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基于l a b v i e w 的q f 1 2 直流电力测功系统的研制 摘要 研制一种结构简单、操作方便，制造成本低，能够检n d , 型高速发动 机转速、扭矩和功率的直流电力测功系统。由q f 1 2 直流发电机、基于 l a b v i e w 的测控系统和负荷电阻器组成，可用于发动机的起动和测功。当 起动发动机时，q f 一1 2 直流发电机处于电动机运行状态，由蓄电池供电，将 电能转换成机械能带动发动机起动；在测功工况时，发动机拖动q f 1 2 直 流发电机，发动机所做机械功由直流电机转换为电能消耗在负载电阻上。 直流电力测功系统的主要性能：可测试最大功率为1 2 k w 以下的发动机， 负载可实现恒电流、恒扭矩、恒转速和综合( 埘血) 四种控制方式；主轴 最高转速5 0 0 0 r m i n ，转速测量精度为o 4 f s 1r m i n ；最大制动力矩 5 0 n m ，力矩测量精度为1 3 f s 。 利用所开发的测功系统在1 6 8 f 汽油机上进行了台架性能试验，结果表 明：测功系统能够对小功率发动机转速和扭矩进行精确测量和控制，能够 拖动发动机达到起动目的，实时显示发动机输出的扭矩、功率、温度等， 同时对指定的数据进行保存等。 关键词：测功系统l a b v i e wq f 1 2 测功机 r e s e a r c ho fq f 一12d ce l e c t r i c a l p o w e rt e s t i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e w a bs t r a c t r e s e a r c had ce l e c t r i c a lp o w e rd y n a m o m e t e rs y s t e mw i t ht h es p e c i a l t yo f s i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tt oo p e r a t e ，l o wc o s t ，a n dc o u l dt e s t t h et o r q u e ， r o t a t i o n a ls p e e d p o w e ra n df u e l c o n s u m p t i o nr a t eo fm i n i t y p eh i g h - s p e e d e n g i n e i t sc o n s i s t e db yq f 一12d cg e n e r a t o ra l o n gw i t ht h el a b v i e wb a s e d p o w e rt e s t i n gs y s t e ma n dl o a dr e s i s t o r , i tc o u l db e u s e dt os t a r tu pt h ee n g i n eo r a sad y n a m o m e t e r w h e ns t a r tu pt h ee n g i n e ，q f 一12d cg e n e r a t o rw i l lo nt h e r u ns t a t e ，p o w e rs u p p l i e db yt h ea c c u m u l a t o r , t r a n s f o r mt h ee l e c t r i c a lp o w e ri n t o m e c h a n i c a le n e r g yt od r i v et h ee n g i n e ；w h e na sad y n a m o m e t e r , t h ee n g i n ew i l l d r a gt h eq f 一12d cg e n e r a t o r , d cg e n e r a t o rt r a n s f o r m st h em e c h a n i c a le n e r g y w h i c hw o r k e db yt h ee n g i n ei n t oe l e c t r i c a lp o w e r , t h e nu s e do nt h el o a dr e s i s t o r t h em a i nc a p a b i l i t yo fd ce l e c t r i c a lp o w e rd y n a m o m e t e rs y s t e mi sa sf o l l o w i n g ： i tc o u l db eu s e dt ot e s tt h ee n g i n ew i t ht h ep o w e rb e l o w12 k w , t h el o a dc o u l d r e a c h f o u rc o n t r o lw a yo fc o n s t a n tc u r r e n tp o w e r , c o n s t a n tt o r q u e ，c o n s t a n ts p e e d a n dt i n t e g r a t i o n ( a m a n ) ；p r i n c i p a la x i sw i t ht h em a xr o t a t er a t eo f 5 0 0 0 r m i n ，t h em e a s u r ep r e c i s i o ni s 士o 4 f s 1r m i n ；m a xb r a k et o r q u ei s 5 0 n m ，t h em e a s u r ep r e c i s i o ni s 士1 3 f s w ed i dt h eb e n c hp e r f o r m a n c et e s t i n gt ot h ed e v e l o p e dp o w e rt e s t i n g s y s t e mo nt h e 16 8 fg a s o l i n ee n g i n e ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tp o w e rt e s t i n g s y s t e mc o u l de x a c t l ym e a s u r ea n dc o n t r o lt h et o r q u ea n dr o t a t i o n a ls p e e do ft h e l o w p o w e re n g i n e ，c o u l dd r a gt h ee n g i n et os t a r tu p ，c o u l dr e a l t i m es h o wt h e t o r q u e ，p o w e r , t e m p e r a t u r ea n d s oo n ，m e a n t i m es a v e dt h er e l a t i v ed a t e s k e yw o r d s ：p o w e rt e s t i n gs y s t e m ；l a b v i e w ；q f - 12 ；d y n a m o m e t e r 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 一：嘶 彦哆年 学位论文使用授权说明 月 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： ， 曰即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 师签名：弘雄一夕年易月f 7 日 广西大学硕士掌位论文基于l a b v i e w 的q f - 1 2 ：流电力测功系统的研制 1 1 直流电力测功系统概述 1 1 1 直流电力测功机 第一章绪论 直流电力测功系统的核心部件是直流电力测功机。直流电力测功机既可作发电机也 可作为电动机的优点使其在测功领域的重要作用日渐突出。作发电机用，可用来测量内 燃机的功率；作电动机用，可用来拖动内燃机使其起动。因此，直流电力测功机在汽车 和摩托车行业应用非常普遍i l l 。但因直流测功机有电刷整流会产生摩擦，所以测功机转 速不能过高【2 1 。q f 1 2 航空直流发电机，其最高转速达1 3 0 0 0 r m i n ，功率1 2 k w ，将其 改成电力测功机，可测量小功率、高转速内燃机。同本小野公司用特殊合金做电刷，研 制出导电性能好，摩擦系数很小的高速、直流小功率测功机。这为小功率高转速测功机 的研制提供了依据。 1 1 2 测试系统 直流电力测功系统需要测量内燃机的扭矩和转速，这就需要相应的测试仪器。测试 仪器的发展经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器四个阶段【3 1 。模拟仪器是 磁机械式仪表，精度低，适应性差。数字仪器相对模拟仪器来讲测试精度和速度方面均 有较大的提高，应用相当普及，但它只能对特定的参量进行测量，如数字转速表只能测 量转速。智能仪器与以单片机为主体，将计算机技术与测控技术结合在一起，组成智能 化测控系统，其具有体积小，操作简单，可编程，对数据进行处理及人机对话功能。目 前，智能仪器在测功领域应用非常广泛。如天津大学内燃机研究所开发的立式直流电力 测功系统【4 l ；学者王亚平研究的基于单片机的小型测功机装置【5 】；湖南长沙湘仪动力测 试仪器有限公司开发的f c m 2 0 0 0 发动机自动测量控制系统等。智能仪器虽有诸多优点， 但它在数据保存和数据处理方面不够灵活，内存容量小，与计算机兼容性差，外围接口 电路比较多，而且程序设计比较复杂。虚拟仪器产生于2 0 世纪8 0 年代，是面向计算机的 通用测试软件开发平台。虚拟仪器是计算机软件、通信发展到一定阶段的产物。l a b v i e w 是虚拟仪器概念的首创者，是美国n i 公司推出的一个图形化软件开发环境。n i 率先提出 “软件即仪器”的概念，开启了虚拟仪器的先河。同单片机和传统仪器相比，虚拟仪器可 l 广西大学硕士学位论文 基于l a b v i e wq f 一1 2 直流电力测功系统的研制 根据用户需要构建适合自己的软件测控仪器。软件仪器不但可以实现传统仪器的功能， 而且用户可根据自己的需要，附加特定功能。软件仪器具有存储方便，可随时更改和升 级等诸多优点。模拟信号的采集，需要a d 转换器，单片机系统需要设计外围接口电路， 而l a b v i e w 采用图形化的编程语言和数据采集卡，通过u s b 接口直接与计算机通信，节 省项目开发周期，这是单片机系统所不及的。展望未来，虚拟仪器将在更多的领域得到 更广泛的发展 6 1 。 1 2 虚拟仪器测试系统的组成及其在测功领域的应用 1 2 1 虚拟仪器测试系统的组成 虚拟仪器测试系统的组成见图1 1 。由传感器采集被测对象信号，经信号调理设备 输入到测控仪器，之后由软件仪器采集、保存和显示数据并发出控制信号给测控仪器， 经信号处理设备后控制执行元件。虚拟仪器由测控仪器，应用软件和计算机硬件平台 组成。测控仪器用来采集数据和输出控制；虚拟仪器开发软件用来开发软件测试和控制 仪器；计算机硬件平台管理虚拟仪器软件，是虚拟仪器软件发挥作用的前提条件【7 】。 l f 信号调理l 虚拟仪器开发 被 传 h 设备i 。 测控仪器 软件 台式计算 l r机、便捷式 测 感 ( d a q # ， ( l a b v i e w l a 计算机、工 对g p ib v x i b v i n d o w s c v i ， 站、嵌入式 象 器 ， 等) v c + + 、v b 和 计算机等 执行元件 d e l p h i ) 图1 - 1 虚拟仪器测试系统 f i g 1 1v i r t u a li n s t r u m e n tt e s t i n gs y s t e m 1 2 2 虚拟仪器在测功领域的应用 近年来，虚拟仪器在测功系统的应用越来越广泛。文献【8 采用l a b v i e w 和d a q 卡测量发动机的转速；文献 9 采用l a b v i e w 及运动控制卡控制步进电机；文献 1 0 组 建发动机测功系统。虚拟仪器在测功领域的应用主要有如下特点：所采用的测控仪器主 要是d a q 卡和运动控制卡，这是因为这种配置可以满足内燃机测试要求，价格为大多 用户所接受：应用开发软件主要采用l a b v i e w ，l a b v i e w 采用图形化编程语言，与其 它编程语言相比，它具有功能强大、简单灵活，可用最短的时间设计出符合要求的软件 仪器；计算机硬件平台主要是台式和便携式计算机。 广西大掌硕士学位论文基于l a b v i e w 的o f 一1 2 直流电力涮功系统的研制 1 3 课题研究意义 小功率高转速发动机测功系统的研制，将虚拟仪器软件l a b v i e w 技术应用于直流 电力测功系统，该测功系统可实时显示发动机的扭矩和转速，方便数据的保存和处理， 测功系统可根据用户要求做适当的调整和升级。 直流电力测功系统为小型发动机的试验研究提供必备的试验条件。小型发动机功率 小，不能带动测功机起动。将直流测功机作电动机用，可用来拖动发动机使其起动。 测功系统充分利用实验室原有设备，弥补了实验室测量设备的不足，节省购置设备 的经费。 1 4 技术路线及主要内容 q f 1 2 直流发电机改装成小型直流电力测功系统需要解决的几个问题是：如何实 现发动机等动力机械的动力性能和经济性能的综合检测，测量其机械特性和扭矩特性； 如何检测发动机功率、转速和扭矩；如何实现直流测功系统的恒电流、恒扭矩、恒 转速和综合( a m 加) 四种控制方式；如何实现直流测功系统的数据采集、显示、储存 和数据回放等功能。针对以上的四个问题，在研制q f 1 2 直流电力测功系统中采用如下 技术路线： 发动机有效功率采用间接测量方案，分别测量出扭矩和转速，根据1 1 式计算 得到有效功率，然后按照g b l1 0 5 8 7 内燃机台架性能试验方法标准环境状况及功率、 燃油消耗和机油消耗的标定修j 下有效功率，即为现场环境状况下的有效功率。 尸：丝( 1 - 1 ) 95 5 0 用频率计数法测量发动机转速。 用平衡力法测量发动机扭矩，即根据作用力矩和反作用力矩大小相等方向相反 的平衡原理测量扭矩。 利用电流反馈信号自动控制测功机励磁电流，使其保持恒定。 利用转速反馈信号自动控制测功机吸收扭矩，以维持被测动力机械的转速恒定。 利用扭矩反馈信号自动控制测功机吸收扭矩，以维持被测动力机械的负载扭矩 恒定。 综合控制方式是指负荷随着转速增加而增加的动力特性，作用是抑制发动机的 厂西大掌硕士掌位论文 基于l a b v i e w a oq f 一1 2 ，l 流电力测功系统的研制 转速多变或波动。通过扭矩信号和转速信号反馈控制。 根据g b t 11 0 5 2 一1 9 8 7 内燃机台架性能试验方法试验方法和 g b t 11 0 5 3 1 9 8 7 内燃机台架性能试验方法测量技术定义测控系统的功能。 实施上述技术路线时要完成以下工作。 1 4 1 直流电力测功机制作与安装 将q f 1 2 直流电机制成如图1 2 所示的平衡电机结构，为了测量电机的扭矩，将电 机的外壳支撑在轴承上，使它可以自由摆动，装在定子一侧的力臂与测力传感器相连， 如图1 3 所示。当直流电力测功机用作测功时，平衡电机处于发电机状态，转子被发动 机带动在磁场中匀速转动，转子电枢切割磁力线产生电流，该电流在定子磁场作用下产 生电磁力矩阻止转子转动，此力矩即发动机的负荷力矩。同时，转子电流产生的磁场对 定子磁极产生作用力，该作用力对定子形成摆动力矩。当机构的反作用力相平衡，基于 l a b v i e w 的测试系统p c 机显示值，即为发动机的扭矩值。当测功机作电动机运行时， 可以起动发动机、测定机械效率等功能。 41234 1 一外壳2 一励磁线圈3 转子4 一轴承 图1 2 直流电力测功机结构原理简图 f i g 1 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fd ce l e c t r i c a lp o w e rd y n a m o m e t e r 4 基于l a b v l e w 自盯1 2 i 童q 力砷矗自研 l 2 3 翳 匪 擎囊，害婚 4 1 轴承庵2 o f - 1 2 直流电机3 一转速传感 器4 被测试发动机5 山臂6 测力传堪器 幽l 3q f - 1 2 直流电力测功系统安装幽 f i 9 1 3 t h e i n s t a l l a t i o nd i a g r a m o f d ce e e t f i c a lp o w e r t c s t i n gs y s t e m l42 直流测功系统控制方式 测功系统包括手动和自动控制。手动控制通过手动调节负荷大小实现发动机工作在 指定工况点。以水力测功机为代表，通过手动调节进水阀和出水阀丌度对发动机加载， 这种控制方式费时费力费油，控制精度不高。自动控制是用单片机或虚拟仪器通过相应 的控制方法实现测功系统恒电流、恒扭矩、恒转速、综合( m a n ) 等控制方式。恒电 流控制方式可稳定的对发动机进行加载，改变电流大小，就改变负荷大小，负荷可从零 变为最大也可由最大变为最小，是柴油机调速特性不可缺少的控制方式。恒扭矩或恒 转速控制方式通过设定指定工况点的扭矩或转速值，通过反馈控制，可使发动机工作在 指定的工作点，稳定发动机的转速和扭矩，是发动机负荷特性和速度特性不可缺少的控 制方式。以电涡流测功机为例，通过设定指定工况点的扭矩和转速与发动机反馈的实际 值进行比较，通过p i d 自动调节励磁电流和油门开度，将扭矩和转速稳定在给定值附近， 达到控制的目的。自动控制具有操作简单，控制精度高，省时省力等优点。测功机最基 础的控制方法是p i d 控制，p i d 控制具有原理简单，使用方便，适应性强等优点。近年 来也有人用模糊控制，相对p i p 控制而占，模糊控制不依赖精确的系统数学模型，特别 适用于复杂系统。 馥 广西大掌硕士学位论文基于l a b v i e w 的o f 一1 2 直流电力测功系统的研制 1 4 3 选择合适的直流电力测功系统 选择合适的直流电力测功系统意味着选择何种测试仪器，通过哪些控制方法，实现 测功系统哪些控制方式。鉴于虚拟仪器是未来发展的方向，虚拟仪器同单片机相比有更 多的优点，而l a b v i e w 是虚拟仪器中最具代表的一个，所以测试仪器选用l a b v i e w 软 件。p i d 控制方法应用广泛，但是它对被控对象的依赖性强，一般需要预先知道被控对 象的数学模型方可进行设计，而实际的控制系统中，由于被控对象具有非线性、时变性 等特性，难以建立精确的数学模型或特性参数难以获得，从而使它的应用受到限制。模 糊控制恰恰克服了这个问题，所以采用模糊控制方法。测功系统可实现如下控制方式： 恒电流、恒扭矩、恒转速、综合( 埘a n ) 。 1 5 本章小结 本章介绍了直流电力测功系统的概述，虚拟仪器的组成及其在测功系统的应用，课 题研究意义和技术路线及主要内容等。 6 广西大学硕士学位论文 t k - 亍 l a b v i e w q f 一1 2 直流电力测功系统的研制 第二章测功机系统工作原理及基于l a b v i e w 的测试理论基础 2 1 系统组成 测功机系统由q f 1 2 直流电机、吸收消耗电能的加载电阻，转速传感器、扭力传感 器、油门执行机构和基于l a b v i e w 的虚拟仪器测试单元组成，如图2 - 1 所示。 2 2 工作原理 图2 1 直流测功机系统框图 f i g 2 1s y s t e md i a g r a mo fd c e l e c t r i cp o w e rd y n a m o m e t e r 2 2 1 直流电机发电运行工况 q f 1 2 直流电机是一台同时具有起动、发电两种功能的飞机直流发电机。 当直流电机发电运行状态时，即测功时，被测发动机驱动电枢转子在励磁绕组形成 的磁场中旋转，切割磁力线时所产生的交变电动势的大小与电枢转速聍和磁通缈的乘积 成正比 h i 。即 e = c p ，z 缈( 2 - 1 ) 式中：e 一为电机常数。 7 广西大掌硕士掌位论文基于l a b v i e w 的o f 一1 2 直流电力测功系统的研制 若直流电机有负载，电枢电磁阻力矩m 的方向与发动机的旋转方向相反，它和电 机的空载损耗转矩眠一起平衡发动机的转矩m 。如果不计电机的空载损耗转矩眠， 则m 就等于发动机的输出扭矩。即 m = m l m o = m l( 2 - 2 ) 且 m = q ，2 ( 2 3 ) 式中：c 一为电机常数； 一电机的电枢电流； ，2 一电机的励磁电流。 通过调节电枢电流和励磁电流来调节发动机的负荷，发动机所作机械功由直流电机 转换为电能消耗在负载电阻上。直流电机发电测功的功率计算公式： p：丝(2-4) 9 5 5 0 2 2 2 直流电机电动运行工况 当直流电机处于电动运行状态即直流电机作电动机驱动发动机运行时，由蓄电池向 电机供电【1 2 i ，产生电磁转矩，使电枢旋转驱动曲轴转动，使发动机起动。 电机带动发动机起动时，如果不计空载损耗转矩，则驱动转矩近似等于发动机 起动所需的阻力扭矩m ，。即 m = m 2 一心m 2 ( 2 - 5 ) 且 m：鱼丝d(2-6) 儿口 式中：兄：_ v - e 。 由此可见，在励磁电流和转速不变时，电枢电压愈高，则驱动转矩愈大，反之励磁 电流和电枢电压不变，转速愈高则扭矩小。因此可通过调节电枢电压得到一定的起动转 速和起动转矩。 2 2 3 控制电路 控制电路原理如图2 - 2 所示。 8 广西大掌硕士掌位论文 基于l a b v l e w 的q f 一1 2 l 流电力涮功系统的研制 图2 - 2 直流测功机系统电路控制图 f i g 2 2c o n t r o lc i r c l ed i a g r a mo fd cd y n a m o m e t e rs y s t e m 直流电机电动运行工况的控制：当按下起动按钮趿时，k m i 线圈获电产生电磁吸 力。k m l 的常开主触头闭合，接通电机的串励式电枢电路，同时k m i 的辅助常开触点 也闭合，将s b ，短接，直流电机电动运行状态。而k m 辅助常闭触点断开，由于它串接 于k m ，线圈回路中，就确保了当k m l 吸合时k m 2 不能吸合，否则会导致电源短路，这 种功能称为互锁。 直流电机发电运行工况的控制：发动机起动后，即可进入发电运行状态。首先按停 止按钮踺，使k m 。线圈断电，k m i 辅助常闭触点由打开转为常闭，解除对k m 2 线圈回 路的互锁，然后在按发电按钮皿，使k m ，线圈获电产生电磁吸力，k m 2 常开主触点闭 合，k m 2 常开触点完成对趿的自锁和对k m 线圈回路的互锁。直流电机发电运行状态， k m i 、k m ，的两个辅助常闭触点又称为联锁触点。 2 2 4 测功机测功原理 由m ：9 5 5 0 pn - i l l9 f i ，只要分别测出发动机输出扭矩m 和转速聆就可以间接求得发 ，2 动机的输出功率p 。因此，根据作用力与反作用力平衡原理设计测功机，通过电机壳体 上长度为l 的力臂转换成施加在力传感器上的集中力f ，故有： m = f l ( 2 7 ) 上式表明传感器上的受力与发动机输出的力矩成正比，由于力传感器输出的电信号 又与受力f 成正比，所以通过测量该电压信号，即可测出发动机的输出转矩。 9 广西大掌硕士掌位论文基于l a b v i e w 的o f 一1 2 ，l 流电力涮功系统的研制 当被测发动机旋转带着测功机的电枢旋转时，若给测功机加入直流励磁电压，测功 机中有磁场存在，此时测功机电枢旋转且切割磁力线产生电枢电流，电枢电流和磁通相 互作用产生制动转矩，同时测功机定子受到一个相反方向的转矩作用。由于直流电机的 定子由独立的轴承座支承，它可以在某一角度范围内自由摆动，定子摆动作用力与测功 机机构的反作用力相平衡，测力机构的s 型拉压传感器产生电信号，该信号与s 型拉压 传感器所受外力成正比。通过高精度的直流放大器放大、滤波和光电隔离后，经数据采 集卡采送入p c 机，由l a b v i e w 软件处理后在p c 机上显示被测发动机的转矩值。从而 实现了对直流测功机所吸收的功率进行精确测量和远距离数字化显示。 测功转速的测量使用磁电式转速传感器，它是由测速齿轮和磁头组成；由低碳钢做 成的齿盘安装在测功机的转子轴上，有6 0 个齿；磁头安装在紧靠齿盘边缘约1 2 5 m m ， 齿盘每转一圈发出6 0 个幅值约为3 0 0 - - 4 0 0 m v 的周期性正弦信号。测量该信号的频率 或周期，就可得到测功机的转速。 2 2 5 测功机负荷加载原理 由p ：和，：旦有： r p：罢(2-8) 尺 由式2 8 可知，发电机输出功率尸与r 成反比，通过改变电阻r ，可改变发电机的 输出功率，进而达到对发动机负荷加载的目的。这个前提条件是发动机电枢电压不变， 而实际发电机输出电压是脉动的，因此需要对发电机电枢电压进行调节。 2 2 6 电枢电压调节原理 直流电力测功机工作在发电机状态时，可用来测发动机的扭矩。直流他励发电机励 磁电流由蓄电池供电，其原理图如图2 3 所示。r 是负载电阻，i 是负载电流，q 是励磁 电阻，0 是励磁电流，尼是电枢电阻，i o 是电枢电流，u 是发电机的电枢电压，e 为 感应电势。 l o 广西大掌硕士掌位论文基于l a b v i e w 的q f 一1 2 ，：流电力测功系统的研制 。 图2 3 他励直流发电机原理图 f i g 2 3t h ep r i n c i p l ec h a r to fe x c i t i n gd cg e n e r a t o r 他励发电机的电枢电压u 为： d l f 图2 4 电机磁化曲线 f i g 2 - 4m o t o rm a g n e t i z a t i o nc u r v e u = e 囝，z 一比 ( 2 - 9 ) e 和尼是定值，所以，发电机电枢电压的高低取决于转速i 、输出电流和励磁磁 通三个因素。转速n 由发动机决定，输出电流的大小由负荷决定，所以能够调节的就 只有励磁磁通矽。图2 4 为电机磁化曲线，由发电机励磁磁通矽和励磁电流，的关系可 得： 铲芒燃( 2 - 1 0 ) e 珂一6 ( u + 玩) 式中a ，b ，为逼近磁化曲线的系数【1 3 j 。由式2 1 0 知，在保持发电机电枢电压u 不 变的情况下，励磁电流随发电机转速的升高而降低，随电枢电流的增大而增大 1 4 1 。即： 当发电机的转速和负载发生变化时，控制励磁电流作相应的变化，以保持发电机输出电 压不变。 2 2 7 励磁电流控制模型 图2 5 是励磁电流脉宽调制原理图。图( a ) 为场效应管v 导通，电源电压加于励 磁绕组，励磁电流增加；图( b ) 为场效应管v 截止，二极管d 续流，励磁电流减小。 场效应管v 工作在开关状态，它的导通时间与一个周期的比值称为占空比珥。励磁电 流平均值与占空比研成正比，这样可得： l f2 坠r dcr(2-11) 由式2 - 1 1 可见，当励磁电源电压最，和电机励磁电阻q 不变时，励磁电流l 仅与占 广西大学硕士掌位论文 基于l a b v i e w 的q f 1 2 直流电力测功系统的研制 空比d c 有关。通过改变占空比d f 来调节励磁电流，进而稳定电枢电压。1 5 1 。 ( a ) 晶体管v 开通，励磁电流f ，增长 ( b ) 品体管v 关闭，励磁电流经二极管d 续流 图2 5 励磁电流脉宽调制原理图 f i g 2 5t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fe x c i t a t i o nc u r r e n tp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 2 3 基于l a b v i e w 测试理论基础 l a b v i e w 全称是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r kb e n c h ，是美国 n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( 简称n i ) 公司推出的图形化软件开发环境，是世界上最优秀的虚拟 仪器软件开发平台之一。l a b v i e w 采用图形化的程序语言，又称“g ”语言。使用这种 语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是程序框图和流程图。它尽可能利用了 技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，这使得我们可以很快掌握该软 件。在l a b v i e w 环境中开发的程序叫虚拟仪器，它和现实生活中的仪器有同样的功能。 虚拟仪器可实时显示测试数据，可根据用户需要保存和处理数据，可设计更为人性化的 仪器面板，可在不同计算机上运行，可通过网络远程控制。“软件就是仪器”，从本质上 反映了虚拟仪器的特征【1 6 1 。文献 1 7 】简单介绍l a b v i e w 软件的优点。 虚拟仪器在国内内燃机行业的应用已经相当广泛，这里不再叙述。在国外内燃机行 业的应用有： ( 1 ) 发动机运行参数的检测和对测功机的控制。如a d v a n c ee n g i n et e c h n o l o g i e s 公司的内燃机运行状况检测系统【1 8 1 ，v ie n g i n e e r i n gi n c 的测功控制系统呻1 。 ( 2 ) 发动机振动和缸压的采集。如r a e b u mt e c h n o l o g yi n c 的发动机敲缸现象检测 和分析系统2 0 1 ，c r e a t i v et e c h n i c a ls o u t i o n si n c 的缸压采集系统 2 1 1 。 ( 3 ) 喷油系统的检测。如a e as r 1 公司的采集和描述燃油喷射图像系统【2 2 1 。 1 2 广西大学硕士掌位论文基于l a b v i e w 的o f 一1 2 i 流电力测功系统的研制 2 3 i 测速原理及其数学模型 转速测量一般可分为频率计数法测转速、模拟法测转速和比较法测转速三种。虚拟 仪器和数据采集卡测量转速常用频率计数法。频率计数法将待测转速通过转速传感器转 化成为与转速成正比的电脉冲信号，再由计数器测出该电脉冲信号的频率或周期，从而 求得待测转速，这就是通常所说的测频法测量转速或测周法测量转速。测频法适用高转 速，当被测量转速较低时，测频法测量转速会带来较大的误差，此时宜选用测周法测量 转速。测周法是以标准时钟脉冲填充待测脉冲，计数器累计一个待测脉冲信号周期丁内 的标准时钟脉冲数，从而求得待测转速疗。图2 - 6 为数据采集卡测速原理框图 2 3 1 。 一u l 二_g a t e o u t 一7_ nr r - s n l i r r f 图2 - 6 采集f 测速原理图 f i g 2 - 6m e a s u r e m e n ts p e e dp r i n c i p l e sd i a g r a mo fc o l l e c t i o nc a r d 被测信号接入计数器g a t e ，s o r u c e 端输入频率已知的高频信号。被测信号一个 周期内有个脉冲，那么被测信号周期 r = t o ( 2 1 2 ) 设发动机转速为n ( r m i n ) ，每转输出脉冲个数为z ，则有： 刀：竺 ( 2 一1 3 ) 刀= i l j ) z t 、 发动机上用来测量转速的齿轮齿数z = 6 0 ，则发动机的转速： n ：昙 ( 2 1 4 )= 一 i z - l 斗l 丁 、 2 3 2 扭矩测试原理及其数学模型 扭矩等于测力机构所受到的压力和受力臂长度的积，可表示为： m = f 发动机扭矩和输出功率关系如下： p m = 9 5 5 0 - - - 刀 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 广西大掌硕士学位论文基于l a b v i e w 的q f 一1 21 l 荫l 电力涮功系统的习p 制 由( 2 - 1 5 ) 和( 2 - 1 5 ) 司得： p ：上砌：塑 ( 2 1 7 ) 9 5 5 0k 、 式2 1 7 中，k 是测功机常数，k ：掣。 朋勺选取要考虑发动机测量过程中振动对压力的影响。，越长，振动越大，所测得的 力越不准确，过小，安装力传感器将很困难。同时为保证测功机常数为1 0 的整数倍， 取，= 】9 1 m m 则k = 5 0 0 0 0 。所以有： 2 4 本章小结 m = 1 9 1 1 0 3 f p：l(2-18) 5 0 0 0 0 本章主要讲了直流电力测功系统组成，工作原理及控制电路图。负荷加载和电枢电 压调节和励磁电流脉宽调制原理。而后简述l a b v i e w 软件的特点及转速和扭矩的测试 原理和数学模型。 1 4 基于l a b v i e w q f1 2 i 道q 力* 诗蔑b 研 第三章直流电力测功系统的设计与仿真 3i 直流电力测功系统的组成 测功系统包括硬件和软件两部分，系统组成如图3 1 所示 j ， 专鼍蘸善 ；，邕弘墨越哇毒”：瑚 i， n 7 ，一。 t - y 。 、2 凹3 - 1 直流电力洲功系统结构酗 f i g3 一is t r u c t u r ed i a g r a mo f d cp o w e r t e s t i n ga n d c o n m o ls y s t e m 硬件部分用拉压力传感器、转速传感器、温度传感器、油门位置传感器分别采集发 动机的扭力、转速、温度和节气门位置信号，经调理电路和数据采集卡后输入到计算机。 励磁电压控制器用来控制发电机励磁电流，使发电机工作在额定电压下。油门控制器用 来控制油门位置。测试软件采用n i 公司的图形化编程语言l a b v i e w 7 1 进行程序设计， 软件设计主要包括数据采集、数据显示，输出控制和数据处理等。 3 2 数据采集卡的选用 数据采集卡主要指标有采样率、分辨率、通道数等】。采样率足a d 转换的速度； 分辨率是数据采集卡的精度指标；通道数决定输入输出数据采集卡信号多少。测功系统 选用n i 公司的n i d a q p a d 一6 0 1 6 多功能数据采集卡，该卡为u s b 接口，使用方便，启 动迅速。具体参数见表3 - 1 。 a k - ：于l a b v i e w 的q f 一1 2 直流电力测功系统的研制 表3 i 数据采集卡参数 采样率 2 0 0 k s 数字输入输出3 2 条数字i 0 线( 5 vt t l 信号) 输入范围 士1 0 v ，士5 v模拟输出2 路 模拟输入1 6 路输出精度 1 6 位 输入精度1 6 位定时2 个计数器定时器 采集卡的端口模块主要由3 部分组成：数字端口、功能扩展模块和时钟模块以及模 拟端口模块【2 5 1 。数字和时钟端口模块用于输入数字信号，模拟端1 2 1 模块输入模拟信号， 其通道端口配置1 2 6 如图3 2 所示。 & 瞻n d e dd i g i t a j d e m ja n dt l 盯l 嘲a n a l o g 9 6 8 0 9 5 7 9 9 47 8 9 3 7 7 9 27 6 9 17 5 9 07 4 8 9 7 3 8 8 7 2 8 77 1 8 6 7 0 8 5 6 9 8 4 6 8 8 3 6 7 8 2 6 6 8 16 5 3 3 4 9 3 4 5 0 3 55 1 3 6 5 2 3 75 3 3 85 4 3 9 5 5 4 0 5 6 4 15 7 4 25 8 4 35 9 4 46 0 4 56 1 4 66 2 4 7 6 3 4 8 6 4 g 限0 0 忻 p f i8 ，c t r0s d u 只c e d g n d p f lg c t r0 g a t e p r5 a o s a m p c l k p f l6 i a os i “r tt r l g d g p f l7 ，a ls a 轴p c l k c t r o l r r p f l $ c t r ，s o u r c e d g n d p f i4 ：c t r1g t e p f i ，a lr e f t 秘i g p f i 讲a s w m tr i g d g 1 0 f r e q o u t 1 仃 21 8 31 9 42 0 52 1 6 2 2 72 3 82 4 92 5 1 02 6 1 12 7 1 22 8 1 32 9 1 43 0 1 5 3 1 1 63 2 图3 - 2 采集譬d a q p a d 一6 0 1 6 通道配置 f i g 3 - 2c h a n n e lc o n f i g u r a t i o no fc o l l e c t i o nc a r dd a q p a d 一6 0 16 3 3 传感器的选择及其信号调理电路的设计与仿真 传感器是指能够感受被测参量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置，由 敏感元件和转换元件组成，是测量系统的感受与变换部件【2 刀。在测功系统中，传感器直 接和被测对象接触，处于测量系统最前端，是获取信息的第一环节，起着获取检测信息 与转换信息的重要作用，其性能好坏直接影响测功系统的精度。传感器的选用原则有： ( 1 ) 合适的测量范围。传感器检测的范围必须包容被测对象变化的范围，否则不 能检测出被测信号或者损害传感器。 ( 2 ) 灵敏度高。灵敏度是对微弱信号的感应能力，灵敏度越高，输入量引起的输 1 6 d d d d d d 虹4住销。竹洲8侧7钙洲洲训爝鲇甜鲇矧筒州剧矧砧烈砧矧砧朋越腻 d d d d 啦d 蛭 o 8，。渤。位3洲|黜姗雕砧砧鲇砧砧艇鲇蹦越烈硝雕砧颤鬣 襻一 帕 协 m 孔舛撤 彩啪一眦附眦一眦眦附一一刚 d 0 d d m测耋|附啪啾阱眦呦测嘞m眦测叭吣 d d d d 啪眺m一啪嗽眦一以眦附眦附 基于l a b v i e w 的q f 一1 2 ，l 流电力测功系统的研制 出量越明显，便于观察。 ( 3 ) 分辨力。传感器在规定测量范围内能检测出的被测量的最小变化量称为分辨 力【2 8 l 。如人用肉眼所能看到的最小物体。 ( 4 ) 误差小2 9 1 。误差是指传感器测量示值与被测量真值之差。这是传感器的最主 要的计量特性之一，其实质就是反映了传感器准确度。示值误差大，则其准确度低；示 值误差小，则其准确度高。 ( 5 ) 重复性好。重复性越好，误差就越小。 ( 6 ) 线性度。此误差越小越好。 ( 7 ) 响应时间短。响应时间是由于被测量的阶跃变化，传感器输出上升到其最终 规定值时所需要的时间。响应时间越短，传输速度越快。 ( 8 ) 可靠性好。在规定条件下，传感器正常工作的可能性。 以上是选择传感器主要出发点，为了提高测量精度，应从传感器的使用的目的、 环境、被测对象状况、精度要求和信号处理等条件综合考虑。对于一个特定传感器， 并非每个指标都要满足，只要几个重要指标即可。 3 3 1 转速传感器及其信号调理电路 测量转速的传感器主要有磁电式、霍尔式、光电式和磁阻式。由于实验室的q f 一1 2 直流发电机本身带有测速齿轮，特别适合用磁电式传感器，故本课题采用上海冉普电子 科技有限公司生产的r p 6 6 0 c 1 6 a 无源磁电转速传感器。主要技术参数如表3 2 所示。 表3 2 磁电转速传感器技术参数 型号 r p 6 6 0 c 1 6 a 螺纹尺寸 m 1 6 x 1 0 测量范围 1 10 0 0 0 r m i n ( 6 0 齿) 输出信号正弦波 安装间隙 1 2 5 m m 输出信号人小 3 0 ，m i n 2 0 0 m v 测速齿轮渐开线齿轮测速齿轮模数 2 - 4 ( 1 ) 磁电式转速传感器工作原理 了解传感器工作原理，输出信号是特点如何，才能做好信号调理电路。如图3 3 所 示，将绕有线圈的永久磁铁与导磁性渐开线测速齿轮放在同一平面内，转子旋转引起线 圈磁通大小的变化，从而在线圈两端产生感生电动势，线圈的感生电动势为： e = 一警= 一丁d ( n b s ) 一n s hd西p(3-1) = 一一= 一一= 一 d t d td t 式中： 一线圈匝数；s 一线圈的截面积：b 一铁磁材料的磁感应强度； 广西大学硕士学位论文基于l a b v i e w 的o f 一1 2 ，l 流电力嗣j 功系统的习h m 一铁磁材料的磁导率；h 一磁场强度。 在上式中，、s 、日三个参数是常量，当这三个参数确定时，感生电动势e