（电气工程专业论文）汽车变速器试验台控制系统的研究.pdf

新江大学毕业论文 摘要 介绍了变速器试验台发展前景及汽车零部件试验装黄种类，分析了开式试验 台、机械封闭式试验台和电封闭式传动试验台的优缺点，选择具有反应灵敏、易 于控制、布置方便、不受被试件尺寸和传动比限制、节能等优点的电封闭式试验 台作为变速器试验台方案。根据变速器能传递的最大功率和最大扭矩，选择调速 方便，调速范围广的交流电机作为试验台的驱动电机和加载电机；根据变速器能 传递的最大功率和最大扭矩，设计了直接转矩控制变频器，并针对变频器再生能 量的回收系统进行了广泛的研究，得到了一个完整的逆变回馈系统方案，并通过 实验得以证实。论文详细介绍了系统控制方案，并对i g b t 的驱动、p w m 逆变控 制器、由c p l d 构成的p w m 脉冲分配器、换相续流、系统可靠的保护电路等关键 的技术细节进行详细的论述。最后，利用虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s c v i 编写了测试控制软件，并对试验数据进行了分析处理。 关键词：变速器；电封闭式试验台；直接转矩控制 浙江大学毕业论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n t a lp r o s p e r i t yo ft r a n s m i s s i o nt e s t s y s t e ma n d t h e c a t e g o r i e so fa u t o m o b i l ep a r t st e s ta p p a r a t u sa r es h o r t l yd e s c r i b e d t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo p e nt r a n s m i s s i o nt e s t e r ， m e c h a n i c a l e n e r g y r e t u r na n de l e c t r i c e n e r g y r e t u r nt r a n s m i s s i o nt e s t e ra r e c o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d t h ee l e c t r i ce n e r g yr e t u r nt r a n s m i s s i o nt e s t e r i ss e l e c t e da st h es c h e m eo ft h et r a n s m i s s i o nt e s t e r ，w h i c hi ss e n s i t i v e a n de c o n o m y ，c a nb ec o n t r o l l e da n da r r a n g e dc o n v e n i e n t l ya n di s n o t r e s t r i c t e db yt h es i z ea n dg e a rr a t i oo ft h et e s t e da s s e m b l y a c c o r d i n g t ot h em a x i m u mp o w e ra n dt h em a x i m u mt o r q u ew h i c hc a nb et r a n s m i t t e db y t h et r a n s m i s s i o n ，d i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o ra n dd y n a m o t o ra r es e l e c t e d ， b e c a u s et h e yc a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d ，h a v eb r o a dt i m i n gb o u n d a c c o r d i n g t ot h em a x i m u mp o w e ra n dt h em a x i m u mt o r q u ew h i c hc a nb et r a n s m i t t e db y t h et r a n s m i s s i o n ，t h er e va n dt o r q u es e n s o r ，t r a n s m i s s i o na n dj o i n ta r e s e l e c t e d t h e r e f o r et h i sg r a d u a t e dt od e s i g nt h el e s s o nt h er e c o v e r ys y s t e mf o ra i m a td t cc o n t r o ls y s t e ma n dd r a w i n g b a c kt h er e b o r ne n e r g yo ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c y d r i v es e tt op r o c e e d st h ee x t e n s i v er e s e a r c h e d ，a n dg o tac o m p l e t ei n v e r s i o na n d r e c o v e r ys y s t e mp r o j e c t ，a n dp r o o f e db yae x p e r i m e n t t h i st h e s i sw i l li n t r o d u c et h e s y s t e mp r o j e c ti nac o n c r e t ew a y , a n dw i l lc a r e f u l l ye x p o u n dt h et e c h n i q u ed e t a i l s a b o u tt h ed r i v eo f i g b t 、t h ec o n t r o l l e ro f i n v e r s i o n s y s t e m 、t h ea l l o t m e n t e ro f p w m p u l s e c o n s t i t u t e d b yc p l d 、t h ea f t e r f l o w 、a n d t h ei n f a l l i b l e p r o t e c t i o n c i r c l e s ，a s s e m b l yd r a w i n ga n dp a r t sd r a w i n ga r ed r a w n t h es c h e m eo ft h e c v tt e s ti sp l a n e da n ds o m eo ft h et e s td a t ai sd i s p o s e dw i t ht h ep r o g r a m c o m p o s e dw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tw h i c hi sc a l l e dl a b w i n d o w a ；c v i k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n ：t e s tb e n c h ：t o r q u ec o n t r o ld i r e c t l y 浙江大学毕业论文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 随着汽车市场的不断扩大，汽车行业对变速器的需求不断增长，对汽车变速 器的质量要求也越来越高，这就要求既要有高科技的加工手段，又要有高质量的 检测设备。变速器的出厂检验是控制出厂质量的重要环节，出厂检验的任务是在 产品出厂前尽快发现问题并及时解决，以避免在用户使用中出现质量问题，这样 可有效控制产品质量，减少售后服务的工作量，节约资金，降低成本，提高产品 的市场信誉度。利用加载试验台作为变速器的出厂检验设备，在国外早已普遍应 用。近些年来我国的部分生产厂家也丌始使用加载试验台对出厂设备进行检验。 使用加载试验台，可在有载荷的情况下检测变速器，更接近变速器的实际使用工 况，能发现一些空载试验所检查不出来的质量问题，可有效控制变速器的质量。 因此设计开发一种性能好的变速器加载试验台是非常重要的l l j 。 1 2 国内外研究现状 变速器试验台的类型曾从“机械封闭式”到“开式”到“电封闭式”几种类 型等几个阶段，其中“机械封闭式试验台”是由驱动电机、两个传动箱、输入扭 矩转速传感器、被试件、输出扭矩转感器、加载器等组成，由于这种试验台试验 时相当于有一个封闭环功率流在这个封闭的机械传动系统内流动，因此称之为机 械封闭式试验台 2 1 ；“开式试验台”是由驱动电机输出的功率，通过被试变速器 和陪试变速器之后，即被负载装置( 各种测功机) 全部吸收并消耗掉；“电封闭 式”是变速器输出的机械功率首先通过加载电动机转换成电功率，再通过电参数 的调节，将这部分电功率以合适的电压、电流方式( 交流模式时还包括频率和相 移) 传到变速器的驱动电机，再f h 该电机将电能转换成机械能，驱动变速器的输 入轴，实现能量的回馈与利用。 目前机械式试验台已经基本被淘汰，主要研究焦点集中在加载方式，和加载 再生能量的处理上。 浙江大学毕业论文 1 2 1 水力测功机 水力测功机均采用电动排水蝶阀控制，通过改变蝶阀的开度来改变吸收功率 的大小。其制动功率范围从2 0 k w 到3 3 0 0 k w 。该产品主要用来各种柴油机，汽 油机，电动机等动力机的有效功率：是动力机特性试验及传动机械的效率试验中 不可缺少的测试设备。其特点有：体积小、安装容易，结构简单、操作维护方 便，制动力矩大，测量精度高，工作稳定可靠，磁电式测速传感器实现高精 度瞬时转速测量，电控蝶阀快速负载控制，高的响应速度，适于动态。 水力测功机又称水涡流测功器，国外早在6 0 、7 0 年代就已广泛使用。国内 一些厂家引进了西德策尔纳( z o l l e r ) 公司技术，首先在国内开发生产该系列测功 器。目前该工艺技术在国内已经成熟，已广泛进行全系列产品生产。国际上，有 英国弗鲁特、德国申克及美国丌恩公司。国内有几家公司通过仿造，已小批量生 产这种系列产品。国内现，继承并发扬了国外先进技术，进行全新优化设计，目 前已能规模化地生产全系列产品。 1 2 2 电涡流测功机 电涡流测功机是目前国内先进的加载测功设备之一，主要用来测量各种动力 装置的机械性能。d w 及d w d 系列主要由旋转部分( 感应盘) 、摆动部分( 电 枢和励磁部分) 、测力部分和校正部分组成。 励磁绕组通电后，产生一个闭合磁通。当感应盘( 齿状) 旋转时，气隙磁密 随之发生周期性变化，感应出涡流，由于“涡流”和磁场的耦合作用，在转子上产 生制动力矩，而在电枢体上则产生与拖动力矩相同的转矩，并经装在电枢体上的 力传感器检测出来，从而达到测试扭矩的目的【l “。在转速测量上，采用非接触 式的磁电式转速传感器，将转速信号转换成电信号输出。 本机适用于中、小型功率电机、汽车、内燃机、燃气轮机、水轮机、工程机 械、林业、矿山、石油钻采等机械的性能试验，也可作为其它动力设备的吸功装 置，也是变速器试验台的常用加载装置之一。 电涡流测功器( 电涡流测功机) 国内生产厂家较多，但大多数量较低。主要 原因是测功器结构不合理，电子控制技术较落后，且价格较水力测功器贵，因此 浙江大学毕业论文 推广极为困难。 目前针对原c w 系列电涡流测功器的缺憾，国内一些公司对其进行优化设 计，并采用了数字控制技术，使控制仪器的可靠性大大提高，从而彻底改变了人 们对电涡流测功器的传统看法。d w 系列电涡流测功器方便、实用、可靠，且价 格有所降低，是发动机测试设备的又一选择。 1 2 3 磁粉制动器 磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转 矩基成线性关系、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等 优点，是一种多用途性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加 载、制动以及卷绕系统中收卷和放卷的张力控制。 1 2 4 电力测功机 直流电力测功机及其控制系统的目的是使测功机吸收的机械能转化为直流 电能，经有源逆变再转化为交流电能回馈到电网上。其特点有：( 1 ) 节约能源： 系统能量以电力回馈电网方式回收，大大节约能源消耗。一般可以节能4 0 一7 0 ( 主要取决于系统的满载指数) 。这对于可靠性试验而言，节能效益非常可观。 ( 2 ) 优良的负载特性；额定转速以下( 直至零转速) 具有恒扭矩特性，额定转速 以上具有恒功率特性。电涡流测功机、水力测功机等加载器在低速扭矩特性不好， 往往要选择较大容量的测功机才能满足试验要求。直流电力测功机非常理想的解 决了这一问题。( 3 ) 加载倒拖功能，切换方便。这对于那些既需要加载又需要倒 拖的试验( 例如内燃机试验) 就非常方便了。( 4 ) 进口全数字化机芯，全数字化 调节，精度高，稳定性好。( 5 ) 控制调节方便，响应快，可靠性好。( 6 ) 设备简 单，无须大型专用冷却设施( 循环冷却水) 。 1 2 5 回馈式交流电力测功机 国外交流电力测功机a p a 系列具有一定的代表性。它由a v l 和e l i n 公司 联合生产。a p a 系列测功电机是摇篮式笼形异步电机，主电路为交直交系统， 浙江大学毕业论文 以计算机为中心，进行数据采集、处理与工况自控。目前国内也有一些厂家和院 所在研制交流电力测功机，这些研究工作的共同特点都是采用“异步方案”。异 步方案测功电机采用绕线式异步电机，柴油机直接与电机转子联接。定子绕组与 3 8 0 v 厂内电网相联，转予绕组与整流逆变系统相联。柴油机驱动转子超过同步 转速n o 运行为发电状态( 负载) ，电能馈送电网。低于同步转速运行为电动状态( 驱 动) ，测功电机作串级调速方式工作，转差功率经整流逆变系统馈送给电网。测 功区以同步转速为界，高于为发电状态，低于为电动状态。这种测功区比较适合 柴油机的出厂试验用。 1 2 6 直接转矩控制的新型交流电力测功机 直接转矩控制的新型交流电力测功机中测功电机采用笼型三相异步电动机， 采用直接转矩控制技术对其进行变频控制。在一般变频电源线路中，电网端整流 桥的电流只能单向流动，故当测功机从电动机改变为发电机运行时，改向后的电 流不能将能量回馈给电网，只能对直流回路中的滤波电容充电，造成直流电压高 升，导致线路及管件易损坏。本项目采用有源逆变技术，在电网端设计了能量回 馈逆变单元，在本装最控制下，异步电机一方面向电网回馈电能，另一方面又从 电网获取无功电流，事实上要求变频电源能在四个象限控制测功机运行，这是一 般变频电源所不能完成的。 测功机中的测功电机是整个装置的功率吸收部分。它作为被测对象( 如内燃 机、电机等) 的负载吸收被测对象输出的功率，系统可选用鼠笼式交流异步电机 作为测功电机。 电力测功机有直流电力测功机和交流电力测功机，是一种性能优良的加载器 设备 6 1 。它在额定转速以下( 乃至堵转) 都保持恒扭矩，额定转速以上保持恒功率， 因此它几乎能够适合所有的加载应用；电力测功机另一重要优点是它能够将加载 能量大部分回馈回电网( 或输入端) ，节能效果非常好，这对于需要长时间试验的 场合，其节能效益就十分可观了。 测功机是机械传动试验台、发动机及电机性能测试台等试验装置中的核心设 备。常用的如机械测功机、水力测功机、电涡流测功机等均是将测试中所产生的 能量转化为热能而消耗掉，不仅造成能量浪费，而且还需配置散热设备。而电力 浙江大学毕业论文 测功机不仅能实观能量的回馈，还可用作测功电动机，这是其它测功机所不具备 的，因此电力测功机的应用己日趋广泛，特别是在电封闭试验台中是必不可少的。 电力测功机目前大都采用直流测功电机，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，往往采用机械减速装置，使系统复杂且噪声增大。而交流电力测功机由 于不存在换向器问题，因而结构简单，可靠性高，随着电力电子技木的发展，交 流传动系统在静、动态性能上得到了显著提高，可与直流传动相媲美。在不久的 将来，直流电力测功机将逐渐被淘汰，交流电力测功机将代表其发展方向，因此， 大力加强和发展我国的交流电力测功机的研究是非常重要的。 1 3 研究的主要内容 本文对汽车变速器试验台控制系统进行了研究，研究主要内容如下： ( 1 ) 变速器试验台方案设计； ( 2 ) 直接转矩控制交流测功机系统的设计； ( 3 ) 测功电机的直接转矩控制； ( 4 ) 能量回馈单元设计； ( 5 ) 计算机测试控制系统的研制； ( 6 ) 系统试验过程及结果分析。 浙江大学毕业论文 第二章变速器试验台方案设计 2 1 变速器试验台概述 传动试验台是汽车零部件试验设备的主要设备之一，它可以对变速器、联轴 器、传动轴、后桥、分动器、轮边减速器以及各种汽车齿轮进行效率、温升、振 动噪声、承载力和疲劳寿命实验，在汽车的试验设备中具有重要的地位，按其工 作原理可将其分为三类：开式试验台、机械封闭式试验台和电封闭式试验台 4 1 。 2 1 1 开式试验台原理及优缺点 开式试验台的特点是，由驱动电机输出的功率，通过被试变速器和陪试变速 器之后，即被负载装置( 各种测功机) 全部吸收并消耗掉。开式试验台具有结构 简单、控制方便和便于进行变负荷试验等优点。开式试验台的缺点，主要是其试 验功率不能循环，能量不能反馈，而是全部变为热能散失掉了，所以耗电量大， 不适于进行较大吨位车辆的变速器试验。 2 1 2 机械封闭式试验台原理及优缺点 机械封闭式试验台的基本形式如图2 1 所示，机械封闭式试验台是由驱动电 机、两个传动箱、输入扭矩转速传感器、被试件、输出扭矩传感器、加载器等组 成，由于这种试验台试验时相当于有一个封闭环功率流在这个封闭的机械传动系 统内流动，因此称之为机械封闭式试验台，机械封闭式试验台具有节能、控制方 便、可靠性好、造价低等优点，同电封闭式试验台相比，它在同等投资下可以进 行更大功率的试验，这是它的主要优点，其缺点是被试件必须成对进行试验，需 受封闭系统尺寸的限制口】。 浙江大学毕业论文 图2 1 机械封闭式试验台的基本形式 1 电动机2 辅助齿轮箱3 转速、扭矩传感器4 被试变速器 5 陪试变速器6 加载器 2 1 3 电封闭试验台原理及优缺点 电封闭试验台和开式试验台都是由驱动电机、输入传感器、被试件、输出传 感器、升速器、加载装置组成。这两种实验台的基本形式如图2 2 所示，两种试 验台的工作原理都是由驱动电机驱动被试件，由加载装置加上给定的载荷，由各 种传感器测出所需指标，电封闭试验台和开式试验台的加载装置实际上是一台测 功机，只不过电封闭式试验台所用测功机是可将电能返回电网的电力测功机，能 量基本上形成了一个封闭系统，因而成为电封闭式试验台，而开式试验台的测功 机，其能量不能回收，因此称之为开式试验台。 显然电封闭式试验台较开式试验台有明显的优越性，电封闭式试验台具有反 映灵敏、易于控制、布置方便灵活、不受被测件尺寸和传动比的限制、节能等优 点，在汽车行业得到了越来越广泛的应用【2 】。 同时电封闭式试验台还有交流电封闭式和直流电封闭式两种，交流电封闭式 采用交流电机作为加载器，相比直流电机加载器具有转矩转速范围宽，控制精度 高等优势。 7 浙江大学毕业论文 忙) 图2 2 电封闭试验台和开式试验台的基本形式 1 预4 功机( 或驱动电机) 2 姐矩测量仪( 或传感器) 3 被试变速器 4 陪试变速器5 加载装置( 或测功机) 2 2 变速器试验台总体方案确定 通过比较开式试验台、交直流电封闭式试验台和机械封闭式试验台，确定本变 速器试验台采用交流电封闭式设计。试验台的总布置形式如图2 3 所示： 图2 3 试验台总布置形式 1 电机( 左为驱动侧电机，右为加载侧电机) 2 联轴器3 转速转矩 传感器4 被试变速器5 升速箱 6 平板7 振动传感器8 温度 传感器 。兹。硷蜜一掰曲蛆哥错世越，西叠叠 浙江大学毕业论文 2 3 变速器试验台工作原理 试验台采用交流电机驱动，交流电机加载，用转速转矩传感器测试变速器输 入、输出轴的转速、转矩，为使变速器输出轴转速满足负载发电机特性要求采用 了陪试升速箱，在变速器正向扭矩加载试验过程中，驱动侧交流电机处于电动机 状态，将电能转化为机械能，加载侧交流电机处于发电机状态，将机械能转化为 电能并回馈电网并重新被拖动侧电机所利用。可见，整个系统构成电能的封闭系 统，因此称之为电封闭式试验台。该试验台还需要配置声级计测试变速器运转噪 声，试验台能进行变速器的以下试验： ( 1 ) 空运转试验：输出转速范围、空载功率、空载温升、振动、噪声和高速启动 的可能性等 ( 2 ) 负载试验：承载能力、滑动率、效率、负载温升和超负荷试验 ( 3 ) 疲劳寿命试验 9 浙江大学毕业论文 第三章直接转矩控制交流测功机控制系 统的设计 3 1 测功机概述 测功机是机械传动试验台、发动机及电机性能测试台等试验装置中的核心设 备。常用的如机械测功机、水力测功机、电涡流测功机等均是将测试中所产生的 能量转化为热能而消耗掉，不仅造成能量浪费，而且还需配置散热设备。而电力 测功机不仅能实现能量的回馈，还可用作测功电动机，这是其它测功机所不具备 的，因此电力测功机的应用已日趋广泛，特别在电封闭试验台中是必不可少的。 电力测功机目前大都采用直流测功电机，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，往往采用机械减速装景，使系统复杂且噪声增大。而交流电力测功机由 于不存在换向器问题，因而结构简单，可靠性高，随着电力电子技术的发展，交 流传动系统在静、动态性能上得到了显著提高，可与直流传动相媲美。在不久的 将来，直流电力测功机将逐渐被淘汰，交流电力测功机将代表其发展方向，因此， 大力加强和发展我国的交流电力测功机的研究是非常必要的。 3 。2 交流电力测功机研究 国内外多采用异步方案设计交流电力测功机。由于异步方案测功系统受同步 转速的限制，发电状态运行则希望同步转速选得低，使负载测功转速范匿i 扩大， 而电动状态运行则希望同步转速选得较高，使转速范围扩大。因此，异步测功机 难以兼顾发电状态和电动状态的矛盾要求，作为电力测功机就受到较大的限制。 为了解决这一矛盾，电力测功机在异步方案的基础上开始采用“同步方案”， 如图3 1 所示： 1 0 浙江大学毕业论文 图3 1同步方案测功系统的原理图 当被试机为原动机时( 如内燃机、电动机) ，原动机1 驱动测功电机2 ，此时c 断d 合，接电网的整流器5 为测功电机提供直流励磁电流，测功电机作同步发 电机运行，所发出的非固定频率的交流电经过整流器3 整流，再经逆变器4 转换 成与电网同频率同相位的交流电，输送给电网。当被试机为被动机械时( 如风机、 水泵和发电机等) ，或用于原动机的启动、冷磨合，以及测量摩擦功率时，此时d 断c 合，测功电机将作电动机运行【1 6 1 ，定子绕组投入三相电网，转子绕组产生 转差频率的电势与电流，通过整流逆变把转差功率馈送给电网，电机以异步电动 机的串级调速方式运行。同步测功能量回收系统的测功区与直流系统的相似。按 发电状态运行时，它的测功区与直流系统相同，由恒扭矩和恒功率区组成，最高 转速n m 。仅受电机机械因素的限制。与直流电机相比，交流绕线电机虽有滑环， 但没有换向器，不存在换向火花问题。最高允许转速可选择高一些。在这个发电 状态的测功区内工作，都能实现能量回收。作电动状态运行时，测功区的最高转 速仍受同步转速的限制。只有当发动机的标定转速低于电机的同步转速时，才能 完整地测出摩擦功率曲线。同步转速以下的电动状态已能满足柴油机的启动和冷 磨合的要求，己解决了绝大多数柴油机的试验需要。另外，同步测功系统的功率 因数明显的高于异步系统的功率因数。这是因为同步发电机为直流励磁，不需要 从电网吸收无功。 同步方案电力测功系统仍然没有很好地解决高速性问题。测功电机发电状态 运行时，同步方案已不受同步转速的限制，但绕线电机的转子结构仍然制约转速 进一步提高。作为一种全功能电力测功机的要求，电动状态运行仍然受同步转速 限制。为了根本解决高速性和全功能的问题，唯有交流笼形三相异步电动机能满 足这种要求。它转予轻，结构简单，能形成四象限运行。在一般情况下，笼形异 步电动机的转子转速n 总小于对应的同步转速n o ，作电动机运行时，o s n o ，s o 。与电动 甲母嚣 浙江大学毕业论文 运行状态相比，旋转磁场切割转子导条的方向相反，导条中的电势与电流方向都 反向。这时作用在转子上的电磁转矩也反向，转变为一种制动转矩，由原动机供 给机械功，拖动转子超同步转速运转。在这种情况下，异步电机通过电磁感应由 定子向电网输送电功率，异步电机进入发电运行状态。如异步电机采用变频电源 供电，可方便灵活的实现电机的转速控制，则电机的运行范围不受同步转速的限 制，无论在发电状态还是电动状态，其测功区的最高转速可远远高于同步转速， 如采用变频电机，其转速可达9 0 0 0 r p m 以上。 ， 图3 2 交流变频电力测功系统原理图 图3 2 为交流变频电力测功系统原理图，由原动机1 驱动测功电机2 的转子 以所需要的测试转速转动，当测功电机控制频率所对应的同步转速小于原动机的 旋转速度时，作用在转子上的电磁转矩变为制动转矩，此时测功机相当于发电机 运行，由整流单元4 和变频单元3 给测功电机提供无功，原动机的输出功率通过 测功机变为电功率，经逆变单元整流为直流，再经回馈逆变单元5 逆变为与电网 同频率同相位的交流电回馈电网。 当测功电机控制频率所对应的同步转速大于原动机的旋转速度时，测功机相 当于普通电动机在运转，它从电网吸收有功功率，又从电网吸取无功功率。此时 由整流单元4 和变频单元3 形成p w m 变频电源，给测功电机提供频率可变的交 流电。由此可知，交流变频电力i 9 1 1 | 功机在原理上就是由变频器拖动的四象限运行 的异步电动机。 为使测功机能有宽广的频率运行范围，控制电路采用交直交的整流逆变系 统。从直流回路来说，从能量的吸收到回馈的过程，无非是电压和电流的相对流 动方向的逆转。此目标可以通过电压型或电流型电源线路来实现。所谓“电流型”， 即线路中的直流方向不改变，通过改变整流导通角来改变电压方向。然而，在测 功机系统中，能量的流动方向说到底是出于测功机的同步转速( 由控制频率决定) 与被试电机的实际转速之间的关系来决定的，电压方向的改变除非配合相当精密 浙江大学毕业论文 的频率变化，并不能达到改向的目的。事实上由于被测电机的随意性，这种精密 的配合无论从理论上和实际上都根本难于完成，这意味着不宜于采用“电流型” 电源线科1 6 1 。 在“电压型”线路中，能流的改向是通过直流电流的变向来达到的。这种电 流的变向无须另加专门控制，而是在测功机频率改变或被试电机空载转速发生变 化对自然发生的。在使用三相变频器时，当测功机作电动机运行，并设绕组电流 为正弦波时，根据三相桥臂中的电流合成，反映在直流回路上的脉动电流如图 3 3 ( a ) 所示。其直流正向分量表明能量是从电网端输入的。当测功机空载运行时， 功率因数为零，反映在直流回路中脉动电流的平均分量也为零，如图3 3 m ) 所示， 此时电网与负载间的平均能量交换也为零。当测功机作发电机运行，电流相对于 电压的矢量相位后移，反映在直流回路中脉动电流的直流分量改变为负向，如图 3 3 ( c ) 所示，即能量已从负载流向电网。上述分析表明，在电压型变频线路控制 下，能流的方向变化可以通过异步测功机绕组中电压电流间相角差的逐步变化来 完成。而这种变化是由异步电机本身的电磁能量转换机制决定的，并不要求额外 的控制干预。在这种变化过程中，直流回路中电流的平均分量也同样表现为从大 n d , ，改向后又从d , n 大的自然过程，整个过程是均匀和连续的。 ( a ) ( q b = 6 0 0 ) ( b ) ( 巾= 9 。 惭w 可r 砒 ( c ) ( 中= 1 2 0 0 ) 图3 3 直流回路脉动环流 为了保证交流电力测功机在运行中的测试精度、动态性能和稳定性，需要采 用高性能的交流变频调速技术。直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起 浙江大学毕业论文 来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。它是在定子静止坐标系下，以 空间矢量概念，对定子磁链定向，简单地通过检测到的定子电压、电流等量，把 转矩作为被控量，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转 矩的高动态性能。因此，直接转矩控制克服了转子磁场定向控制的不足之处，即 参数鲁棒性差，转子磁链不易精确观测，矢量变换过于复杂。它的控制既直接又 简化，减少了转矩脉动，提高了动态性能，能精确和快速地实现对转矩的控制。 本项目采用直接转矩控制的交流变频电力测功方案，测功电机采用笼型三相异步 电动机，采用直接转矩控制技术对其进行变频控制。在一般变频电源线路中，电 网端整流桥的电流只能单向流动，故当测功机从电动机改变为发电机运行时，改 向后的电流不能将能量回馈给电网，只能对直流回路中的滤波电容充电，造成直 流电压高升，导致线路及管件易损坏。本项目采用有源逆变技术，在屯网端设计 了能量回馈逆变单元，在本装置控制下，异步电机方面向电网回馈电能，另一 方面又从电网获取无功电流，事实上要求交频电源能在四个象限控制测功机运 行，这是一般变频电源所不能完成的。整个系统的基本构成如图3 4 所示。 图3 4 澳9 功机系统结构图 测功机中的测功电机是整个装鼍的功率吸收部分。它作为被测对象( 如内燃 机、电机等) 的负载吸收被测对象输出的功率，系统选用鼠笼式交流异步电机作 为测功电机。被测对象的输出功率为 r = 去 1 ) 浙江大学毕业论文 式中，t 为被测对象输出轴上的扭矩，n 为被测对象输出轴的转速。由上式可知， 测定被测对象的功率，需要测出其输出轴的转速，以及在该转速下输出轴上的扭 矩。转速和扭矩的测量采用采用与被测对象同轴联接的扭矩、转速传感器完成。 被测对象的温度测量采用热电偶。由上位机完成数据的采集、处理、存储、打印 等工作。 在测试过程中由变频控制器和有源逆变器对测功电机的运行状态进行控制， 同时将被测对象输出的能量回馈电网。 3 3 基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的异步电动机直接转矩控制系统的实 现 由于异步电动机直接转矩控制系统的数字化对计算时间要求很高，采用一般 的c p u 系统难以满足实时性要求，t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片是美国得州仪器公司推出 的面向电机数字控制领域的芯片，它具有d s p 的内核，将d s p 的高速运算能力 与面向电机的高效控制于一体。它不仅继承了数字信号处理器( d s p ) 运算速度 快，能实现电流实时控制的优点，而且由于它面向电机数字控制原理，因而使得 由f 2 4 0 为核心芯片构成的控制系统具有结构简单、可靠性高等优势。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有下述部件：c p u 、片内r o m 、r o m ，f l a s h 、专用电机控 制的事件管理器和片内外设。美国1 1 公司的以数字信号处理器来实现异步电动 机直接转矩控制系统。 c p u ：包括3 2 位的中央处理单元、3 2 位累加器、可产生3 2 位结果的1 6 x 1 6 并行乘法器以及可作算术运算的8 个1 6 位辅助寄存器。运算能力2 0 m i p s ，单指 令执行5 0 n s ，强大的运算能力使面向电机的控制算法如矢量控制，直接转矩控 制等可以全数字化完成，也有条件完成卡尔曼滤波、自适应控制、神经网络及遗 传算法等复杂控制。 时间管理器包括：三个独立的1 6 位定时器，三个全比较器和三个简单比较 器。三个全比较器均可与通用定时器、死区控制单元一起作用产生6 路可编程死 区和输出极性的c p m p w m 信号，用于驱动三相电机。另外正交编码脉冲( q e p ) 接口单元直接对光电编码器输出a 、b 两路相位差为9 0 度的脉冲信号，用以鉴 相和四倍频。 t s 浙江大学毕业论文 周边接口单元可以提供方便的输入输出控制，包括： 1 ) 双1 0 位a d 转换器：含两个内部采样保持的1 0 位a d 转换器，共1 6 个a d 通道，最大转换时间为6 6 v s 。 2 ) 同步串行外设s p i 用于同步数据通讯，如外部i o 扩展；s c i 口为可编程的通 用异步收发器u a r t 用于与上位机的接口，数据格式为n r z 码，波特率范围较 宽。 3 ) 看门狗与实时中断定时器均为8 位增量计数器，前者用于监控系统软件和硬 件工作，在c p u 出错时产生复位信号，后者用于产生周期性的中蝌甜。 3 3 1 系统硬件设计 主回路由整流电路、滤波电路、直流中间环节及电压型逆变电路等组成，其 逆变电路由三个两单元i g b t 模块并联而成，采用厚膜电路e x b 8 4 0 作驱动电路， 控制部分以和t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心控制系统硬件框图如图3 5 所示。 图3 5 直接转矩控制系统结构框图 1 速度反馈信号的检测 速度反馈信号的检测采用增量式光电编码器作为速度检测器件。它输出两个 相位相差9 0 。的方波脉冲信号p a 、p b 及非信号p a * 、p b * 和零脉冲p z 信号。 光电脉冲经整形后送入t m s 3 2 0 f 2 4 0 的q e p 电路，通过对两路信号的每个边沿 进行检测实现码盘输出信号的四倍频，由t m s 3 2 0 f 2 4 0 的内部定时器t 3 对脉冲 计数，由m t 法得到电机的转速，通过辨向电路判别两路信号的先后顺序得到 浙江火学毕业论文 电动机的转向。 2 定子电压的检测 在直接转矩控制系统中，作为状态变量的磁链和转矩是由定子电压、电流检 测值经过系列运算后得到的。根据瞬时空间矢量理论，在不考虑逆变器死区效应 的情况下，三相定子电压可由直流母线电压和开关状态信息共同得到。选用l e m 电流霍尔元件测压法，通过f 2 4 0 芯片提供的a d 来检测霍尔元件感应的电流大 小，从而确定直流侧电压，达到检测定予电压的目的。 3 定子电流的检测 电流检测采用磁平衡霍尔元件，经隔离放大器送到t m s 3 2 0 f 2 4 0 的高速a d c 转换，进行反馈控制，用双a d 同时对a 、b 相定子电流进行采样，以保证系 统的精度。 4 p w m 输出 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片产生6 路p w m 脉冲信号，经e x b 8 4 0 芯片处理后控制 i g b t 。为了避免同一桥臂的两个功率器件发生直通，在其驱动电路中设置一个 死区时间。通常用硬件电路实现死区延时。t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片提供死区控制单元， 可通过设置死区控制寄存器的内容即可设置死区时间。 5 保护电路 为保证系统中功率转换电路及电动机驱动电路工作的可靠性，利用 t m s 3 2 0 f 2 4 0 提供的p d p i n t 信号实现各种保护，当故障出现时，p d p i n t 出现 低电平，d s p 停止工作并发生中断通知c p u ，不需程序干预自动完成，提高了 故障处理的快速性。 3 3 2 系统软件设计 1 系统软件结构 系统软件结构采用主从式计算结构。上位机完成多种管理功能，下位机完成 对电机的控制。下位机系统根据直接转矩控制算法对系统速度、转矩进行实时控 制。下位机中的控制软件可分为两组程序模块，主程序和中断服务程序。主程序 在完成初始化之后进入循环，以等待中断的发生；检测电流、转矩并发出6 路 p w m 脉冲在定时器下溢中断服务程序中完成。 浙江大学毕业论文 此系统主要用了2 个中断：串口中断、通用定时器t 1 下溢中断。串口中断 处理由上位机发来的命令代码以完成相应的功能；通用定时器t 1 下溢中断，保 证系统每隔一定时间，根据直接转矩控制算法算出相应的电压矢量，并发出6 路p w m 脉冲。系统软件结构如图3 6 所示。 图3 6 系统程序结构及各模块关系示意图 2 通用定时器t 1 中断服务程序 通用定时器中断服务程序模块的流程图如图3 7 所示 图3 7 中断服务程序流程图 圜 浙江大学毕业论客 3 4 能量回馈单元设计 3 4 1 能量回馈系统概述 测功机在测功运行时，测功电机处于发电运行状态，电机产生制动转矩，其 转轴上的机械能转变为电能再经逆变器送回直流母线上的储能电容中，从而引起 电容两端产生泵升电压。一般的系统常采用电阻能耗电路吸收能量，但是存在电 阻功耗大，发热严重，且系统容量越大，这一缺点越突出。因此，本系统采用有 源逆变技术，将能量回馈电网，从而达到节能的目的。 传统的有源逆变系统主要由晶闸管有源逆变器组成，一般是通过改变晶闸管 的逆变相位角来控制回馈电网的电流大小，或者固定逆变器的逆变角不变，增加 直流斩波器，通过控制斩波器的占空比来控制回馈电流的大小【l3 1 。但这两种方 法用半控元件，为防止逆变颠覆，一般必须保证最小逆变角b 。i 。不得小于3 0 。， 其缺点是：电压波形发生畸变，引起系统功率因数下降；系统工作可靠性差；为 了拟制环流需在交流侧增加隔离变压器或在直流回路加无触点隔离开关，从而增 加系统体积和成本。因此我们设计了一种采用p w ma c ，d c 变换器控制的变频 器能量回馈制动单元，与电阻放电制动和晶闸管有源逆变器相比，不仅获得了快 速的动态响应，而且把制动电能回馈至电网，且能长期运行，能量回馈制动单元 工作时其网侧电流为正弦波并为单位功率因数，克服了可控硅有源逆变单元运行 时对电网的谐波污染。 。 3 4 2 能量回馈系统构成及其工作原理 如图3 8 所示，能量回馈系统出进线电抗器、有源逆变装置和控制器、门极 驱动电路、保护电路等组成。控制功率元件采用i g b t ，控制系统采用电压外环 和电流内环的双环结构。参考电流发生器产生与电网同频同相位的标准正弦波电 流，其幅值由电压调节器的输出决定。 浙江大学毕业论文 u u b u 图3 8 能量回馈系统原理图 控制电压外环检测变频器直流侧电压，当电动机工作于电动状态时，逆变器 的大功率开关器件t l t 6 全部被封锁，处于关断状态。当电动机处于发电制动 状态时，能量应向电网回馈，这时需启动有源逆变装置工作。在这里是利用变频 器直流侧电压u d 的大小来进行控制的，其依据是：当电动机处于电动状态时， 变频器直流侧电压基本保持恒定；当电动机处于发电制动状态时，交流电动机的 再生能量给变频器中间直流环节的储能电容c d 充电，使电容器两端电压u d 上升。 只要测出u d 的大小，就能判断出电动机的状态，从而进一步控制有源逆变装置。 具体控制方法为：当u d u 触时，发出空间矢量p w m 脉冲，启动有源逆变装置， 电压环立即动态调节，使实际电压稳定在u 蜘附近。此时，逆变器开始工作， 将直流母线上的能量逆变回馈电网。当u d u f c d 时，封锁空间矢量p w m 脉冲， 关闭有源逆变装置。此时，变频器的二极管整流桥根据电源电压的自然换相对电 源电压进行整流。但在实际中，为了防止系统在某点来回切换，在整流与回馈 两种状态之间的切换要留有一个滞环。即当母线电压大予滞环上限u n 时，发出 p w m 信号，允许能量回馈系统中各功率器件按规律导通以实现能量回馈；当母 线电压小于滞环下限u 恐对，禁止各功率管导通，系统进入整流运行状态。故直 流电压控制采用滞环控制方式。 有源逆变装罱的p w m 控制采用功率因数校正方案，使馈送至电网的电流与 电网电压同相位同频率。直流环节电容器两端的电压误差经p i 环节后与三相电 源电压的相角信号得出与各相电压相位同频率的三相参考电流，然后与各项的实 浙江大学毕业论文 际电流相比较，再以检测到的交流电网电压作为前馈补偿，即用电流比较器的输 出与三相电网电压信号之和作为调制波，将获得更好的电流动态特性。在上述基 础上，系统采用空间矢量p w m 实时调制方法，在调制波中注入零序分量，使得 变换器的直流电压利用率提高。这样实际输出电流与其输入电源电压同频同相， 即功率因数约为1 。此外，由于对直流电压进行闭环控制，故能调节其大小。 能量回馈过程中，电流的大小首先必须满足能量回馈功率的要求，如果系统 的回馈功率小于电动机在发电状态的输出功率，直流母线上的电压将继续升高。 因此，逆变器回馈电网的功率应大于或等于电动机处于发电状态时的最大功率。 电网电压是一定的，系统能量回馈功率决定于回馈电流。因此电流环的作用是按 电压调节要求迅速调节网侧电流使网侧电流为正弦波且与电网电压反相( 功率因 数为1 ) ，使直流电能快速回馈至电网。其网侧电流、电压矢量如图3 9 所示。 ! 么 v 。 图3 9 网侧电流、电压矢量图 在调节器设计上夕 环电压调节器采用积分分离p i d 算法使电压控制具有动 态响应快、超调小等优点，而电流环的电流控制则采用基于电压前馈的电流无差 拍控制，使网侧电流具有快速跟随性能。 系统采用8 0 c 1 9 6 m c l 6 位单片微处理器控制，即完成图3 9 中的参考电流发 生器、电流比较器、参考电压发生器、电压调节等功能。 3 4 3 电流控制算法 如图3 8 所示，设电网相电压v 。为正弦波，v 。为变流器交流端电压的基波 分量，则 圪2 匕一( 识+ 讲d i ) ( 3 - 2 ) 式中r 为输入回路等效电阻。考虑t n t n + t 一个稳态开关周期( t 为开关周 期) ，如果开关频率足够高，在一个稳念开关周期中v c 可由对应的瞬时值v 。( t n ) 代替。对式( 3 2 ) 在t n t 。+ t 时段上离散化得： 浙江大学毕业论文 哪沪哪沪事【f ) - f ( 忉卜拿r 幼( 3 - 3 ) 拿r 潴z 罢d ”m f ( f 。) 】 ( 3 _