（机械工程专业论文）qdy1219起动机测试系统设计.pdf

摘要 本课题是结合企业生产的需要，研究开发先进适用的高精度、高 效率的汽车起动机测试系统。 随着我国经济的迅速发展，汽车行业得到了迅猛发展。为了提高 产量，必须采用更好的生产测试技术，才能不断扩大生产能力和提高生 产自动化程度。因此，研究开发q d y l 2 1 9 起动机测试系统具有重要 的现实意义。 本课题的研究内容主要包括： 1 根据汽车起动机性能测试要求，分析研究起动机测试数据采集所 需的各种高精度的传感器； 2 采用有层次、管道过滤器风格软件体系结构及组件技术，形成包 括初始化、参数设置、数据采集、计算与控制、系统校正、数据 监视、数据保存、报表生成和数据库等构件； 3 在分析系统软件体系结构各个功能构件基础上，运用c o m 组件 技术对体系中的构件进行抽象和封装形成系统所特需的c o m 组 件，并按照系统软件体系结构组装组件； 4 设计能满足精度要求的，具有开关性能、空载性能、负载性能以 及制动性能的测试系统； 5 完成对各个回路的电压、电流及力矩及转速的测量和起动机关键 数据的采集。 关键词：起动机，测试系统，软件结构，c o m 组件 a b s t r a c t b a s e do nt h es m d i e so nt h er e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s ep r o d u c t i o n ，a h i g he f f i c i e n c y , h i g ha c c u r a c ya u t o m o b i l es t a r tm a c h i n et e s t i n gs y s t e m 1 s d e s i g n e d 一一 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yi n c h i n ar e c e n t l y , a u t o m o b i l e i n d u s t r i e sh a v em a d er a p i dp r o g r e s s a d o p t i n gb e t t e ra n da d v a n t a g et e s t m g t e c h n 0 1 0 9 yb e n e f i tt h ea u t o m o b i l ep r o d u c t i o ng r e a t l y , s oi t i sv e r yi m p o r t a n t t os t u d yt h eq d y 1219s t a r t e rt e s t i n gs y s t e m t h em a i nw o r kc o u l db ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h et e s t i n gd e m a n d o fa u t o m o b i l es t a r t e rp e r f o r m a n c e ， v a r i o u ss e n s o r so fh i g ha c c u r a c yr e q u i r e di nd a t aa c q u i s i t i o no fs t a r t e r t e s t i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d 。 2 u s i n gs o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r eo ft h el a y e ra n d p i p i n gf i l t e rs t y l e a n d c o m p o n e n tt e c h n o l o g i e s ，t h e c o m p o n e n t s s u c ha si n i t i a l i z a t l o n ， p a r a m e t e r ss t e t t i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c a l c u l a t i o n a n dc o n t r o l ，s y s t e m r e g u l a t i o n ，s y s t e m m o n i t o r i n g ，d a t a s a v i n g ，r e p o r tg e n e r a t m g a r e d e si g n e d 3 a n a l y z i n gt h ec o m p o n e n tf u n c t i o no fs o f t w a r es y s t e ma n du s i n gc o m t e c h n 0 1 0 9 y a b s t r a c t e da n de n c a p s u l a t e dt h es y s t e m s t r u c t u r et of u l f i l lt h e c o m c o m p o n e n t 4 t h et e s t i n gs y s t e m ，w h i c hs a t i s f yt h ea c c u r a c yr e q u e s t ，d e a l w i t ha l l k i n d so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n s s w i t c h ，i d l el o a d ，l o a d ，s t a r t a n ds t o p f u n c t i o na r ed e s i g n e d 5 t h ek e vd a t u mo ft h es t a r t e r , s u c ha s ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，t o r q u e ，a n dr o t a t e s p e e da r ed e t e c t e da n da c q u i r e d k e y w or d s ：s t a r t e r , t e s t i n gs y s t e m ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，c o mc o m p o n e n t 工程硕士论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，不包含为获得浙江工业大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 同衢 日期：2 0 0 5 年0 9 月1 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密酊在 2 、不保密口。 ， 乙一年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 日期：2 0 0 5 年0 9 月1 5 日 日期：3 彤c 车7 角玉日 r 一， 工程硕士论文 1 1 引言 第一章前言 1 1 1 起动机检测系统发展现状 目前，国内对起动机的检测系统和检测方法的研究还是比较多，但大多数 汽车起动机特性的检测方法主要还是采用传统的非连续的测量方法，该测量方 法是在不同的负载条件下，测出起动机8 1 0 个点的参数，然后在图表上连接各 参数点，作出特性曲线。近年来，国内已开发了汽车起动机的微机测试系统， 但此类微机测试系统主要还是依靠单片机进行控制，存在数据采集量少、传输 速度慢等缺点。我国起动机产量最高的厂家( 上海电器、长沙汽电、湖北神电) 集中度( 市场占有率) 只有4 0 左右，而国外厂家的集中度达到8 0 以上【。 从9 0 年代初，国内外就开始对汽车起动机性能自动检测技术及设备进行研 究开发，技术水平在不断进步。我国第一台汽车起动机性能c a t 系统是邹日升等 人在1 9 9 1 年研制成功的。该设备运用a p p l e 一型计算机进行数据采集和控制，能 连续检测不同负载点的电压、电流、转矩和转速，并自动进行功率计算修正和描 绘出特性曲线，采用由计算机控制的整流电源作为蓄电池，可以根据所检测起动 机的功率进行自动调整，从而从根本上解决了试验电源与起动机功率不匹配的 问题。徐新邦在1 9 9 7 年研制了一种汽车起动机性能c a t 系统，该设备采用b c m a 型计算机及m s l 2 11 接口板作为主体控制部件，运用磁粉制动器由计算机控制进 行连续加载，能连续检测起动机的负载性能，但该设备采用充电机用常规蓄电池 作为电源，缺乏与不同型号起动机的匹配合理性，并且费时。美国的 w i l f r i e d b e n n i n g 在1 9 9 7 年研制了一套综合c a t 设备，该设备用于对生产线和 车间的电动机( 含起动机) 性能进行自动检测，该系统初步运用了集成化思想， 将负载性能试验与型式试验进行集成，采用磁粉制动器进行试验加载，并且采用 p i d 控制算法对加载转矩进行跟踪和闭环控制。在19 9 8 1 9 9 9 年，阳春华、王雅 琳等人在运用先进控制算法如智能p i d 控制对起动机试验过程进行闭环控制， 提高了检测精度和设备运行平稳性。李勇刚等人于1 9 9 9 年研究采用了自校正 p i d 控制算法于起动机电磁开关的性能测试。上述试验台的技术比早期试验台 有了很大的进步，但在试验项目的集成度、试验台通用性方面还有欠缺，对试验 过程的控制算法和模拟负载的研究还有待于进一步深入。 1 1 2 该系统特点 国家汽车行业标准( q c t 2 9 0 6 4 9 2 ) 对汽车动机的特性试验方法和各种型 式试验方法均作了相关的规定，专业标准( z b t i l 0 0 1 8 6 ) 则规定了起动机在 i 3 工程硕士论文 同负载转矩下的转速、电压、电流等参数，以确定起动机的额定功率及获得起动 机特性。起动机的功能是依靠蓄电池提供的电能，完成对汽车发动机的起动， 并在发动机旋转后立即停止工作。针对它的工作特点，本课题所研究设计的起 动机测试系统是由计算机和p l c 组成的两级控制系统。计算机负责测试参数设 置、数据采集、数据处理、测试监控、测试结果查询、打印以及与下位机p l c 通信等功能，p l c 负责测试过程中执行机构的开关逻辑动作控制、判断测试系 统工作状态以及与上位机通信。两者之间通过串行通信接口r s 2 3 2 进行数据通 信。采用p i d 与模糊p i d 算法分别控制电压回路和力矩回路，选用的高精度传 感器能够快速检测起动机的开关性能、空载性能、负载性能以及制动性能等所 对应的相关参数，通过计算机处理后与标准值比较来判定起动机是否合格。从 而能够实现快速、精确的测试起动机产品，解决了大量的重复测试造成人体疲 劳而导致的各种问题。 1 2 自动测试系统的组成及发展现状 通常把在人工最少参与的情况下能自动进行测量、数据处理并输出测试( 量) 结果的系统称为自动测试系统( a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ，简称a t s ) 。系统 通常是在标准的测控总线或仪器总线的基础上组建而成的，其研究开发工作始于 5 0 年代的美国。发展前期主要应用于军事领域，如：飞机自动测试系统，导弹 自动测试系统。随着科学技术和生产的发展，传统生产领域的测试内容日趋复杂， 测试工作量急剧增加，因此a t s 在民用工业和科研部门也逐步得到广泛的应用， 如：发动机自动测试系统，印制电路板自动测试系统1 2 一。 一般情况下，一个自动检测系统组成可用图1 - 1 所示表示。 - 一显示记录 l 被 信 l 钡u 传号 惜 1 信 对 感 预 号。一显不记录 象 器 处 输处 口量。看理 理 + l - q 激励源卜一- i 激励控制卜j 图1 1 测试系统框图 1 激励源 激励源是用于向被测对象输入能量，激发出能充分表征有关信息又便于捡 测的信号。 2 传感器 传感器是指能感受规定的被测量并按定规律转换成同一种或另一种输出 工程硕士论文 信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件直接感受被测量，转换元件将敏感 元件的输出转换为适于传输和测量的信号。对于一个测试系统来说，如何选取 一种精度高的传感器是很重要的。 3 信号的中间变换 信号的中间变换是将传感器输出信号转换成便于传输和处理的规范信号。 因为传感器输出信号可能是微弱的或混有噪音，不便于处理、传输或记录，所 以一般要经过调制、放大、解调和滤波等调理，或作进一步的变换。 4 信号处理 信号处理是将中间变换的输出信号作进一步处理、分析，提取被测对象的 有用信息。 5 显示记录或运用 将处理结果显示或记录下来，供测试者作进一步分析。若该测试系统就是 某一控制系统中的一个环节，处理结果将被直接运用。 当然，并不是所有测试系统都包含上图的所有环节。 自动测试系统最早出现于二十世纪5 0 年代初期，至今已历经三个阶段。 第一阶段，总装阶段，即专用测试系统。它是针对某项具体的测试任务， 将几种不同的输入和输出电路的几种可程控仪器总装，形成一个组装系统。这 种系统的设计和维护复杂，适应性不强，研制费用较高。 第二阶段，接口标准化阶段，即积木式自动测试。这种系统组建方便，由 专门的通用接口电路更改，增加测试内容也很灵活，显示了很大的优越性，已 得到广泛应用。 第三阶段，p c 仪器( p e r s o n a lc o m p u t e r b a s e di n s t r u m e n t ) 阶段。出现了所 谓的“虚拟仪器”( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，给测试系统带来了革命性的冲击，对测 试理论、测试方法等产生了重大影响。基于p c 机的自动测试系统向着高速、 高效，智能化、多功能化、多样化发展，已经成为当今自动测试系统的主流r 凡 8 1 ，软件技术的突飞猛进，面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更 多容易使用和功能强大的软件开发提供了可能性。 本课题所研发的汽车起动机性能自动测试系统，必须符合甜s 发展趋势， 以提高检测效率，满足大批量生产的需求。 1 3 自动测试系统软件的发展现状 现代自动测试系统由三个部分组成，分别是自动测试设备a t e ( a u t o m a t i c t e s t i n ge q u i p m e n t ) 硬件和操作软件、测试程序集和应用开发环境。其中硬件 是一个关键，它决定原始信号的获取精度及信号传输、转换及分析精度等。因 工程硕士论文 此自动测试系统必须具有良好硬件系统，包括性能好的传感器、信号调制处理 电路。 起动机性能自动测试系统以p c 为控制平台，通过其上运行的应用程序来控 制外部电器设备的动作，从而完成整个测试系统的功能操作。近年来人们逐渐 认识到，要提高软件开发效率，提高软件产品质量，必须采用工程化的开发方 法，基于组件的软件开发已成为趋势，它以过程为中心，强调软件开发采用构 件化技术和体系结构技术，要求开发出的软件具备很强的自适应性、互操作性、 可扩展性和可重用性。软件复用技术可以极大地提高软件开发效率和质量。基 于可复用软件开发包括两个方面，开发可复用软件构件和基于可复用构件的软 件开发。软件构件是独立于特定的程序设计语言和应用系统、可重用和自包含 的软件成分。基于组件技术的开发方法，具有开放性、易升级、易维护等优点。 它是以组合( 原样重用现存组件) 、继承( 扩展地重用组件) 、设计( 制作领域专用 组件) 组件为基础，按照一定的集成规则，分期、递增式开发应用系统，缩短开 发周期，从传统的“数据结构+ 算法”开发模式转变成“构件+ 构件间的联系” 开发模式。在开发过程中遵循以组件为核心原则、组件实现透明原则及增量式 设计原则。目前，在组件技术标准化方面，主要有以下几个比较有影响的规范： o m g 起草与颁布的c o r b a ，微软公司推出的c o m d c o m c o m + ，s u n 发表 的j a v ab e a n s ，组件集成实验室( c il a b s ) 的o p e nd o c 。由于w i n d o w s 操作系 统的流行，c o m d c o m c o m + 组件技术深受程序员偏爱，目前已有大量系统 基于此组件技术。 自1 9 6 8 年提出软件工程概念以来，软件工程界已经提出了一系列的理论、 方法、语言和工具，解决了软件开发过程中的若干问题。但是，软件固有的复 杂性、易变性和不可见性，使得软件开发依然存在周期长、代价高和质量低的 问题依然存在。为了提高软件需求和软件设计的质量，必须从一个较高的层次 来考虑组成系统的构件、构件之间的交互，以及由构件与构件交互形成的拓扑结 陶，这些要素应该满足一定的限制，遵循一定的设计规则，能够在一定的环境下 硅行演化，这些就构成了软件体系结构。软件体系结构已成为目前软件工程领域 研究的热点之一。良好的体系结构可以为软件开发和维护带来好处，主要体现在 以下方面：第一，经过四十多年的软件开发实践，今天很少待开发的软件系统与 以前的系统没有任何相似之处，识别相似系统的通用结构模式，有助于理解系统 艺间的高层联系，使得新系统可以作为以前系统的变种来构造。第二，对软件体 系结构的准确理解，可以使开发人员在不同的设计方案中作出理性的选择。第三， 本系结构对于分析和描述复杂系统的高层属性通常是十分必要的。第四，各种体 系结构风格的提炼、描述和普遍采用，可以丰富设计人员的“词汇”，便于在系 6 工程硕士论文 统设计中互相交流。第五，目前相当大的维护工作量花费在程序理解方面，如果 在软件开发文档中清楚地记录了系统的体系结构，不仅可以显著地节省软件理 解的工作量，而且便于在软件维护全过程中保持系统的总体结构和特性不变。同 时，软件体系结构还是控制软件复杂性的一个很有前途的方法。软件开发方式 逐步进入“软件构件+ 软件体系结构 的开发模式，能够很大程度上解决软件 开发效率和软件开发质量的问题。 一个完整的测试软件均包括以下几个功能模块，主程序模块、设备控制模 块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、数据管理模块和信息输出 模块等。由于这些功能模块在各种类型的测试软件中所体现出来的在很大程度 上的一致性和不变性，因此我们可以通过抽象将它们设计成标准模块。通过准 确定义这些功能模块的接口，并将以上每一个模块分解为更小的、功能单一的 小模块进一步抽象，形成更多标准化组件，从而达到在测试软件的开发过程中 灵活组态、任意复用的目的。 起动机性能自动测试系统软件开发过程中，充分吸取成功的开发模式。利 用已有的可靠设计模块、功能代码保持系统开发的快速性，保证后续软件产品 开发的连续性以及软件系统的良好维护性。选择软件开发方法时，面向对象技 术具备优良的维护能力，而基于软件体系结构开发具有能满足软件开发需求和 设计阶段的正确性以及基于组件技术的软件开发方法的先进性和快速性，在本 测试系统的开发上充分运用上述技术，成功地实现了系统软件的开发。 1 。4 主要研究内容 汽车起动机自动测试系统作用是用于快速测试起动机的各项出厂性能指 标，因此研制开发起动机自动测试系统具有重大的现实意义。 本课题主要研究内容为： 一根据自动测试系统的发展趋势，提出起动机性能自动测试系统的初步设 计思想和开发方案； 二针对汽车起动机的测试要求，提出适合该测试条件的测试电路和适合该 测试精度的各类传感器。研究设计汽车电机自动测试系统硬件系统； 三汽车起动机性能自动测试系统软件研究。根据系统功能的要求，确定组 件的标准，规划系统的各个功能模块。从软件和硬件的角度分析系统结构特征， 决定方案实施的总体框架。 四提出起动机的软件体系结构，通过应片jc o m 组件技术，设计和实现系 统的各个功能组件，并将各个功能组件按照软件体系结构进行组装，实现系统 功能。 7 ： 程坝士论文 第二章汽车起动机测试系统设计 起动机测试系统由软件和硬件两部分组成软件部分包括计算机系统的应 用测试程序和p l c 控制器的梯形图。硬件部分包括数据的采集系统、多功能卡、 执行机构及计算机外设。其中数据采集电路由基本的模拟电路和相应的传感器 电路组成，而自动测试系统的硬件部分由由计算机，数据采集卡，p l c 控制器， 外围接口电路板，执行结构以及驱动直流电源组成。 - 详细介绍测试系统的方案设计、测试电路的功能、相关传感器的选取及工 作原理、自动测试系统硬件的结构和工作原理。 2 1 汽车起动机工作原理 汽车发动机由静止状态转入工作状态的全过程我们称为起动过程，完成发 动机起动过程而设置的装置称为起动系统。汽车启动系统由起动机、点火启动 开关、蓄电池等组成。通过起动机实现发动机曲轴的回转运动，汽缸才能不断 吸入汽油和空气，经压缩、点燃、膨胀和排出废气以实现发动机的工作循环。 因此起动装置必须具备以下几个条件：有足够的力矩来克服发动机内部机件 的阻力；在一定的气温条件下能可靠的起动，起动时间短，操作方便能连续 多次起动；耗能少。起动机作为机械动力源，通过电机轴上的齿轮与发动机 曲轴后端的飞轮外缘齿圈相啮合，从而带动飞轮和曲轴转动。起动机基本结构 如图2 - 1 所示。起动机由直流电动机、传动机构和控制装置三大部分组成。直 流电动机由电枢( 转子部分) 、磁极( 定子部分) 、电刷、换向器等部件组成， 与相应的发电机结构基本相似。工作时，电枢在通电的情况下受到定子部分磁 场的作用，从而产生电磁力作用而产生一个扭矩。该扭矩通过传动机构传递给 发动机的飞轮，起动发动机。扭矩的大小和电枢的电流、磁极的磁通成正比， t = k ，西i a 。式中：t 一电磁转矩；k ，一电机常数；i a - - 电枢电流：一磁极磁通。控制 装置现在一般采用电磁式，电磁式控制装置实际上是一种电磁式控制开关，简 称电磁开关。电磁式控制的起动机的电路包括两个回路，一个是主电路，提供 直流电动机电枢和磁极( 非永磁磁极) 所需电流电压，用来产生转矩；另一个 为开关电路，提供电磁开关工作的电流和电压。电磁开关的作用是控制电动机 主电路的通断，同时操纵起动机单向啮合器与飞轮的离或合，电磁开关上具有 两种线圈，一种是吸引线圈，作用是推出单向啮合器：一一种是保持线圈，当单 向器推出后，吸引线圈短路，通过保持线圈保持开关处于吸合位置。起动机的 8 工程硕士论文 起动过程如下：首先，启动开关接通电磁开关，电磁开关将单向啮合器推出， 与发动机飞轮啮合；其次，当单向啮合器与飞轮完全啮合时，起动机正常旋转， 使发动机起动；最后，松开启动开关，单向啮合器在复位弹簧的作用下自动复 位，起动机停止工作p n 。为了减轻起动机的体积和重量及具有可靠的性能，现 在往往采用永磁材料作为起动机的磁极，取消了传统起动机中的励磁绕组和磁 极铁心。本项目测试系统所测试的对象为q d y l 2 1 9 型永磁减速起动机，它的参 数是电压为1 2 v ，输出功率为1 1 k w 。它的基本结构如图2 - 1 所示，它与永磁 起动机的区别在于它在驱动齿轮与电枢轴之间安装齿轮减速器。 1 、蓄电池2 、起动开关3 、启动继电器线圈4 、启动继电器触点5 、电磁开关接线柱 6 、起动机主接线柱7 、主触点8 、接触盘9 、吸引线圈l o 、保持线圈1 l 、活动铁芯 1 2 、拨叉1 3 、复位弹簧1 4 、单向离合器1 5 、负载飞轮1 6 、螺旋花键轴1 7 、内啮和 减速齿轮1 8 、主动齿轮1 9 、电枢2 0 、磁场绕组 图2 1 起动机基本结构示意图 2 2 测试原理 本起动机性能测试系统包括数据采集系统和计算机数据处理系统两部分。 由于被测和被控的量主要是各种模拟信号，为了实现计算机对被测信号的分析 和数据处理，首先应解决模拟信号的数据采集问题。通过数据采集系统，将传 感器输出的模拟量，经过预处理并依靠模数( - 加) 转换器转换成计算机 9 工程硕士论文 所需数字量。数据采集系统包括多路模拟开关，采样保持电路，a d 转换器及 微处理机的接口电路组成。计算机数据处理系统是对数据采集系统过来信号进 行存储、显示、分析、处理和传输。计算机通过r s 2 3 2 总线对p l c 控制及信息 反馈。起动机测试系统原理图见图 _ 2 所示。 图扣_ 2 起动机测试系统原理图 被测起动机置于实验平台上，起动机各项参数由传感器a 1 洲等测量， 并经过预处理电路，送入与微机接口的数据采集系统，微机一方面采集起动机 的各种信号并进行分析和处理；另一方面按计算机程序的要求，通过r s 2 3 2 总 线对p l c 发布信号，p l c 通过模拟信号数据输出通道去控制实验平台的激励源， 完成起动机的固定或松开工作。计算机分析和处理的结果输至外围设备( 打印 柳) 。 2 3 系统设计方案 2 3 1 系统测试过程分析 要进行起动机性能测试，首先要采集测试所需数据，采集的数据包括开关 电路的电压电流、主电路的电压电流、起动机的转速、起动机力矩的大小以及 各种行程开关状态等。数据采集通过外围传感器、放大器、隔离器、高速采集 卡共同完成。依据起动机结构及工作原理、测试要求，起动机测试结构如图2 3 所示。 1 0 工程硕士论文 图2 3 起动机测试结构示意图 它的基本工作原理是这样：起动机通过直流电源1 启动运行，电源电压为 2 4 v ，直流大电源连接起动机的b 、m 、s 端接线柱，这几个接线柱分别对应于起 动机电磁开关吸引线圈两端以及直流电机的磁极和电枢，相对应的电流电压是 通过电流电压传感器获取。起动机转速指单向啮合器每分钟的旋转圈数，采用 转速传感器直接测量起动机单向啮合器的速度。通过直流电源2 电流的控制磁 粉制动器力矩的大小，电源2 的电压为1 2 v ，起动机的力矩通过磁粉制动器上 力矩传感器间接获得。起动机的性能的体现在开关的性能和直流电机的性能。 开关性能包括开关的闭合能力( 吸引线圈的性能) 即当起动发动机时吸引线圈 能够在很短的时间里闭合电磁开关从而接通起动机中的直流电机电路，同时推 出单向啮合器与发动机飞轮啮合，电机旋转从而带动驱动齿轮转动之后在带动 发动机飞轮转动，保证发动机正常起动开关释放能力( 复位弹簧以及保持线圈 的性能) 即当单向啮合器推出之后复位弹簧以及保持线圈保持电磁开关处于闭 合的能力。而直流电机的性能则指的是直流电机在一定条件下的空转性能( 电 机空载转速) 以及带负载能力( 直流电机产生扭矩的大小) 。对于起动机的性能 的检测系统一般包括开关试验、空载试验、负载试验等几项性能测试。负载试 验是检测起动机在一定条件下产生力矩的大小，由于起动机力矩大小不能直接 测量，因此在测试过程中需要配置一个制动器，用来模拟发动机启动时飞轮的 阻力矩，以此检测起动机力矩大小是否符合性能要求。 由计算机分析处理采集的数据，判断起动机的当前的运行状态。随后作出 决策，决定是否对起动机的运行状态进行调节控制以确保起动机运行在设定的 条件下。_ 旦起动机达到设定条件，计算机对此时采集到的相关数据进行判断， 工程硕士论文 确定起动机性能是否合格。最后对测试的结果进行标记和保存。测试过程中， 显示器实时显示起动机当前的运行状态。 测试系统由软件、硬件组成。软件负责系统的控制决策和数据分析处理。 硬件负责数据的采集以及对控制命令的响应执行。具体过程如下： 根据要求，从而确定系统的运行方式为： 第一步，运行程序，初始化系统，选择相应的测试类型，进入测试界面。 第二步，发送测试命令，通过p l c 完成测试准备，如夹具夹紧起动机，准 备完毕之后，告知计算机开始进行测试。 第三步，计算机按照预定的测试流程进行各项测试并调节相应控制量，使 起动机运行在设定的条件下进行测试。 第四步，计算机对测试结果进行判断，并对测试结果进行标志，不合格产 品则报警，并且按照测试要求决定是否保存测试结果。 第五步，技术人员通过查询或者打印的方式对测试结果数据进行分析，确 定起动机性能在某一时间段内的变化。技术人员通过显示器可观测到起动机实 时运行状态，分析起动机质量。 2 3 2 系统设计总体结构 根据以上的论述，该测试系统应由软件和硬件两部分组成。软件部分包括 计算机系统的应用测试程序和p l c 控制器的梯形图。硬件部分包括数据的采集 系统、多功能卡、执行机构及计算机外设。系统总体基本结构框图如图2 4 所 示： 1 ) 计算机系统，包括计算机软件环境及测试应用软件。主要作用是处理测试数 据、调节测试过程输出、控制测试流程、判断测试结果、保存测试结果、提供 良好的人机接口界面满足技术人员对系统测试条件的设定修改要求以及修正系 统误差的。 2 ) p l c 控制器，通过r s 2 3 2 实现与计算机的信息交换，根据测试要求按照p l c 中预先设置的程序控制执行机构的动作。 3 ) 多功能卡，实现对系统各种模拟信号、数字信号的采集以及测试过程中控制 信号、控制量的输出。多功能卡采用“即插即用 方式，通过p c 扩展槽实现 与计算机系统的数据交换。 4 ) 执行机构，执行机构完成p l c 控制器( 下位机) 下达的命令，通过驱动相 关的电路开关闭合分歼和气缸进行相应的动作，如夹紧、松开、移动等等。 5 ) 计算机外设，计算机外设包括显示器、打印机等。通过计算机外设实现数 据的显示与测试结果的打印。 工程硕士论文 2 4 测试系统硬件设计 图2 4 系统总体基本框图 2 4 1 测试系统硬件组成 根据起动机测试过程、性能测试任务要求以及用户需要，设计出电气系统 结构图，如图2 5 所示。 图2 5 电气结构示意图 系统由计算机以及前向通道和后向通道两个通道组成。前向通道是系统的 控制通道，后向通道是数据采集通道。前向通道包括多功能卡的d a 通道及d 0 通道( 丌关量输出通道) 、p l c 控制器的开关量输出。后向通道包括多功能卡的 工程硕士论文 h d 通道及d i 通道( 开关量输入通道) 、p l c 控制器开关量的输入。d a 只需要 2 个控制通道，完成对起动机以及制动器的调节。p t d 需要6 个通道如电磁开关 回路的电流电压、主回路的电流电压、起动机的转速、制动器力矩的大小等。 开关量的输入输出通过p l c 进行相应的处理之后被计算机获取。 计算机选择研华的i p c 6 0 1 0 ，c p u 采用p i i l 8 0 0 ，内存2 5 6 兆，硬盘4 0 g ， 小键盘、以及1 7p h i l i p 彩显，能够满足系统测试要求，计算机的选择主要考 虑系统性能要求以及以后的功能扩展，另外兼顾系统外观和用户要求。p l c 控 制器选择0 m r o gp l c 。多功能卡选择研华的p c l - - 8 1 2 p g ，p c l 一8 1 2 p g 为i s a 总 线卡，是一个高性能、高速度、多功能数据采集卡，具有1 6 个单端模拟量输入 通道，2 个双缓冲模拟量输出通道，1 6 个数字量输入和1 6 个数字量输出通道。 能够满足系统的需要，如果系统需要进一步扩充性能规格，也可以选择两块板 卡，不影响已有的板卡性能。与之配套的端子板选择p c l d 一7 8 2 、p c 一8 8 0 、 p c l d - - 8 8 5 。p c l d - 8 8 0 ，是一个1 6 通道模拟量输入输出端子板。电流、电压、 转速、流量、压力等现场数据经各种传感器、变送器后的采样信号经p c l d - 8 8 0 的h d 通道转换为数字量输入计算机，完成系统模拟量的输入；由于所有的测 试数据都必须由传感器获得，因此传感器的选择直接影响该系统的检测精度计 算机闭环控制的控制量输出经过p c l d - 8 8 0 的d a 口传送给起动机大电源和磁粉 制动器的激磁电源，完成系统模拟量的输出。p c l d 7 8 2 ，是一个1 6 通道光电 隔离数字量输入板，提供1 6 位的数字量输入给p c l - 8 1 2 p g 。控制台上的所有 操作通过按钮、旋钮经p c l d 7 8 2 的开关量输入口( d i ) 输入计算机，完成系统数 字量的输入。p c l d - 8 8 5 ，是一个1 6 通道功率继电器数字量输出板，提供来自 p c l 一8 1 2 p g 的1 6 位数字量驱动1 6 个继电器。计算机输出的控制信号通过 p c l d - 8 8 5 的开关量输出口( d 0 ) 输出到p l c 控制器指示灯、蜂鸣器、继电器等， 完成系统数字量的输出。 一 多功能卡p c l 一8 1 2 p g ，可以直接插入计算机i s a 扩展槽。它通过四条二十 针数据线连接外部端子板实现数据交换，外部端子板通过隔离器、放大器、传 感器等实现数据的输入输出计算机系统。 系统需要两个可控的直流电源，可以通过计算机控制电源电压或电流的大 小，以满足测试要求。一个直流电源用来保证起动机的工作环境，该电源电压 o 一3 0 v 可调，最大输出电流为2 2 0 0 a ；另一个是保证制动器的工作电源，该电 源应当有效的满足磁粉制动器电流精度的需要，是一个小的直流电源，电压输 出范围0 1 2 v ，最大电流为2 0 a ，并可以进行调节。由于两个电源分别对应于 不同的对象，都需要进行调节控制，因此不能合并。 工程硕士论文 2 4 2 传感器的选取 根据行业标准起动机特性试验方法( z b t1 1 0 0 1 8 6 ) 规定：起动机检测有 吸合电压、释放电压、触点压降、空载、制动、负载i 、负载i i 等七项技术指 标，如表2 1 所示。检测精度必须在0 5 以内。表中所列的是型号q d y l 2 1 9 起动机性能测试要求，不同型号的起动机性能测试数据基本类似。吸合电压试 验、释放电压试验、触点压降试验是针对电磁开关性能的；空载试验、负载试 验i 、负载试验i i 、制动试验是针对直流电机的。根据实际使用情况，要求这 些测试项目的所测参数在规定的测试时间内，达到企业标准的要求，即要求传 感器检测各自参数的时间都必须在表2 1 中所示范围内，否则该零件就为不合 格。因此必须选取适合的传感器，满足其测试的精度要求。 表2 1 起动机测试参数 测试条件合格要求 序测试开关回开关回主回路主回路起动机起动机要求测测试型号 号 项目 路电压路电流电压电流转速 力矩 试时间q d y l 2 1 9 ( v )( a )( v )( a ) ( r p m ) ( n m )( s ) 吸合电 v 0 = 4 vv 0 = 4 v 1 1 0 = 2 0 a ll| 6 s 8 v 压试验0 5 n 舄 0 5 v s 2释放电v 0 = 7 vv 0 = 7 v i o = 3 5 a|l| 4 s 5 v 压试验1 v s1 v s 触点压1 5 + 0 1 32 0 a| 3 s 3 s 8 2 0 r p m 5|t| 3 s 验i o 1 v0 1 v0 1 n m 8 2 0 1 p m 6| 3 s 验i i 0 1 vo 1 v0 1 n m 1 8 5 n m 74 vl 甜 | 3 s 验 7 5 0 a 1 ) 测试系统的电流传感器选用北京森社电子有限公司生产的c h b 一2 5 n p 型闭环 霍尔电流传感器，它的参数如表2 2 所示： 表2 - 2 霍尔电流传感器参数表 额定频率测量输出 恒数 测量电阻( o ) 失调电源耗电 绝缘工作 型号精度电压 温度 值 ( h z ) 范围值 比 m i nm a x值 v c ( v )( m a ) ( k v )( ) c h b 1o 厂 7 磁粉制动器 机 检测力矩 力矩传感器 | 图2 1 1 系统反馈控制图 阻力矩。由于磁粉制动器不能够在大范围内保持良好的线性度，力矩控制回路 建立精确数学模型非常困难，采用传统p i d 控制器控制力矩回路往往会产生力 矩超调过大或者反复振荡，甚至发散的现象。在这种情况之下，力矩控制回路 必然要求采用改进的传统p i d 控制算法。 模糊控制系统以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规划推理 为理论基础，采用计算机控制技术构成的具有反馈通道的数字控制系统【2 l 】。组成 核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制器优点是不要求掌握受控对象的数学 模型，而根据人工控制规划组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。 模糊p i d 控制器吸收了模糊控制的推理机制和p i d 控制结构简单性能稳定的 特点，把模糊控制和p i d 控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制的灵活、 适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。在窑炉、机器人等非线性、滞后 性大的控制领域应用较广1 2 2 1 。在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实 现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式，以误差e 和误差变化 2 4 工程硕士论文 率& 为输入语句变量。结合起动机性能测试系统的控制特性以及模糊p i d 控制器 的特点，在系统中采用模糊p i d 控制器控制力矩回路。系统中，模糊p i d 控制器 输入检测力矩以及该力矩的偏差，通过相应的隶属函数( 三角型) 进行模糊化， 然后通过模糊规则确定控制规则，最后按照最大隶属度规则确定控制量输出。该 模糊p i d 控制器能够有效满足系统对力矩的控制要求。 针对测试系统的控制要求，系统负载性能测试控制结构如图2 1 2 所示。 厂1 二f 赢一一一一一一： 负 载 性 检测电 p i d 控制器hd ah 主电源 能l 设定力矩 测l 士 7 a d 卜_ - 1 电压传感器 检测力 a dh 力矩传感器 图2 1 2 负载性能测试控制结构 待 测 起 动 机 图中大的虚线框表示工控机系统，小的虚线框表示模糊p i d 控制器。系统 在进行负载性能测试时，选择p i d 控制器作为主电源控制器，控制电压回路； 选择模糊p i d 控制器控制力矩回路。两个控制回路共同保证了起动机负载测试 项目中电压和力矩的控制精度，达到了系统测试要求。 2 、7 小结 本章在分析起动机工作原理的基础上，阐述了起动机的测试原理。提出了 起动机设计方案及起动机测试电路实现方案。选择各种合适电气元器件，并对 所选择的高精度传感器的类型及其工作原理做了较详细的论述。设计系统的硬 件结构，并描绘出系统应用软件功能结构。针对起动机负载性能测试特点，采 用p i d 控制器和模糊p i d 控制器分别控制电压和力矩，有效地确保测试控制精 度和测试快速性。 工程硕士论文 第三章基于组件的软件开发方法及应用 软件是测试系统的中枢核心，完成系统的设置、运行、保存等功能。本章 介绍了基于组件开发的技术过程和意义，并详细阐述了组件技术和c o m 组件 的开发和应用，论述了测试系统的软件部分