载和系统的变速器特 征能够任意改变。硬件和软件通过数字信号处理器( d s p ) 结合来实现实时评价。 武汉理t 大学硕士学位论文 图1 2 系统的结构图 虚拟车辆能将传动系的振动、底盘的振动等动态特征通过模型再现出来， 考虑到实时性的方面时，计算机的采样频率至少为1 k h z 以上。 行驶阻力是速度的函数，动态阻力由动力学方程来表示，该方程含有瞬时 转动惯量、扭转刚度和阻尼常数f 5 】。 1 4 汽车动力装置动态性能测试应用 1 电控发动机动态标定和控制策略优化 常用的电控发动机e c u 中使用的是稳态脉谱图和一个前馈的发动机标定路 线。然而实际的驱动中很少有稳态的工况，e c u 的控制功能应该针对发动机的 动态特性( 如对负载变化的响应及加减速参数) 来定义，并从控制策略上进行必 要的改进，如空燃比p i d 控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。这 些参数必须由代表真实驾驶情况的动态测试来验证【6 ，邵, 9 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 排放测试与研究 排放测试循环的显著特点就是包含了发动机的动态运行工况，但目前它的 目标也只是测量特定工况组合的排放成分的累计质量，这不能显示特定的排放 物是在发动机循环的什么状态下生成的。如果不对发动机的各个部分在动态工 况下的特性进行详细地了解，对发动机的排放性能进行优化是很困难的。 采用虚拟加实体的模拟动态测试方法，可以在车辆还处于试验测试阶段甚 至还没有车辆时就对发动机的排放特性进行研究。前、后催化抽样处理装置， 稀释测量和分析模块都可以安装在测试台上，因为所有的发机元件都可以方便 地接上。 这种发动机测试台加上c v s ( c o n s t a n t v o l u m es a m p l i n g ) 和排放分析仪，使 任何的发动机验证测试均可以进行。因为原来的验证只能在底盘测功机上进行， 一些测试规范也是针对底盘测功机的，所以在动态测试台上的排放测试不需要 遵守原来的规范。这样有助于在汽车的开发阶段就通过在发动机测试台上模拟 车辆和底盘测功机，而达到对排放测试结果的精确预测。这种测试考虑了冷起 动特性，比如e g r 、二次空气喷射或催化热处理器等排放控制装置的调整f 埘。 3 建立发动机的动态工况模型( 及虚拟发动机) ，并利用虚拟发动机来帮助 开发发动机的控制管理系统( e c u 及其软件) 【1 1 ，1 2 】。 4 并联混合动力系统中发动机与电机联合工作时存在工作状态的切换和 协调运行，由于内燃机与电机的动态转矩响应特性存在较大的差异，在两者共 同工作达到目标转矩时，需根据两者的转矩输出特性进行协调控制，这必需要 预先实验测得发动机与电机的动态转矩响应特性，并对发动机的转矩进行在线 估计，以获得实时转矩值。因此要对发动机进行动态测试、研究，这是控制实 现混合动力系统协调平稳工作的基础1 1 3 , 1 4 。 同时在未有车辆的情况下可在动态测试台架上实现混合动力系统在实车行 驶工况下运行的性能测试和优化检验和改进控制策略和算法及各零部件性能。 5 涡轮增压内燃机的增压器与发动机的动态匹配、结构优化时需要进行动 态测试，以尽可能实现在全工况运行范围内获得良好的性能 1 5 ，1 6 l 。 6 在样车制造前对汽车的动力性和燃油经济性进行预测，进而找到能与所 选的发动机合理匹配的传动系统，缩短什么系的试验费用和设计周期。 7 对变速器等汽车传动系部件进行动态测试。 总之，通过动态试验台可以实现发动机在装车道路行驶工况下的运行性能 研究，这样更接近于发动机真实的使用情况，大大的方便了发动机性能优化和 武汉理工大学硕士学位论文 与实际车辆的匹配优化。 1 5 本课题的研究目的、意义和主要内容 课题研究的目的是建立汽车动力装置动态试验台架，掌握试验台的使用方 法和试验台与各种被测汽车动力装置的接口的安装方法。模拟实际车辆和驾驶 行为对车用动力装置进行加载，测试和研究发动机与车辆联合运行时的动态特 性；研究对混合动力系统中的发动机、电机动态性能进行测试、分析和性能评 估的方法，对发动机和电机运行性能进行测试和动态建模仿真。 课题研究的意义在于为混合动力系统及其它各种车用新型动力装置建立一 个测试、研究和开发的平台，为实现我校“2 1 1 ”工程项目：“新能源电动汽车关 键技术”打下坚实基础。 研究的主要内容是：( 1 ) 分析a v l p u m a o p e n 动态试验台的系统构成，掌 握系统的软硬件组成及工作原理，为系统的使用和系统与各种测试设备的集成 打下基础。 ( 2 ) 设计发动机动态试验台架的热管理系统，满足发动机测试中的水温和 机油温度的要求，确保试验的顺利进行和测试设备的安全。 ( 3 ) 研究汽车动力装置动态性能试验方法，包括使用p u m ao p e n 系统进 行发动机测试的参数设置方法，以及模拟道路、车辆及驾驶员产生实际道路负 载加于发动机飞轮端的方法。 ( 4 ) 研究利用动态试验台架进行车用混合动力总成及混合动力汽车开发的 方法，设计电机及混合动力系统试验台架的建立方案并进行电机性能试验。 ( 5 ) 在动态试验台架上研究发动机的动态转矩输出性能，研究发动机动态 建模方法，并建立发动机的动态转矩输出模型。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a v l p u m a o p e n 汽车动力 动态试验台的系统构成分析 汽车动力装置动态试验台架系统总体上主要由测功机系统、控制系统、测 试系统、自动化操作系统四个子系统构成，各个部分之间相对独立又相互关联， 形成一个有机的整体。系统使用了模块化设计的思想【1 7 1 ，其结构可示意图如图 2 - - 1 示。下面以a v lp u m ao p e n 系统为例分别分析各个组成部分的结构及功 2 1 测功机系统 图2 1动态试验台架的组成 在测试台上测试发动机需要模拟发生在行驶道路上的负载。测功机以转矩 的形式给发动机加载，由此来研究发动机的特性。当今的车用内燃机的研究开 发对测试的要求已不再是稳态的试验，无论是经济性，还是排放性能，都要求 现代内燃机具有良好的动态特性，也就是在可重复的状态下改变负载时的响应 ( 即瞬态特性) 。尤其是为了缩短开发周期和满足严格的排放法规的要求，采用 了高动态试验台。这对测功机的性能提出了很高的要求，见表2 1 。 9 武汉理工人学硕士学位论文 高动态 动态( 瞬态或准动态) 稳态 速度变化率( d n d t ( r p m s ) 、 6 0 0 02 0 0 0 转矩调节时间( m s l 2 0 5 0 1 0 05 0 0 换档时间( s ) 1 0 h z l 不能 动态测试代表了最成熟的发动机测试技术，p u m a0 1 ； e n 系统采用的是 a p a l 0 0 系列三相交流电力异步测功机来模拟驾驶、制动、离合器、和发动机的 换档。这项任务不仅要求测功机具有高的动态响应能力，还要能够起动发动机 来模拟减档和下坡行驶状况。异步测功机在整个转速范围内可进行四象限运行。 四象限运行含义是作为驱动和制动正、反向旋转。运转恢复的电能可以转化成 固定速度下产生的电能频率，从而实现电能向电网的回收。 它采用双极绝缘栅场效应管技术和电流失量控制来提高产品的动态技术性 能，系统周期非常短，恒功率运行时，转矩响应时间小于2 7 m s ，其中转矩响应 最快时只有5 m s 左右，而且可以做到无振动转矩转换，可模拟零转矩、零转动 惯量和恒转矩。该测功机的转矩特性曲线如图2 2 示。 一 、 t、 | ， r 1 、 、i 1 、 - - 2慕 、 飞 i 1 挈 迤警 警 ； 瞬时转矩 一转矩 图2 2 一瞬时功率 一功率 测功机的性能曲线 1 0 转速 r p m 蚌 懈 广1 f 舌 。 。 n 蛊u 捌寺皋 武汉理工大学硕士学位论文 p u m ao p e n 动态试验台不带振动质量系，由测功机配合相应的软件 ( i s a c 4 0 0 ) ，用电模拟方式模拟车辆的转动惯量和平移惯量，可以通过软件迅 速调节，从而满足了高动态的要求。所以能实现对车辆行驶过种中的道路阻力 进行模拟。 测功机和相应的控制软件在模拟各种相对于发动机的阻力或驱动力时，其 显著的特点是对各种质量元件的惯量的精确模拟，只有这样才能准确地再现各 元件在加减速过程中的受到的惯性力，从而实现动态模拟功能。图2 3 表示出 了汽车上各种需要模拟其惯量的元件。 卜一车辆模块输入 图2 3 模拟的车辆模块 需要模拟的惯量及阻尼元件 图中，a f ：附加的飞轮，g i ：变速箱的输入惯量g o ：变速箱输出惯量，g w ：传动轴、 主减速器及车轮驱动半轴惯量，i g ：变速器传动比，i h a * 主减速器传动比，i g e s 总的传 动比。 测功机通过r s - - 4 8 5 与控制台进行数据传输，传输的最大频率可以设置至0 1 5 m b a u d 。数据交换的周期为2 m s 。系统的建立、维护和诊断通过r s - - 2 3 2 接 口和p c 软件实现。 蒯辅 书聋葬 研l i世| | | 廿l 嘌黼k r 哐 啄瓣 m 叩j 合飞 一 甜 一离加 一 发动机 一 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 控制系统 测功机的灵活性依赖于恰当的测试台架控制方式。控制器要满足异步测功 机的动态、稳态、瞬态测试，包括下坡行驶的操作。为了能够进行动态测试， 控制器必须与道路模拟负载( i s a c 4 0 0 ) 软件一起协同工作。此软件用来模拟车 辆所受到的所有的力，并将它们在发动机的接口端( 通常是飞轮) 再现出来。 动态试验台的整个控制和测试系统设计力求使控制和测试系统具有综合、 计算和判断等能力，做到精确控制、快速调节、大量数据运算、联网、能与c a d 、 c i m 系统耦合( 尤其适用于企业网络系统) 使得试验研究结果产品化。主要使用的 控制器有发动机转速、转矩控制器，测功机转速、转矩控制器，车辆的各档车 速控制器等，这些控制器参数的调整均可在线进行，使系统在闭环状态下跟踪 设定值时的调节更加方便灵活。 试验台采用闭环控制的方式。这种控制方式的一个主要难点是内燃机试验 台对内燃机速度和转矩的耦合是非线性的。通过采用高精度的数字控制操作系 统，补偿了内燃机特性曲线功能，因而可减少非线性失真，使内燃机速度和转 矩耦合接近线性化。 系统除了用于发动机、测功机控制的各种控制器外，还给出了两个p i d 控 制器和两个2 3 - - p o i n t 开关量控制器供用户使用，可以方便地通过i o 口实现对 需要控制的设备的控制。 在测试过程中，控制系统具有大量数据采集处理、实时监控、人机对话操 作、原始数据存储、动态分析等功能，如对转矩、转速、油门开度等现场参数 变化的响应和处理，通常能达到u s 级的水平。 p u m a o p e n 的p c 系统控制主板采用m o t o r o l aa t 6 8 0 3 0c p u ，该c p u 具 有浮点运算功能，在其上运行实时操作系统( p u m ao p e n 系统中使用的是名叫 i n t i m e 的实时操作系统) ，既具有p c 的特点，也具有实时处理数据的功能。主 板上有六组r s 2 3 2 接口和三个1 0 m b a u d 的r s 4 2 2 接口。快速前端模块就是与 1 0 m b a u d 的接口连接【1 8 l 。 试验台架控制计算机是所有台架装置的中央联络中枢。在操作键盘及功能 键盘上，操作命令及设定值用手工输入。因此操作程序自动地控制和监控周围 的设备( 试验台架技术) 、测功器及试件，采集测量数据，并且除了测量值的预处 理外，也进行台架状况的显示及传送。 武汉理工大学硕士学位论文 试验台架控制和测试计算机承担以下任务： ( 1 ) 自动执行测试程序； ( 2 ) 选择测试程序及在线操作时与用户对话及对所有参数修正； ( 3 ) 试验台架与台架外围设备的控制通过一个受控的人机对话接口在屏幕和 功能键盘上完成； ( 4 ) 同时采集存储所有测量数据； ( 5 ) 在测试过程中或测试程序结束后，完成所有的计算，以数字和图像形式 处理测量数据； ( 6 ) 测试过程的监控。为了保护试验用机免受损坏，应将下列测量值控制在 允许的界限内，检测时间间隔可以任意设定，一般可设为：冷却水出口温度、 润滑油温度、润滑油最低压力、进气管压力( 或增压压力) 2 0 0 m s ，转速、转矩2 0 m s 。 ( 8 ) 测量数据传送至上位计算机，以及从上位计算机接收测试程序的要求； ( 9 ) 报警。实测值达到所设定的边界值时，可以设定不同的响应方式，有声 音报警、发动机转入冷运行和停机等，比如可设定实际值达到了设定第一级边 界值，系统发出声音报警，如果超过了第二级边界值，控制计算机关闭试验台 架。 参数、测量数据及测试程序储存在硬盘上。试验结束后，测量数据传送至 上位计算机， 图2 4 系统主板结构 为了系统的可扩展性和可持续性，采用了“开放”的控制和测试系统结构 武汉理_ 大学硕士学位论文 形式，即纵向方便升级，横向方便扩展的结构体系。系统采用了c a n 总线的接 口，使用时需要选购a v l 的c a n 接口卡。 p u m a o p e nc a n - b u s 接口特征如下： 高频率( 最高达1 0 0 0 h z ) 。 易于参数化( p u m a 中用a s a p 2 文件) 。 实时性和高的传输可靠性。 多主机结构一一网络的每个部分都可作为主机使用总线。 标准化和宽广的可扩展性。 以很低的成本实现不同厂家的器件的连接。 c a n 在p u m a 中的功能： 从e c u t c u 中记录和存储数据。 提供p u m a 的数据给发动机电控系统。 通过e c u 内部的参数值控制测试程序的运行。 通过p u m a 或发动机电子系统进行闭环控制。 使用p u m a 的实时公式、描述和测试程序模拟车辆网络节点。 图2 5 显示了c a n b u s 在p u m a o p e n 中的结构。 图2 - - 5c a b b u s 在p u m a o p e n 中的结构 1 一c a n p c i 卡，2 一发动机控制单元，3 一传动系控制单元，4 一可编程逻辑控 制器，5 一终止电阻器( t e r m i n a t i o nr e s i s t o r s 节点) ，6 一传感器 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 最多可能8 个独立的c a n 系统连接到p u m a 系统中，每个网络可以有各 自独立的运行速度、协议和c a n 类型。( 即各个网络之间并行工作) p u m a o p e n 测试台软件包括许多用于发动机测试台控制的不同功能。各种各 样的控制功能分别由p u m a o p e n 测试台软件特定的部分来实现。 图2 - - 6 p u m a o p e n 中c a n 需要的参数模块 2 3 数据测试与采集设备 测试设备除了油耗仪、烟度仪、漏气仪、空气流量计、各种温度、湿度和 压力传感器等常规的试验所必需的试验台架的基本配置外，根据试验的目的可 以添置其他试验设备，试验台架的计算机控制系统有足够的通道以供不同的测 试设备的数据通讯。对于发动机的动态性能测试，最重要的测试设备是排气和 燃油消耗的动态测试( 如用a v l 7 3 3 s 动态油耗仪，测试频率可达到1 0 h z ) 。对 排放测试要有动态的c v s ( 定容采样系统) 系统。为了实现数据的高速采集与 通信，p u m a o p e n 系统中采用了一组快速前端模块【1 9 】，它们的性能特点分别如 下。 f f e m a i f ( f i r e w i r e - f r o n te n dm o d u l e a n a l o gi nf a s t ) 用于模拟量采集，以 最高5 k h z 的频率采集电流或电压信号( 有1 6 个通道) 。 t h ef f e m - a i s ( f a s t f r o n te n dm o d u l e - a n a l o gi ni s o l a t e d1 ，它与f - f e m a i n 的主要区别是它带有信号电流隔离，可以以最高2 0 0 h z 的频率采集电流、 电压、阻力、湿度和压力。 武汉理工大学硕士学位论文 f f e m c n t ( f a s tf r o n te n d m o d u l ec o u n t e ri n p u t ) ，用于测量速度、频率、 周期和事件。 t h ef - f e m d i o ( f a s tf r o n te n dm o d u l ed i g i t a li no u t ) ，用于输入和输出数字 信号，信号不能直接输入到p u m a o p e np c ，而要通过f f e m d a c , f - f e m c o n ， f f e m c n t 再输入p c 机。 f f e m d a c ( f a s tf r o n te n dm o d u l ed i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r ) ，用于数模转 换和模拟信号输出，带有一个接口可以与f - f e m d 1 0 相连，可以直接转换并输 出信号到p u m a o p e np c 或外设。 f - f e m c o n ( f a s t - f r o n te n dm o d u l ec o n t r o l l e r ) ，快速前端控制器。通过它， 操作者可以获取转速、频率、周期、实时事件，并输出需要的电流、电压、频 率和数字信号值，用于控制想要控制的设备。 以上模块都通过i e e e l 3 9 4 通信接口与p u m a o p e np c 机进行通信，保证了 通信的高速性。 2 4 自动化操作系统 自动化操作系包括由动态控制和高精度数字控制操作系统、汽车行驶模拟 操作系统在内的软件系统及各种手动控制按钮和旋钮，它将复杂的实际系统测 试运行过程隐藏在后台，通过友好人机对话界面实现对系统参数的设定、修改 和在线监控；实现对测试程序的编辑编译，运行控制；实现测试可重复性；实 现对测试数据的存放、显示、打印及计算处理。 动态试验台架计算机软件系统的设计以控制和测试软件实时化、用户界面 图形化为主要特点，a v l 公司的p u m ao p e n 采用w i n d o w s 2 0 0 0 的操作环境， 具有动态数据交换、网络通道、实时数据库等功能。试验人员在w i n d o w s 所提 供的直观、形象、易学、易用和友好的界面上，可以轻松地调用功能菜单，利 用软件中提供的编程工具，加上汽车及作为动力的内燃机的相关的计算公式编 制满足试验任务要求的试验程序，选择手动、半自动或全自动试验方式执行试 验任务。终端显示的各种数字及模拟量都可根据用户的需要任意改动。 软件本身提供p i d 算法控制，用户可实时监测试验状况和测试结果，随时 调整p i d 参数，通过将控制参数值反馈到输入端的比较控制器上，与设定值或 可修正变量进行比较，以达到精确控制的目的。其扫描频率可以达到1 2 8 h z 以 上，因而具有足够高的响应速度。 武汉理工大学硕士学位论文 软件可以提供强大的图像实时跟踪处理功能，试验人员可在所定义的窗e l 里实时跟踪控制参数f 如转矩、转速、润滑油压力等) 的变化情况。用户还可根据 试验需要修改图像x y 坐标的设置以获取所需的图像输出。另外通过绘图软件， 在对试验数据进行处理后可绘制各类内燃机特性曲线或脉谱图。 内燃机试验所需的各种仪器( 如油耗仪、空气流量计等) 的信号经过处理后都 可进入系统进行操作、显示及计算输出。为避免干扰信号，系统采用i e e e l 3 9 4 接口联接，实现数据高速传输。 软件系统的主要特征除了具有动态控制和高精度数字控制操作系统，还有 汽车行驶模拟操作系统。模拟操作系统的功能是对车辆行驶状况的模拟功能。 动态试验台架模拟的目的是使内燃机在输出轴上达到在道路行驶状态下车辆施 加给发动机的负载特性。动态试验台架上模拟道路试验时也需要模拟汽车在道 路上行驶时的实际牵引力以及从飞轮到驱动轮这一套驱动设备，驾驶员则