（光学工程专业论文）汽车手动变速器测试试验台加载控制系统的设计与研究.pdf

摘要 本文首先从手动变速器试验台的研究现状和发展背景出发并对现今市面上 的几种测功机进行了比较，然后得出了交流变频技术的优越性，从这个研究方 向进行了一系列的论证与分析，整体设计了一种利用交流变频技术进行加载的 变速器试验台。 文章中首先对手动变速器性能测试试验台基本结构与布局进行设计。通过 对几种测功机的比较，采用能量回收率高的电力测功系统为本文的主要研究内 容，并详细的分析了异步测功方案与同步测功方案，最终确定加载方案。 然后研究了直流电机的数学模型和直流电机调速理论，然后仔细分析了交 流电机的数学模型，通过比较引出了矢量控制理论中的矢量控制思想，根据矢 量控制思想中的坐标变换方法，最终得出了基于转子磁链控制的矢量控制方程， 利用该方程对矢量控制的原理进行了详细的分析。 接着对p i d 控制器的原理进行了简单的介绍，阐述了几种不同的p i d 控制 参数整定方法，最后选择了传统的p i 控制器，并且利用随机数直接搜索法对p i d 控制器参数进行整定，随后根据整定的参数设计了转速和转矩闭环调节器。 最后根据之前对矢量控制理论的分析结果然后结合汽车变速器试验台加载 控制系统的原理，再加上上文设计的转速和转矩闭环调节器，利用m a t l a b 软 件对变速器试验台加载控制系统的进行了仿真设计，并重点对正拖和反拖曲线 进行了分析。 关键词：手动变速器；交流变频技术；矢量控制技术；p i d 控制器；m a t l a b a b s t r a c t t h ed e p a r t u r ef r o mt h et r a n s m i s s i o nt e s tt a i w a n ss t a t u sa n dd e v e l o p m e n t b a c k g r o u n da n do nt h em a r k e tt o d a ys e v e r a ld y n a m o m e t e rw e r ec o m p a r e d ，a n dt h e n c o m et ot h es u p e r i o r i t yo ft h ea cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yf r o mt h er e s e a r c h c a r r i e do u tas e r i e so fd e m o n s t r a t i o na n da n a l y s i s ，t h eo v e r a l ld e s i g no fa na c v a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yf o rl o a dt r a n s m i s s i o nt e s tb e d f i r s to fa l lt h ea r t i c l ed e s i g n st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dl a y o u to ft h em a n u a l t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m c o m p a r i s o no fs e v e r a ld y n a m o m e t e r s ，u s i n g t h ee n e r g yr e c o v e r yr a t eo fh i g h p o w e rt e s t i n gs y s t e mf o rt h em a i nc o n t e n t so ft h i s a r t i c l e ，a n dad e t a i l e da n a l y s i so fa s y n c h r o n o u sd y n a m o m e t e rp r o g r a ma n d s y n c h r o n i z a t i o nd y n a m o m e t e rp r o g r a m s ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e st h el o a d i n g p r o g r a m t h e n , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed cm o t o ra n dd cm o t o rs p e e dc o n t r o l t h e o r y , a n d c a r e f u l a n a l y s i s o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea cm o t o r , t r a n s f o r m a t i o nm e t h o do fc o m p a r i s o nl e a d st ot h o u g h tc o n t r o lv e c t o ri nt h ev e c t o r c o n t r o lt h e o r y , a c c o r d i n gt ot h ec o o r d i n a t e so ft h ev e c t o rc o n t r o lt h o u g h t ，a n d u l t i m a t e l yh a v ec o n t r o lb a s e do nr o t o rf l u xv e c t o rc o n t r o le q u a t i o n s ，t h eu s eo fa d e t a i l e da n a l y s i so ft h ee q u a t i o no nt h ep r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r 0 1 t h e nas i m p l ei n t r o d u c t i o nt ot h ep r i n c i p l eo ft h ep i dc o n t r o l l e r , d e s c r i b e d s e v e r a ld i f f e r e n tp i dc o n t r o lp a r a m e t e r st u n i n gm e t h o d ，t h ef i n a lc h o i c eo ft h e t r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e r , a n dd i r e c ts e a r c hm e t h o d su s ear a n d o mn u m b e ro nt h e p a r a m e t e r so ft h e p i dc o n t r o l l e rt u n i n g ，a n dt h e ns p e e da n dt o r q u ec l o s e d - l o o p r e g u l a t o ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et u n i n gp a r a m e t e r s t h e nas i m p l ei n t r o d u c t i o nt ot h ep r i n c i p l eo ft h ep i dc o n t r o l l e r , d e s c r i b e d s e v e r a ld i f f e r e n tp i dc o n t r o lp a r a m e t e r st u n i n gm e t h o d ，t h ef i n a lc h o i c eo ft h e t r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e r , a n dd i r e c ts e a r c hm e t h o d su s ear a n d o mn u m b e ro nt h e p a r a m e t e r so ft h e p i dc o n t r o l l e rt u n i n g ，a n dt h e ns p e e da n dt o r q u ec l o s e d - l o o p r e g u l a t o ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et u n i n gp a r a m e t e r s f i n a l l y , b e f o r et h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so fv e c t o rc o n t r o lt h e o r ya n dt h e n c o m b i n ec a l g e a r b o xt e s tr i gl o a dc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r i n c i p l e c o u p l e d 、析t ht h e i i a b o v ed e s i g nt h es p e e da n dt o r q u ec l o s e d - l o o pr e g u l a t o r , u s i n gm a t l a bs o f t w a r e ， t h et r a n s m i s s i o nt e s tb e dl o a dc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nd e s i g n ，a n df o c u so nt h e p o s i t i v ed r a ga n da n t id r a gc u r v ea n a l y s i s k e y w o r d s ：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ；t h ea cv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g ；v e c t o r c o n t r o lt e c h n o l o g y ；p i dc o n t r o l l e r ；m a t l a b 1 1 1 武汉理工人学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着近年来国民收入水平的增长，我国国民对汽车的需求也在大幅度的增 长，因此汽车销量也在逐年上升，国家相关部门发布的关于2 0 1 0 年我国汽车产 量的统计数据为1 8 2 6 4 7 万辆，总销量的统计数据为1 8 0 6 1 9 万辆，同比增长均 超过了3 2 ，同时也超过了美国历史最高的1 7 0 0 万辆左右的销量纪录，刷新了 全球历史新记录，甚至超出了第二名的美国整整6 0 0 多万辆。2 0 11 年我国汽车 市场仍然处于平稳增长的时期，虽然受国际经济形势萎摩的影响我国困内的汽 车需求总量呈一定趋势的回落，但是汽车销量在全球范围内仍处在高位，2 0 1 1 年我国汽车产销量月月超过1 2 0 万辆，平均每月产销突破1 5 0 万辆，全年汽车 销售超过1 8 5 0 万辆，再次刷新了全球历史记录。据分析在未来1 0 2 0 年间我国 的乘用车任然会保持一个快速发展的趋势，并大胆的预测增长率可以达到g d p 增长率的1 5 倍左右。所以未来十年内汽车的需求总量仍是一个很大的数字，汽 车工业仍然处于一个良性的发展期。 对于整车制造商而言，一个典型的轻型车，变速器大概有着7 的制造成本。 对于消费者而言，变速器的好坏不仅与车辆的操纵性、经济性以及乘员的舒适 性有着很大的相关性，而且还很大程度上影响着车辆的可靠性。除此之外，汽 车变速器和发动机的匹配程度决定着整车的排放水平，燃油经济性以及整车的 操控性。 当前汽车上采用的变速器主要分手动挡和自动挡两大类，其中自动变速器 包括电控机械式自动变速器( a m t ) 、机械无级自动变速器( c v t ) 和液力机械 自动变速器( a t ) 。而机械式手动变速器的优点是传动效率高、能进行大扭矩传 递、易于制造且价格低廉，采用手动变速，汽车的制造成本相对于自动挡大大 降低。虽然目前市场上自动变速器越来越受到消费者的青睐，但是手动变速器 依旧是变速器市场的主力军，从图1 1 中我们就可以清楚的发现，预测直到2 0 1 2 年，手动变速器仍有着6 7 的市场份额，这个数值整整高出了自动变速器的一 武汉理工大学硕士学位论文 倍多。 黟。 7 p o + 啤肆+ 2 豸。雉； 炉每 2 l 阳它2 0 0 7 叠，2 嚎 图1 - 1 中国变速器市场发展预测 为了对手动变速器的性能进行系统的评价，并且建立科学的评价体系以及标 准。武汉理工大学汽车工程学院与上汽通用五菱合作，共同开发出一台手动变 速箱性能测试试验台，满足各种实验需求，总结实验数据，以此来指导和优化 手动变速箱的研发与设计。 1 1 2 研究意义 汽车变速器的开发与研究过程首先是要通过大量的理论分析与计算，从而 得出满足性能需求的结论，最后再根据这些结论进行生产活动。但是上述过程 存在不小的缺陷，这个时候就需要汽车试验来帮助对产品的样品进行前期的性 能试验，通过这一系列的试验来发现问题，再紧接着找到方法解决问题。由此 可见，汽车试验技术是汽车研发过程中必不可少的一个环节，它是汽车及其零 件在未出厂前，甚至在研发阶段的质量与性能保证。 根据国家相关的规定，新型的变速器在进行生产销售和质量评估等活动之 前，必须进行相关的性能试验，习惯上称之为型式试验。要想进行型式试验就 必须要有试验台，我们通常称之为变速器试验台，变速器试验台很重要的一个 部分就是它的加载机构，这个机构负责对被测变速器提供负载，这个负载就是 用来模拟被测变速器在实际工况下的各种运行状态的，本文的研究核心也就是 关于如何设计这个负载系统。 汽车变速器试验台的核心部分之一便是试验台的控制系统，控制系统的优 劣决定了试验的测试性能。通过对变速器试验台加载控制系统进行设计和研究， 不仅可以提高整个试验台的控制精度还能够研究在不同工况下的传动部件的加 2 紫凳 ，ll 武汉理工大学硕士学位论文 载状况，从而达到满足试验台的稳定性和安全性需求的目的。所以对变速器性 能测试试验台的加载控制系统进行设计和研究有着重要的意义。 1 2 汽车变速器主要检测方法及发展概况 1 2 1 汽车变速器主要检测方法 基本上所有的汽车变速器的检测方法分类是由负载形式的不同而决定的， 主要可以分为：无载荷试验、有载荷试验和全载荷试验等。三种检测方法的使 用情况和作用也个不相同，空载试验是用来检测变速器总成的装配好坏以及协 调各部件之间的配合，还能加强齿轮箱内齿轮的齿面强度，所以该试验通常是 在变速器总成装配完毕后来进行的。为了有效的控制变速器的质量，变速器检 测试验应该尽量的贴近变速器的实际使用状况，对变速器进行适当的加载试验， 由此就需要进行部分加载试验和全加载试验。 汽车变速器试验台上的加载装置十分重要，加载装置的选择决定了试验台 的试验好坏，目前市面上根据加载方式的不同可以大体的分为三类：机械加载、 液压加载、电加载。本文主要就是研究电加载试验台的相关技术。 1 2 2 汽车变速器试验台的发展概况 现如今国际上在汽车变速器试验台方面的研究成果可以称得上是日新月 异，目前国际上比较流行的变速器试验台的就要数机械能开放式试验台。目前 国内研发的一些比较有名的开放式试验台有：洛阳拖拉机制造厂的拖拉机变速 箱试验台，重庆汽车研究所的后桥开放式耗能型试验台等，长春汽车研究所的 驱动桥试验台。国内的这些试验台虽然能在试验中发挥一些作用，但是始终由 于各方面条件的制约，这些试验台都存在着控制精度低，动态响应慢，控制繁 琐死板，功能不齐全等等一些缺点，虽然能基本满足变速器性能试验的一些相 关要求，但是仍然处于相对落后的阶段。 所以为了从根本上解决依靠国外进口的现状，提高中国变速器的自行设计 和开发能力以及试验水平，振兴我国本土汽车行业，不仅要从理论知识方面提 升自己，更应当勇于开拓创新，提出不同于以往的新方案，设计与开发出满足 中国国情的低成本高性能的变速器试验台。近年来，随着科学的进步和相应技 术的日益成熟，国内一些汽车相关行业也在积极的研制一些更加先进的，性能 3 武汉理1 = 大学硕t 学位论文 更加优越的变速器试验台，并且已经取得了不小的成果。本文所研究目的就是 为了设计研发出一台控制精确，造价适中，并且可以模拟汽车行驶工况时汽车 变速器的实时负载，对变速器进行实时动态加载试验的手动变速器试验台，该试 验台的主要研究方向就是在于矢量加载控制系统的设计与研究。 1 3 国内外变速器加载试验研究现状 现目前国内的变速箱加载试验台主要可以分为开放式试验台和封闭式试验 台，其中封闭式又可分为机械封闭式和电封闭式。 由于技术限制我国国内的变速器封闭式试验台基本上采用的是机械闭式试 验台。而国外著名的布雷西亚变速器试验室、奥地利a v l 、美国宝克、德国申 克、依维柯汽车传动系统试验室等变速器疲劳试验台基本采用电封闭加载，全 都淘汰了传统的机械闭式加载试验台。 开放式加载试验台优点在于投资小，维护保养简便，可靠性高，所有常用 于有直流电机测功机、水力测功机或者电涡流测功机等的小功率场合，但其不 足之处是加载能量消耗率很高，导致其运行成本比较高。 机械封闭式试验台的工作原理是在一个封闭的传动系统中由一台电动机为 被测变速器提供动力，使其转动，当变速器中的齿轮转动时会产生一个反作用 力，这个反作用力会产生一个反作用扭矩，所以当提供动力的电机以一恒定的 转速运转时，从能量守恒的角度上来说驱动电机只需提供传动系统在转动过程 中产生的反作用力所消耗的能量就能达到平衡状态，所以提高系统的传动效率 就能减少系统的能量消耗，这样就可以看作是在一个封闭的机械传动系统中有 一个封闭的功率环流在内部运行，所以顾名思义称之为机械封闭式试验台。由 于这类型试验台可以减少能量消耗所以造价相对不高，但是加载装置结构复杂， 设备庞大，试件转速不能太高，确是其一大弊端，在要求发动机转速越来越高 的时代，这种试验台也逐渐被淘汰。 电封闭试验台是由控制部件、驱动电机、输入传感器、被试件、加载电机 等组成，其工作原理与机械闭式试验台类似，只是通过电网的装置电能替代了 功率流，也是在一个封闭的系统中运行所以称之为电封闭。电封闭试验台不仅 具有开放式试验台的结构简单，可靠性高的优点也结合了机械闭式试验台的能 源利用率和效率都很高的优势，而且还能够实现动态加载，但是造价昂贵也一 定程度上限制了其发展和应用。随着交变技术的日新月异的发展，使得电封闭 4 武汉理t 大学硕士学位论文 试验台技术应用更加的成熟，现如今经常使用的静止直流变流器取代了以往的 带动两台直流电动机( 一台负责给变速器提供动力，另一台负责对变速器进行 加载) 的直流发电机组，使原本的效率低，噪声大，加载慢的缺点得到很大改 观，不仅能源利用率大大提高，而且还能够实现并网，减少了对电网的污染， 这种静止变流技术还大大提高了加载的动态响应速度，越来越被更多的人所应 用。 1 4 本文研究的内容 1 ) 对手动变速器性能测试试验台基本结构与布局进行设计。 2 ) 比较了市面上常用的几种测功机的优缺点，选用了电加载方案，然后再 通过对直流电机和交流电机的详细比较最终确定了交流变频加载方案。 3 ) 首先研究了直流电机的数学模型和直流电机调速理论，然后仔细分析了 交流电机的数学模型，通过比较引出了矢量控制理论中的矢量控制思想，根据 矢量控制思想中的坐标变换方法，最终得出了基于转子磁链控制的矢量控制方 程，利用该方程对矢量控制的原理进行了详细的分析。 4 ) 首先对p i d 控制器的原理进行了简单的介绍，阐述了几种不同的p i d 控 制参数整定方法，最后选择了传统的p i 控制器，并且利用随机数直接搜索法对 p i d 控制器参数进行整定，随后根据整定的参数设计了转速和转矩闭环调节器。 5 ) 依据对转速和转矩闭环调节器的设计，加上对矢量控制原理的分析，利 用m a t l a b 软件对变速器试验台加载控制系统的进行了仿真设计，并重点对正 拖和反拖曲线进行了分析。 1 5 本章小结 本章主要讲述变速器主要的测试方法和试验台发展趋势以及国内外的研究 现状，从而引出了手动变速器测试试验台的开发的必要性及其意义。介绍了不 同变速器试验台的不同的加载方式，其中主要阐述了电封闭电机驱动加载的优 缺点和发展前景。下文将主要对电封闭试验台的相关技术进行分析与研究。 武汉理工人学硕j ：学位论文 第2 章手动变速器试验台总体设计 2 1 变速器试验台的结构设计 2 1 1 测试项目以及主要测试参数 主要测试项目以及测试方法如表2 1 ： 表2 - 1 测试项目及方法 序号测试项目测试方法 1变速器性能试验台架自动测试 2 变速器传动效率试验台架自动测试 3 变速器温升试验 台架自动测试 4变速器润滑试验台架自动测试，人工检查 5换捎齿轮齿端冲击磨损试验台架自动测试，人工柃查 6 静扭试验台架自动测试，输 j 端固定 主要的测试参数包括如下几个方面：1 变速箱输入转速，两输出转速；2 变 速箱输入扭矩，两输出扭矩；3 被测变速箱油温；4 试验台运行台时及累积台时 等。 测试参数的精度要求有：1 转速：控制精度士o 5 ，测量精度士o 1 ；2 扭矩： 控制精度士o 5 ，测量精度士0 1 ；3 油温：控制精度士5 ，测量精度士0 5 ( 0 2 0 0 ) ；4 台时：显示精度1 s ：5 转速差：控制精度士l r p m 。 2 1 2 变速器试验台系统配置方案 该试验台为满足f r 手动变速箱耐久试验的要求，采用三相交流电机平行驱 动的方式，驱动电机模拟发动机的动力输入，加载电机模拟负载的大小。为此 我们引用了s i e m e n s 矢量控制变频器来对两台电机进行驱动，这个变频器可以 独立控制两台电机的转速和扭矩，采用s i e m e n s 技术成熟、应用广泛的共直流 母线能量回馈电封闭驱动系统，使负载电机的发电能量经过直流母线回馈，效 率高，节约能源，且对电网无污染。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 驱动电机通过升速箱与被测f r 变速箱的输入端连接，满足被测变速箱对输 入轴功率、转速、扭矩的要求。系统配置独立的润滑油冷却系统，调节被测变 速箱的油温。自动换档机构可实现被测变速箱的远程换档控制，满足自动试验 工况的要求。高精度的扭矩传感器可实现被测变速箱输入、输出扭矩的精确测 量，满足效率试验等工况的要求。驱动电机和加载电机自带的转速传感器可实 现被测变速箱输入、输出转速的精度测量。 整个试验台主要分为四个系统，分别是：测功系统，自动化系统，机械系 统，介质供给系统，总体布局如图2 1 。 曰l = 兰- j 织弘 尊器 门 l 一- h o h 0 i l _ 0 图2 1 变速器试验台结构布置 搿砖皑乳辫幽翻_ - - - - ：! o j ! ： 蠢：l ： 2 1 2 1 测功系统 测功系统主要由装有内置编码器的驱动电机和负载电机，电机驱动柜，扭 矩传感器，动力电缆等组成。 驱动电机模拟动力输入，负载电机模拟负载，共直流母线驱动系统进行驱 动电机和负载电机的控制，扭矩传感器测量扭矩的大小。 驱动电机采用西门子高性能交流变频电机，主要参数如下： 1 电压等级：3 a c 4 0 0 v 5 0 h z ； 2 额定功率：1 2 0 k w ； 3 额定转速：2 0 9 0 r p m ； 4 额定扭矩：4 5 8 n 1 1 1 5 最高转速：6 5 0 0 r p m 负载电机也是采用西门子高性能交流变频电机，主要参数如下： 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 电压等级：3 a c 4 0 0 v 5 0 h z ； 2 额定功率：2 6 5 k w ； 3 额定转速：3 1 0 0 r p m ； 4 额定扭矩：2 9 3 0 n m ： 5 最高转速：4 5 0 0 r p m 驱动电机通过升速箱传动与被测变速箱的输入轴连接，从而满足被测变速 箱输入转速、扭矩的要求。升速箱的技术参数如下： 1 驱动功率：1 7 0 k w ； 2 传动速比：l ：1 5 ； 3 高速端最高转速：7 0 0 0 r p m 本系统的通讯采用的是目前工业系统广泛使用的利用工业双绞线进行联接 的最高传输速率能达到1 2 m b i t s 的p r o f i b u s d p 协议，该协议能有效的减少 工程的开发量和现场信号线的总量，从而节省了开支同时方便了维护和保养。 驱动系统使用的是能在直流母线上进行功率平衡的电封闭方案，能量从较 小的整流单元经直流母线流向驱动逆变单元，驱动电机带动齿轮箱；齿轮箱的 能量由发电机经由发电逆变单元送回直流母线供驱动逆变单元使用。从能量的 角度，外界只需要供应以上循环中由于机械摩擦和电子组件损耗而变成热量的 这部分能量就可以使系统运转，从而实现以下几个目的： 1 避免由回馈能量引起的谐波； 2 最大程度的利用能量； 3 由简单的系统结构带来的控制和维护的便利； 4 可以使能量的流向根据需要由控制来实现转换，即实现反拖的功能 5 在同等谐波的前提下降低成本( 如上游变压器的容量下降) ； 6 由于从电网提取功率极小，可以使用六脉动整流单元和普通变压器； 该方案包括以下部分： 整流柜( 制动单元可选) ； 驱动逆变柜：控制驱动电机的转速和扭矩； 发电逆变柜：分别控制两台负载电机的转速和扭矩，两者之问使用光 纤s i m o l i n k 同步，从而保证转速差、扭矩差的精确控制； 驱动逆变柜和发电逆变柜带有p r o f i b u s 通讯接口c b p 2 卡； 整流柜为直流母线供电，用于转变为电机的能量，可以用于多电机传动系 8 武汉理工大学硕上学位论文 统。逆变柜采用西门子m a s t e r d r i v ev c 变频装置，驱动逆变柜与驱动电机 自带的转速传感器构成转速闭环调节系统，精确控制驱动电机的转速；两台发 电逆变柜则分别与负载电机的转速传感器构成转速闭环调节系统，与扭矩传感 器构成扭矩闭环调节系统，精确控制负载电机的转速、扭矩、转速差及扭矩差。 两台发电逆变柜之间的转速同步和负载同步使用主从模式的s i m o l i n k 光纤通 讯方式实现，简而言之，光纤s i m o l i n k 驱动接口是用来在传动系统间快速地 交换数据的，并用共同的系统时钟周期来同步它们。玻璃或塑料制作的光纤可 用作传输线。s l b 电子板充当s i m o l i n k 系统变频器之间的接口，它既可作 为s i m o l i n k 发报机也可作为s i m o l i n k 收发器进行操作。 图2 - 2 西门子m a s t e r d ri v ev c 变频柜 采用h b m 公司的t 4 0 系列扭矩传感器，与驱动电机和负载电机的输出轴端 相连。 t 4 0 扭矩传感器是一种非接接触式的传感器、由转子和定子组成，转子随轴 旋转，扭矩以脉冲频率信号经定子输出，结构新颖、小巧，动态响应高，完全 可以满足本试验台的测试需求，所以选用该传感器。 、 本试验台选用的扭矩传感器技术参数如下： 输入轴的扭矩传感器： 1 额定扭矩：1 0 0 0 n m 2 额定转速：12 0 0 0 r m i n 3 超载能力：2 0 0 9 武汉理工人学硕j 二学位论文 4 破坏载荷：4 0 0 5 测量精度：士0 1 6 输出方式：频率6 0 士3 0 k h z ；电压输出：士1 0 v ； 输出轴的扭转传感器： 1 额定扭矩：5 0 0 0 n m 2 额定转速：8 0 0 0 r m i n 3 超载能力：2 0 0 4 破坏载荷：4 0 0 5 测量精度：士0 1 6 输出方式：频率6 0 士3 0 k h z ；电压输出：士1 0 v ； 2 1 2 2 自动化系统 自动化系统主要由操作台，u p s 电源，工控机，数据采集系统，过程传感器， 测试台操作软件，自动换挡机构等组成。 测控系统采用u p s 电源供电。测量及控制系统的网络图如图2 3 所示： ，a c 3 s a - 糖。t 1 2 l 图2 - 3 测量与控制系统网络图 操作台的用途是用于安装工控机及其它辅助设备，工控机中安装试验操作 软件，为操作工提供良好的操作环境。 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 整个测量系统、控制系统的供电均来自u p s 电源，技术指标包括： 1 输出功率容量：在线式、机架式1 5 0 0 w 2 0 0 0 v a ； 2 输出电压：a c 2 2 0 v 5 0 h z ； 3 失真度： 3 ； 4 输出波形：正弦波； 5 接口：d b 9r s 2 3 2 ： 6 输出连接： i e c 3 2 0c 1 3 ； 7 输入连接： i e c 3 2 0c 2 0 ； 工控机用于运行试验台操作软件，其配置包括： 1 配置：p 42 5 g 以上，2 5 0g ，2 gd r a m ，1 0 0 m b 1 0 m bp c i 网卡，1 9 英寸彩色液晶显示器，键盘鼠标，d v d 光驱； 2 预装w i n d o w s x p 操作系统； 3 预装测试台操作软件； 4 预置p r o f i b u sd p 通讯卡； 数据采集接口盒的核心是一个防护等级为i p2 0 的数据采集从站。它可以 与s 7 可编程控制器通讯。最大数据传输率是1 2m b i t s 。 此装置用于将测试过程中的温度、大气压力、湿度等数据通过温度传感器、 压力传感器、湿度传感器等外部传感器转换成供s 7 内部处理用的数字信号。 过程传感器主要为温度传感器等，温度传感器的主要参数如下： 1 型号：p t l 0 0 ： 2 精度等级：a 级( - 2 0 0 3 0 0 内误差0 7 5 ) ； 3 四线制输出； 4 测量范围：5 0 - 2 5 0 。 本试验台的操作软件适用于各种变速箱测试，包括后驱系统的测试。包括： 1 控制模式选择：转速控制、扭矩控制； 2 试验配置：后驱； 3 测试条件配置：如变速箱冷却系统控制； 4 测试流程配置：如载荷谱编辑模块； 5 设备保护配置：各种测试参数的保护限幅设置； 6 报警和故障处理：根据报警等级设置响应报警和故障事件的处理； 7 试验报表输出模块：可按照客户定义的模板( w o r d 或e x c e l ) 输出试验 武汉理工人学硕上学位论文 报表结果； 8 通讯模块：与变频器等外围设备的通讯连接； 此变速器测试台的操作软件需具备以下几个功能：( 1 ) 以实时数据或趋势 曲线的形式显示试验台的参数( 转速、扭矩、温度等) ，状态信息( 运行指示、 故障指示) ，具有手动转速、扭矩设定功能，可手动记录数据，保存数据，输出 数据报表；( 2 ) 以直观简洁的界面显示当前驱动电机转速及扭矩，加载电机的 转速及扭矩，被测变速箱的油温、档位等状态信息；( 3 ) 可随时设定转速、扭 矩、油温、变速器安装基板振动量等试验参数的报警上限设置，按照报警分级 处理设置对各种故障状态执行相应的处理程序；( 4 ) 具有开放的载荷谱编辑功 能，按照一定的格式设置连续试验的负荷一时间曲线，从而在自动试验模式下， 按照设定的试验程序自动完成全部试验循环。手动试验可通过人工面板电位计 手动控制。停机记录数据的时间可设定，设定范围：1 0 s l m i n ，一般停止运转 后2 0 秒钟后自动停止记录数据；( 5 ) 监控台架系统的各个部件( 电机、变频驱 动器、关键低压开关、变速箱等) 状态，以b i n a r y 码的格式显示。可监测换档 错误、掉档等状态信息；( 6 ) 控制模式为速度转矩自动调节。 自动换档机构要根据不同的动力总成换挡方式进行设计，通常手动换挡机 构为主变速档x 、y 方向的操作和副变速操纵杆的操作。 如图2 - 4 所示，x 、y 方向各有三个停止位置，x 方向左、中、右，只有在 中位时可以进行y 方向的变换操作。y 方向可以有前、中、后三个位置。 两组双向拨杆两端均安装有滑台以保证操作时无卡滞，两组拨杆分别由两 个方向的双行程气缸控制，在两组气缸的每个位雹，均安装有磁性开关，用以 判断主变速杆当前位置。 在需要换下一挡位时，通过控制系统，首先x 方向气缸让主操纵杆回到中 位，然后选择y 位置，最后确定x 方向位置，由p l c 控制气缸操作。 在换档时，负载电机平滑卸载，驱动电机减速至1 0 5 0 r m i n ，如果在设定 时间内，应该到达位置磁性开关未发出到达信号，系统将控制换档手柄退回原 位。并再次执行换档操作，如果连续1 0 次换档失败，系统发出“换挡失败”信 号，并报警停机，提示检查。 1 2 武汉理工人学硕l 二学位论文 图2 - 4 换挡机构结构图 换档失败的判断依据包括： 1 转速：通过变速箱输入轴、输出轴转速判断档位是否正确； 2 位移：通过气缸磁性开关检测换档手柄是否到位； 3 时间：定时器，换档时间与正常换档所需要时间比较； 气缸选用s m c 的c m 2 双行程单杆气缸，缸径d n 2 0 ，气压0 4 m p a 时的理论出 力为1 2 6 k g f 。双行程气缸的定位精度可以在l m m 内，可以满足要求。 气路控制原理如下图所示，主要由二位五通电磁阀、单向节流阀、气源三 联件组成。 通过调整气源件上的调压阀调整气路压力，以控制操作力大小 l o k g f 。 气路设计中包括自锁系统，保证工作时不发生误动作。 换档装置的其它功能： ( 1 ) 可在不取掉自动机构的条件下，手动操作换档手柄，完成手动换档动 作； ( 2 ) 在换档成功后，可将施加于换档手柄上的换档力卸载，而换档手柄的 位置仍然保持在当前位置。 武汉理工人学硕j ：学位论文 2 1 2 3 机械系统 机械系统主要由电机底座，变速器底座及支架，升速箱，传动轴系，保护 罩，扭矩传感器校准装置等组成。 一薹习毒 一一 i二堰一m l ：= _ = = = = = = 一一 一 一tl 二i ： 图2 - 5 台架底座及支架结构图 台架机械部分如图2 5 所示，由台架底座、两组输 出部分( 测功器、测功器底 座、过渡支承、扭矩传感器、 输出半轴) 、输入部分( 电 机、底座、升速箱、扭矩传 感器、被试件支架) 、换档 机构、被测件冷却装置组 成。 1 台架底座为一铸铁大平板，保证台架试验时有足够的刚度。台架底座上 加工有井字形向t 形槽，方便不同规格的动力总成安装调整，初定大底板尺寸 7 0 0 0 1 8 0 0 2 5 0 。 2 台架底座通过减震器安装在坚固的试验室地面上或专用台架基础上。 输出轴系统由与电机联接的膜片式弹性联轴器、过渡支承、扭矩传感器、过 渡法兰及输出半轴组成，变速箱动力总成输出通过半轴与过渡法兰联接，如图 2 - 6 所示。 i fj 止 1 耻胍隔胍m h 孺 ： 州i 山划山p 。 。 e【掣 _ 譬 图2 - 6 输出轴传动系 扭矩传感器采用静态标定，标定装置由双向平衡的校正臂、转轴固定装置、 砝码盘和标准砝码组成。双臂纯扭矩加载装置、高精度的校正臂长度、可调节 ( 水平) 的转轴固定装置、准确的砝码盘吊挂位置和标准砝码保证了静态校正 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 的精度，如图2 - 7 所不。 ，一一一一啼厂、旷咂卜、毒z 二。一 f ，；、二曩 三主三点_ 誊、卜一一一一一。丐 # j ；营1hr j | | ! 茎： 、i 、孟 一一 一一一 ： 事 ，一一一一一啼芦母r 吒卜j j 二一一一一毒毛裟r 一_ 7 r 五i o 竺一一一一 喜 ，盛、 一一 苛 图2 7 静校装置示意图 2 1 2 4 介质供给系统 介质供给系统就是指冷却系统，该试验台采用的是喷淋冷却装置，喷淋冷 却装置由水箱、循环水泵、控制阀、喷头等组成、接水盘等组成，如图2 8 。循 环水泵选用管道泵，功率0 7 5 k w 。管路中安装有过滤器，需定期清洗，保证系 统正常运行，接水盘及储水箱用不锈钢制作。 在循环水泵出口，安装有电控阀，用以调节喷淋水量，电控阀的控制通过 系统测量变速器的温度后，实现闭环控制。 ! 喷淋头 瞩娶t ； # 。一“ i 。妇 一 ；二兰兰三二：垫水篓一 补水 羹二- 主鎏 。l 砝 过滤器： j 上i - i f 低位水箱弋乡控阀 图2 - 8 喷淋冷却装置 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 本章小结 本章介绍了试验台的总体方案，包括项目的参数和目标、控制策略、硬件 组成等。介绍了试验台为满足f r 手动变速箱耐久试验的要求，所以采用了三相 交流电机平行驱动的方式，驱动电机模拟发动机的动力输入，加载电机模拟负 载的大小，并且采用了s i e m e n s 技术成熟、应用广泛的共直流母线能量回馈电 封闭驱动系统。下章将对电机加载控制理论进行详细的论述。 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章电机加载控制理论研究 试验台的负载设备的作用是用来平顺且准确的调节载荷，以此来模拟汽车 的行驶阻力，在试验的时候必须要满足所需的加载区间和转速范围。这些负载 设备主要有水力测功机、电涡流测功机、直流电机或者交流电机等。为了确定 本研究课题的加载方式，我们首先对上述几种测功机进行一个横向的比较。 水力测功机顾名思义就是使用水来作为制动原料，通过水来对原动机进行 冷却，冷却的同时将原动机产生的热能带走。这是个传统成熟的技术，具有价 格便宜，首期投资少，可靠性高的特点。因为是使用水来作为制动介质，所以 对于水的使用是必不可少的，但是在消耗大量水资源的同时，能量不能回收， 而且动态响应也十分慢，低速运行的时候，由于转矩太小测功机无法实现反拖 功能，此类水力测功机往往还需要配备一个大型的水循环的设施，需要很大的 占地面积。 电涡流测功机是利用电涡流损耗的原理来进行吸收功率的，电涡流测功机 内有一个永磁体会产生磁场，测功机在进行制动试验是就是利用这个磁场来实 现的。控制器用来调节发动机输出的载荷，将机械能转换为热能，再通过冷却 水循环系统来带走热量。 直流电机加载工作原理的核心是首先通过直流调速系统将直流电机中本身 流出的直流电逆变为交流电上网，然后再利用直流调速系统调节这个上网电流 来控制电机的转速和扭矩。 交流电机加载主要依靠的是交流变频加载技术，首先将交流电机发出的交 流电经由变频器逆变为直流电，再通过d c s 逆变为交流电，通过调节电机的上网 电流来控制发动机输出的转速和转矩。 水力测功机和电涡流测功机的价格相比直流或者交流电力加载系统要便宜 些，但是使用过程中会消耗大量的能量，而且负载装置所吸收的能量不易重新 回收利用，能源会被大量的浪费。而且在调速性能的优劣方面直流测功电机明 显领先其他几种测功机，操控起来也不难，但是直流电机不是全是优点，它也 存在明显的缺点，因为直流电机里有个装置叫做换向器，根据它的运行原理可 知直流电机无法满足转速很高的高速运行工况，因此在高速工况下选用直流电 机加载的话，只能加装一个机械减速装置，这就面临了另一个问题，那就是需 1 7 武汉理工大学硕 学位论文 要很大的工作场地，而且系统很复杂，因此维修费用高。综合上述优缺点比较 选用交流电机加载系统就比较合适了，交流电机的结构和直流电机不同，它内 部没有换向器，所以交流电力测功系统的结构很简单，可靠性也非常高，不用 经常性的保养，不仅降低了成本而且测量精度很高，与此同时，它还具备了直 流电力测功机的所有优点。因此本试验台决定选择采用交流电力测功机作为加 载装置，下文就主要对直流和交流加载控制理论进行论述。 3 1 直流电机加载控制理论 3 1 1 直流电机的工作原理和结构 如图3 1 所示为一个简单的两极直流电机的模型。它在空间有一对位置固定 的磁极( 称为主磁极) ，两磁极间有一个用导磁材料制成的圆柱体( 称为电枢铁 心) ，分别把两根设为x 与y 的导体所连成的一个电枢线圈放置在电枢铁心上， 线圈的首端和末端分别连到圆弧形的铜片上，这个铜片就是所谓的换向片，图 中分别用换向片1 和换向片2 表示，换向片是与转轴固定在一起的，这样就可 以和电枢一起旋转。现实中不可能只有一对换向片，所以由很多个相互绝缘的 换向片所组成的装置就称之为换向器。为了使电枢线圈与外部电路相连通，这 时就设计了一对固定的电刷，在图中标示为b 1 和b 2 ，电刷与换向片之间保持着 滑动接触。 图3 - 1 两极直流电机模型 设在图3 1 所示瞬间，电枢有原动机带动，以恒定的转速n 逆时针方向转动， 电枢线圈导体x 和y 将切割磁力线而感应出电动势。根据右手定则，可以判定 导体y 的电动势方向为穿出纸面；导体x 的电动势方向为进入纸面。由图可见， 此时电刷b 1 的极性为“+ ”，电刷b 2 的极性为“一”。根据电磁感应定律，导 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 体的感应电动势为： e = b ，l v( 3 1 ) 式中b ，导体所在位置的径向磁通密度； j 导体切割磁力线部分的长度，称为有效长度； 1 ，导体切割磁力线的速度，即电枢旋转的线速度。 则整个线圈从x y 的感应电动势e 。，= 2 b 。l v 。由于转速n 是恒定的，故v 为 一定值。对于已制成的电机，也是一定的，所以电动势e 。与磁通密度b ，成正比， 这说明线圈电动势的变化规律与气隙磁场沿圆周的分布规律相同。 一个线圈中的电刷之间的输出的电动势是电压值较低的直流电动势，电机 内的电枢绕组是由一定数量的规律分布在