（车辆工程专业论文）能量反馈式传动系统试验台控制系统研究.pdf

武汉理1 ：大学硕十学位论文 中文摘要 传动系统试验台，是用于测试和研究汽车传动系统总成部件的设备。这些总 成部件包括变速器、驱动桥、半轴、差速器、主减速器等。它们是汽车的关键组 成部分，直接关系到汽车行驶的动力性、经济性和可靠性。 汽车传动系统试验台要发挥其试验功能，核心部分是试验台的控制系统。对 其控制系统进行开发和研究，可以提高整个试验台的控制精度，研究不同工况下 的传动部件的加载状况，确保试验台测试的稳定性和安全性。 介绍了汽车传动系统试验台的机械部件结构，电气系统和控制部件结构。叙 述了虚拟仪器在计算机测控领域的应用。介绍了试验台测试系统的结构，功能和 测试方法。 试验台数据采集系统用来采集试验进行中所需要的各项状态参数，以便监控 试验台系统的工作状况，并且采集和实时显示所必需观测的数据量，为试验台的 闭环控制创造条件。 试验台驱动系统由上位机发送指令，通过变频器控制驱动电机的运行状态，为 传动系统部件的测试提供动力来源。阐述了驱动控制的原理，分析了相关性能指 标，实现了试验台的驱动控制。 传动系统试验台的加载系统，通过变频器控制负载电机的转差率，模拟汽车 在不同路面条件和行驶工况下的阻力状况，为传动系统部件的测试施加各种载 荷。 被测试部件中，驱动桥，半轴，差速器等部件主要进行的是耐久性试验，因 此根据不同的工况对其施加各种载荷即可。对自动变速器，除了对其进行耐久性 试验以外，研究其换档规律和检测其故障范围是试验台的一个重要功能。对此必 须对自动变速器的各类阀体加以控制，以满足不同测试的需求。 汽车传动系统试验台是一个综合测试平台。规范试验台的硬件和软件操作一 方面能有效地保护试验台的硬件设施，使试验台稳定运行，另一方面更能充分发 挥试验台在传动系统部件测试中的作用。对试验台的软件构架上添加保护功能， 能防止试验中因可能出现的过电流造成的变频器损坏，电机失控现象等危险情 况。保证试验设备和试验人员的安全。 关键词：汽车传动系统，试验台，数据采集，驱动，加载，l a b v i e w 武汉理r 大学硕十学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b i l ed r i v e l i n et e s tr i gi su s e dt ot e s ta n ds t u d yd r i v e l i n ea s s e m b l ys u c ha s a u t o m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，d r i v i n ga x i s ，h a l fa x i s ，d i f f e r e n t i a l ，f i n a ld r i v ew h i c ha r et h e k e yp a r t so faw h o l ev e h i c l ea n dd i r e c t l ya f f e c ti t sp o w e r i n g ，e n e r g ys a v i n ga n d r e l i a b i l i t y i no r d e rt oe x e r te n o u g ht h ef u n c t i o n so ft h et e s tr i g ，w es h o u l df o c u si ni t sc o n t r o l l i n g s y s t e m b yd e v e l o p i n ga n ds t u d y i n gt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，w ec o u l de n h a n c et h e c o n t r o l l i n gp r e c i s i o n ，s t u d yt h el o a d i n gm o d ei n d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n df i n a l l y e n s u r et h es t a b i l i t ya n ds a f e t yi nt h ep r o c e s so ft e s t i n g t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，e l e c t r i cs y s t e ma n dc o n t r o l l i n gs t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d a n d v i r t u a li n s t r u m e n ta p p l y i n gi nc o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sn a r r a t e d h a v e af u l li n t r o d u c t i o nt ot h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dt e s tm e t h o d so ft h ea u t o m o b i l e d r i v e l i n et e s tr i g d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi su s e dt oa c q u i r ed i f f e r e n tk i n d so fs t a t ep a r a m e t e r si n p r o c e s so fi n i t i a l i z a t i o ns oa st ol e tt h eo p e r a t o rm o n i t o r t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h e w h o l et e s tr i g t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma l s oo b t a i n sa n ds h o w st h en e c e s s a r yd a t a i nt e s t i n gw h i c hi sv e r yu s e f u lf o rt h ef a t h e rr e s e a r c ha n dp a v et h ew a yf o rc l o s e d l o o p c o n t r o l l i n gi nt h et e s tr i g i nd r i v i n gs y s t e m ，i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ( i c c ) s e n d so r d e r st ot h ec o n v e r t e ri n o r d e rt oc o n t r o lt h em o v e m e n t so ft h ed r i v em o t o r t h ed i v e rs y s t e mi st h ep o w e r s o u r c eo ft h ew h o l et e s tr i g e x p o u n dt h ed r i v ec o n t r o l l i n gp r i n c i p l e ，a n a l y z er e l a t e d i n d e x e sa n dr e a l i z et h ed r i v ec o n t r 0 1 i nl o a d i n gs y s t e m ，t h ed r i v i n gr e s i s t a n c ec o u l db es i m u l a t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n t r o a ds u r f a c e sa n dd r i v i n gc o n d i t i o n sb yc o n t r o l l i n gt h es l i pr a d i o so ft h el o a d i n g m o t o rw i t ht h ec o n v e r t e r a s s e m b l yp a r t s ，s u c ha sd r i v i n ga x i s ，h a l fa x i sa n dd i f f e r e n t i a l a r eu s u a l l yt e s t e di n w e a r i n ge x p e r i m e n tw h i c ho n l yn e e d s t ol o a da td i f f e r e n tq u a n t i t i e s h o w e v e r , f o rt h e a u t o m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，i ti sas i g n i f i c a n tf u n c t i o nf o rt h et e s tr i gt od e t e c tt h ef a u l t r a n g ea n ds t u d y i n gt h es h i f tr u l eb e s i d e sw e a r i n gt e s t i n g s ot h et e s tr i gs h o u l de q u i p t h ef u n c t i o no fc o n t r o l l i n gk i n d so fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v e st os a t i s f yd i f f e r e n tt e s t i n g r e q u i r e m e n t s a u t o m o b i l ed r i v e l i n et e s tr i gi sa na l l - a r o u n df l a t f o r m s e t t i n gt h es t a n d a r d sa n dr u l e s o ft h eo p e r a t i o ni nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o u l de f f e c t i v e l yp r o t e c tt h eh a r d w a r e u 武汉理下大学硕十学位论文 e q u i p m e n t s ，e n s u r et h es t a b i l i t yo f t h et e s t i n ga n dm a k ef u l lu s eo ft h et e s tr i g b e s i d e s ， a d d i n gt h ep r o t e c t i n gf u n c t i o ni ni c cs o f t w a r ec o u l dl a r g e l ya v o i dt h ed a m a g e si n c o n v e a e rf r o mo v e r c u r r e n ta n dp r e v e n tt h em o t o r s o u to fc o n t r o l ，f i n a l l ym a k es u r e o ft h es a f e t yo fs t u d e n t sa n df a u l t y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ed r i v e l i n e ，t e s tr i g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d r i v i n g ，l o a d i n g ， l a b v i e w i i i 独创性声明 本人声明，所呈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尽我所知，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 献均己在论文中作了明确的说明并毒示了谢意 研究生( 签名) ：谨翌2 塑、日期：墨! 堡：窆： 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或部分内容，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) ：趋呈墨凰导师( 签名) ：通：丝l ij , 明：印擘右j i 武汉理l 大学硕十学位论文 第l 章绪论 1 1 传动系统测试设备的作用和发展现状 1 1 1 传动系统测试设备的作用 传动系统试验台，是用于测试和研究汽车传动系统总成部件的设备。这些 总成部件包括变速器、驱动桥，半轴，差速器，主减速器等。它们是汽车的关 键组成部分，直接关系到汽车行驶的动力性、经济性和可靠性。 针对驱动桥，半轴，差速器等部件，传动系统试验台主要进行的是耐久性 台架试验。对自动变速器的研究开发过程中，除了进行耐久性试验外，生产企 业还需在装车自订在试验台上对自动变速器的控制策略进行反复调试。维修企业 需要诊断出变速器的具体故障位置或确定故障范围。因此传动系统试验台在自 动变速器的研发和检测过程中的意义重大。 1 1 2 国内外传动系统试验台的发展现状 国外的汽车传动系统测试技术已经比较成熟，其测试设备可以对传动系统 部件如自动变速器的一些特性进行检测，比如空载或有负荷情况下的加减速换 档特性、前进档、倒档的滑差测定，各种油压的测定等。比较典型的测试设备 如：美国自动变速器协会的设备( 采用电力驱动方式) ，美国a t p 工业集团的设 备( 采用内燃机驱动方式) ，美国t c 自动变速器公司的设备等。 我国汽车传动系统测试设备目前主要依赖进口，且集中在经济发达地区。 这些设备尽管技术含量和测试精度较高，但设备引进费用高昂，不利于其在汽 车相关研发部门，整车企业和汽车维修企业的推广。也不能满足汽车工业在我 国高速发展的需要。 国内也有少数企业试图开发具有独立知识产权的自动变速器检测设备，但 由于技术力量弱，经费不足，开发出的试验台功能少，性能差，无法实现对传 动部件性能进行全方位检测的目的。 武汉理l 人学硕士学位论文 1 2 传动系统试验台的分类 1 2 1 开环试验台 开环试验台是最先出现的一种试验台，它的主要结构原理如图卜1 所示。 图卜1 开环式试验台主要结构原理框图 各部分的组成及功用为： 动力区由电机( 或内燃机) 、调速器及附属装置组成，它负责向系统提供动力 ( 功率) ，其中包括转速和扭矩。 试验区是由被测装置、变速器、扭矩转速测量装置以及其它一些测量装置 组成。 模拟负载区主要由测功机( 也可以是发电机、磁粉制动器等) 及附属装置组 成。 开环式试验台整套系统的工作原理及工作过程比较简单，整套设备的技术 含量低，制造成本相对较低，它的致命弱点是该台架需要大功率动力( 驱动电机 或内燃机) ，能量无法反馈使用。因此，其试验成本相对于后面所述的封闭式试验 台来说较高，而在变速器试验项目中包括的疲劳寿命试验，它属于长时间的试验 项目，因此，功率的消耗就成为一个必须考虑的问题。开环式试验台常用于变速 器的传动效率试验和疲劳寿命试验，对变速器出厂试验而言，开式试验台是不 合适的。 1 2 2 机械封闭试验台 图卜2 机械封闭式试验台组成框图 2 武汉理。j ：人学硕十学位论文 机械封闭试验台的构造框图见图1 - 2 它将原来单纯由电机提供“功率”， 分解为由两套装置向系统分别提供“扭矩”和“转速”，由转速提供装置( 电机) 向系统提供所需要的转速，同时由扭矩施加装置向系统提供试验所需要的扭矩， 在这个过程中，扭矩被封闭在一个由两个传动装置、两个扭矩转速测量装置、 一个扭矩施加装置、被试验装置和陪试汽车变速器所组成的封闭机械系统中， 它不再对转速提供装置( 电机) 产生影响，电机所提供的动力，仅仅是用来平衡 系统运动过程中产生的摩擦损耗及机械效率的损耗，从而降低了电机的功率消 耗。这套系统的核心技术是扭矩施加装置，目前较成熟的加载器是旋转液压伺服 加载器。图1 - 3 是旋转液压伺服加载器的原理示意图。 图卜3 旋转液压伺服加载器原理示意图 这个系统主要由加载油缸、电液伺服阀、油源系统组成。油源系统的功用 是向系统提供压力油：电液伺服阀控制加载的方向：加载油缸主要由带叶片c 的 缸筒b 及带叶片d 的心轴a 组成。在试验台运转时，由油源系统提供的压力油进 入油缸中的e 腔，在固定于缸筒b 上的叶片c 和固定于心轴a 上的叶片d 上就产 生一组推力。这组推力相应的构成了对缸筒b 和心轴a 的加载力矩m 1 和m 2 。这 对力矩经试验台及加载器中相应零件的传递，就在被试变速器的输入和输出轴 上加上了一组方向相反的力矩。这样，被试变速器就加了载。在试验中，我们可 以通过调节油源系统溢流阀的开启压力来控制加载力矩：可以通过调节节流阀 来控制加载速度，以实现平缓的加载。 武汉理j ：人学硕七学位论文 机械闭式试验台的优点是功率流内部封闭，能源消耗不大，造价适中；其 缺点是液压加载装置结构复杂，需要定期维护，试件转速不能太高，特别是现 在车用发动机速度越来越高，矛盾逐渐显现。机械封闭试验台主要用于试验室 和工厂对变速器做疲劳耐久性试验不做换档考核。 1 2 3 常规电封闭试验台 交流电力封闭式试验台是在上述开放式试验台的基础上发展起来的试验设 备，主要结构原理如图常规电封闭试验台原理框图见图卜4 图i - 4 常规电封闭试验台原理框图 从图中可以看出，交流电力封闭式试验台的设计思想就是在原有开放式试 验台的基础上加一套动力回收装置，将系统消耗的能量通过电网加以回收，从 而降低试验能耗。其优点是：能源利用好，效率高，构造简单，能够实现动态加 载：缺点是造价高昂。发展初期，用直流发电机组发电带动一台直流电动机拖动 变速器，另一台直流发电机加载，再经同步发电机组回馈电网，这种方式效率 只能达到6 0 ，占地面积大，机组噪声高，加载响应慢，现已逐步遭淘汰更新。 随着直流变流技术的发展，直流发电机组已经被静止直流变流器取代，能源利 用率大大提高，达8 5 ，但直流变流器回馈电网质量较差，功率因数仅为o 7 5 ， 在国外是禁止并网的。上世纪8 0 年代以来，交流变流技术飞速发展，回馈电网 的功率因数可以达到0 9 9 9 9 ，能够并网，减少了对电网的污染。采用静止变流 技术，加载的动态响应可达到毫秒级，应用前景愈来愈广。由此可见该试验台 架结构比较简单，能量反馈利用，节能效果也比较好，所以它是一较好的选择方 案。 4 武汉理丁大学硕十学位论文 1 3 论文的研究目的和研究内容 1 3 1 论文的研究目的及意义 开发出具有闭环功能，既能完成常规性能试验，又能进行可靠性试验，而 且控制简单、造价相对低廉的传动系统试验台，是高校研究和测试汽车传动系 统部件的内在要求。对自动变速器等汽车传动系统部件性能测试、故障诊断有 着重要意义。 汽车传动系统试验台要发挥其试验功能，核心部分是试验台的控制系统。 对其控制系统进行开发和研究，可以提高整个试验台的控制精度，研究不同工 况下的传动部件的加载状况，确保试验台测试的稳定性和安全性。 本论文的目的是：开发出高精度，高稳定性，满足试验台测试需要的汽车 传动系统试验台控制系统。 1 3 2 论文研究的主要内容 用l a b v i e w 软件编程实现整个试验台的控制。包括电机转速，转矩的控制， 自动变速器的换档控制和数据的实时采集和显示。 数据采集的实现：对驱动电机和负载电机的转速、转矩信号，自动变速器 的油温信号和油压信号的采集，经各自的传感器通过单片机和相应的接口电路 放大后，由r s 一4 8 5 串行通信将采集的数据传送给工控计算机。 换档控制的实现：通过p c l - 8 1 8 卡的d a 和i o 输出功能，控制自动变速 器的换档阀，压力调节阀，锁止阀等开关阀和p w m 阀，实现自动变速器的自动 换档控制。 电机控制的实现：根据变频器和工业控制计算机的通信协议，利用4 8 5 串 行通信，控制加载电机的转速变化和负载电机的加载和减载。 根据采集驱动电机和负载电机的转速转矩信号，调用各个自动变速器的换 档规律曲线，实现自动变速器的自动换档。 设置自动保护程序，保护测试件和被试件在测试过程中的安全性，防止传 动系统的过载，和被试件的完好。 武汉理j 二大学硕士学位论文 第2 章传动系统试验台介绍 21 机械结构 试验台结构组成如图2 - 1 。 1 驱动电机；2 一壳体连接架；3 - 动力连接盘；4 扭矩转速传感器；5 加载电机 图2 - 1 自动变速器试验台机械组成结构图 传动系统试验台机械部分框图如图2 2 。图中，7 5 千瓦交流电动机作为驱动 电机，模拟汽车发动机在不同转速下的工况。此处采用的三相交流异步电动机 转速可在8 0 0 5 5 0 0 转份范围内连续调节，最大转矩1 3 5 n m 。两台4 5 千瓦电机 用作吸收负载功率，模拟汽车驱动轮在地面上行驶时的负载，转速范围3 0 2 5 0 0 转份，最大转矩4 7 0 n m 。中间是被测试的传动系统部件，被测试变速器两端装 有转速转矩传感器分别用来测量传动系统部件输入轴和输出轴的转速和转矩。 图2 - 2 传动系统试验台机械部分框图 驱动电机选用中国长江航运集团电机厂型号为y z p f 2 5 0 m - 0 2 的变频调速三 帽异步电动机标称功率7 5 k w ，额定转矩7 2 0 n m ，恒转矩调频范围3 - 5 0 h z ， 恒功率调频范围5 0 1 0 0 h z ，可在3 - 1 0 0 h z 范围内连续调速运行，转矩控制精度： 武汉理r 大学硕1 一学位论文 1 ，转矩动态响应时间：5 0 m s ，变速器油底壳温度控制精度：4 - 20 * c 。其特点 是运行效率高，调速范围广，运行稳定，可靠性高，外观设计新颖美观。所配 风机参数为：额定转速1 3 5 0 r m i n ，功率2 0 0 w ，风量4 2 0 0 m 3 h 风压1 5 0 p a 。 型号 标称功l 额定电额定转矩顿定转速 堵转转矩，最大转矩 转动惯量 重量 额定转矩 额定转矩 率( 。“) 随( )( n + m ) ( r r a i n ) ( i 【g + b i t 2 ) ( i 【g ) 倍( 3 h z )倍( 5 0 1 4 z ： 1 3 62 9 4 6 5 0 0 加载电机选用中国长江航运集团电机厂型号为y z p f 2 5 0 m - 0 4 的变频调速三 相异步电动机，标称功率5 5 k w ，额定转矩4 7 4 n m 恒转矩调频范围3 4 0 h z ， 恒功率调频范围5 0 1 0 0 h z ，可在3 - 1 0 0 h z 范围内连续调速运行，转矩控制精度： 4 - 1 转矩动态响应时间：5 0m s ，变速器油底壳温度控制精度：20 c 。其他参 数同上。 型号 标称功额定电额定转矩额定转速 堵转转矩，最大转矩 转动惯量重量 额定转矩额定转矩 率( k w ) 慌( a )( n + m ) ( r m i n )( k s * m 2 )( 1 g ) 惜( 3 h z 倍( s o h z ： 5 5 3006 6 输入端转速转矩传感器( 左下图) 采用的是上海二表厂传感器。额定转矩 1 0 0 0 牛米。输出端转速转矩传感器( 右下图) 采用的是海安传感器。额定转矩 2 0 0 0 牛米。 圈2 3 转速转矩传感器实物图 武汉理t = 人学硕十学位论文 变频器选用台湾普传公司的p i - - 3 0 0 0 f 系列的变频调速器，该系列变频器采 用无感测器向量( s e n s o r - l e s sv e c t o r ) 控制技术，控制输出电压和频率来改变 马达运转速度的一种电力转换器，依靠电流感测器，精确控侦测出三相输出交 流信号及相位角度的变化，以无感向量计算方式，自动修正频率，以达到负载 变动是马达转速固定的效果。相对于传统的v f 变频器，本系列变频器不仅在 马达低速运转时提供更大的转矩，而且可自动补偿高负载时马达的转速变动。 因为该系统中变频器数量不多、数据传输量不大，采用r s 4 8 5 总线来实现 工控机与变频器之间的通讯，满足了实时性要求。在本系统内采用通信接口与 工控机通信，工控机按通信协议u s s 向变频器发送转速值。由于变频器通信口 采用r s 三4 8 5 标准，与工控机的r s 2 3 2 标准之间需要进行转换，因此，在变 频器与工控机间用r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换模块进行连接。 2 2 电气系统和控制部件结构 传动系统试验台的电气系统主要由驱动系统，控制系统和馈电系统组成。驱 动系统包括变频调速装置，驱动电机和负载电机等部分。控制系统用来采集各 类参数和发出控制指令，包括测控计算机、各类传感器、数据采集装置和通信 等。馈电系统主要用来完成自动变速器试验台的能量回馈。 传动系统试验台的控制核心是测控计算机。以自动变速器作为被试件为例， 测控计算机实际上由两部分组成，上位的工控计算机和下位的单片机。它们完 成三大功能： 1 ) 通过变频器实现对驱动电机的转速控制和对负载电机的加载，利用工控 计算机调节变频器来模拟汽车在起步，加速，上坡等不同行车条件下的具体工 况： 2 ) 对驱动电机和负载电机的转速、转矩信号，自动变速器的油温信号和油 压信号的采集，经各自的传感器通过单片机和相应的接口电路放大后，由r s 一4 8 5 串行通信通过p c l 7 2 6 输出卡，将采集的数据传送给工控计算机； 3 ) 通过p c l 8 1 8 卡的d a 和i o 输出功能，控制自动变速器的换档阀，压 力调节阀，锁止阀等开关阀和p w m 阀，实现自动变速器的自动换档控制。传动 系统试验台的控制部件结构框图如图2 4 所示。 8 武汉理j r 大学硕十学位论文 图2 4 传动系统试验台控制部件结构框图 2 3 虚拟仪器和l a b v ie w 虚拟仪器，是加在计算机上的一些软件和硬件，它们具有和实际独立仪器( 如 示波器和逻辑分析仪) 类似的外观和性能。使用者操作这台计算机，就像是在 操纵一台他自己专门设计的传统电子仪器。虚拟仪器技术的实质是充分利用最 新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 具体地说，任何仪器都基本上由3 部分组成，即信号采集和调理、信号分析 和处理、信号显示和输出。传统仪器将所有这3 部分放在一个仪表箱内，根据 不同的功能要求采用不同的硬件结构，所以仪器的功能是由其硬件结构固死的， 很不灵活。仪器上的许多功能你并不需要，或使用的次数特别少。如果你的测 试任务略有变化，或需要进一步的测试分析，仪器却不具备这样的功能。而重 新购置一台类似的仪器，两台仪器功能又有重复。如果这套仪器要是能稍微改 变一下，就可以扩大使用范围。对于传统仪器，这是很难做到的，而且几乎不 可能的。而虚拟仪器提供了这样的可能性。 虚拟仪器是一种功能意义上的仪器。其核心是在最少量的硬件模块支持下， 用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。它不强调仪器物理 上的实现形式，打破了生产厂家定义仪器机箱的约束。用显示在c r t 上的软面 9 武汉理t 大学硕十学位论文 板代替原来的仪器面板，用键盘、鼠标对测量的参数及进程进行控制。虚拟仪 器( 系统) 给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户( 而不是仪 器厂家) 可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多 样的应用需求。我们所需要的只是一些必要的硬件和通用计算机，利用丰富的 软硬件资源，就可以大大突破传统仪器在数据的处理、表示、传递、存储等方 面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。 虚拟仪器自8 0 年代末兴起以来，其显著的优势得到了科技界的广泛关注。 从1 9 9 0 年开始便不断有关于虚拟仪器成功应用于电子测量、物理探伤、电力工 程、航空航天、震动分析、声学分析、物矿勘探等领域的报道，近年来还发展 到了运动控制、图像处理、f p g a 和射频信号处理等领域。 目自仃的虚拟仪器产品，包括各种软件产品、g p i b 产品、数据采集产品、信 号调理产品、v x i 和p x i 控制产品等，为构造自己的专用仪器系统提供了完善的 解决方案。虚拟仪器的应用多是将它们搭成虚拟仪器系统。在信号调理卡、数 据输出卡、g p i b 接口仪器、v x i 接口仪器等硬件支持下，用虚拟仪器软件工作 平台将这些硬件和相应的软件组织起来形成一个系统，如图2 5 所示。 一信号调理卜一数据采集卜一 测 一g p i b 接口仪器hg p i b 接l 卡 p c $ ) l 试 虚拟仪器软 对 传感器 串口仪器p l c 件 象 工作甲台 v x i 仪器p x i 仪器l l i i i 场鸶姥沿采 l 饥俐心销吠田i 图2 - 5 虚拟仪器系统组成图 构造一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现 不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，所以，提高软件编程效率也就是一 个非常现实的问题。根据微软及其他计算机软件工业专家的观点，在当今这个 信息时代，提高软件编程效率的关键是采用面向对象的编程技术。但是，仅有 面向对象的编程技术还是不够的。因为，不可能让所有的人都去学习复杂的c 1 0 武汉理t 大学硕+ 学位论文 + + ，同时成为行业专家和编程专家! 因此，需要一种简单而又有效的编程语 言，适合科学家和仪器工程师使用，这种编程语言环境有时被称为“组态软件”。 目自订国内外能够实现这种功能的软件不少。其中，美国d s p 公司的d a d i s p 软件以试验后数据处理分析和表示见长。美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公 司的系列虚拟仪器开发平台( l a b v l e w 、l a b w i n d o w s c v i 、v i r t u a lb e n c h 和 c o m p o n e n tw o r k s ) 、美国q u a t e c h 公司的d a s l a b 软件包和惠普公司的v e e 软件 平台都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台，以图形化编程和界面灵活见长。 华中科技大学的v 1 9 8 虚拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王以虚拟的单个仪 器或仪器库见长。其中，美国n i 公司的l a b v i e w 软件功能最为完善，最能体现 虚拟仪器的风格，并且目前在欧美等发达国家应用相当广泛，在中国高校中也 正在迅速普及。 l a b v i e w 是一种面向科学家和工程师( 而不是编程专家) 的编程语言，它提 供了简单、直观的图形化编程方式，把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化 成工程师最熟悉的功能结构图的编程方式，并且嵌入了非常丰富的工程应用函 数。例如，针对测试技术和仪器应用，l a b v i e w 提供了多种仿真信号产生、测试 信号分析和处理、数据采集函数。同传统的编程语言相比，l a b v l e w 图形化编程 方式可以节省大量的程序开发时间，但其运行速度却几乎不受影响。 2 4 控制系统的结构和功能 2 4 1 空制系统的结构 程序的主界面分为三大块：“控制模块”，“数据显示模块”和“参数输入模 块”，如图8 1 所示。“控制模块”集成“驱动控制模块”，“加载控制模块 和“自 动变速器控制模块”的功能。显示模块能够显示驱动电机和负载电机的运行状 况，负载电机加载量的具体分配可以在“实时加载数据中观测。负载电机的 总加载量和实际车速随时间变化的曲线在图表中显示。 武汉理i 火学硕十学位论文 厅m 而_ 何* m r 慧裂： = 一”厅m 两mj f 丁h 目r a 】。 l瑚两磊i 三三丽一日螂阿团瑚- 珊尊磊再_ 蝴搬批 _ i 日i 一：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = 一 图8 - 1 控制程序主界面 242 控制系统的特点和功能 1能够检测多种传动系统部件，通用性能好，灵活性高： 2 操作简单、维护方便，能在工业现场的恶劣环境下稳定工作； 3 关键组成部件可靠性高，提高平均无故障时间、首次故障时间，以及缩 短故障恢复时间，增加系统的可使用率； 4 对传动系统部件进行耐久性羽4 试： 5 进行变速器换档舰律的调试； 6 能够按照已有的换档规律控制自动变速器的各个电磁阀的动作： 7 对自动变速器进行故障分析试验，在维修组装后进行性能测试； 武汉理工人学硕士学位论文 8 测试自动变速器的p ，r ，n ，d 档在规定转速下的各相关油压、油温； 1 0 按规定工况驱动自动变速器，测试其动、静态响应情况，模拟变速器的 锁止等； 1 1 预留自动换档接入端，可以调用自动变速器的m a t l a b 控制模型和控 制器程序的c 代码，实现变速器的自动换档测试。 武汉理l ：人学硕士学位论文 第3 章数据采集系统 数据采集系统用来采集试验进行中所需要的各项状态参数，以便监控试验 台系统的工作状况，并且采集和实时显示所必需观测的数据量，为试验台的闭 环控制创造条件。 3 1 数据采集参数及要求 汽车传动系统试验台数据采集的来源有两个：单片机控制柜( 下位机) 和 变频器。单片机控制柜通过各类传感器采集电机参数和自动变速器各种状态参 量。源于变频器的数据采集参数是驱动电机和加载电机运行的各项性能指标。 3 1 1 控制柜信号的参数采集及采集要求 来源于控制柜的信号参数有1 2 种，分为以下5 大类： 1 转速信号：变速器输入，输出转速信号( 两个) ，行星排输入，输出转速信 号； 2 转矩信号：变速器输入、输出转矩信号( 两个) ； 3 油压信号：离合器油压、制动器油压； 4 发动机水温信号； 5 油温信号：变速器工作过程中的冷却油温度。 试验数据的显示精度( 控制柜) 如表3 1 ： 表3 1 试验数据的显示范围与精度 数据类型转速、转距 压力 温度数字滤波齿数 系数 显示范围0 - - - 9 9 9 9 90 - - - , 9 9 9 9 90 - - 9 9 9 9 o 1 00 2 5 50 0 0 - 9 9 9 9 显示精度 10 0 0 10 11 10 0 0 1 试验数据的测试参数精度如表3 2 。 1 4 武汉理t 大学硕十学位论文 表3 2 试验数据的测试范围与精度 数据类型转速( r r a i n )转距( n m )压力( m p a )温度( ) 显示范围o 4 0 0 00 2 0 0 00 , - - , 9 9 9 9 0 1 2 0 显示精度 士1士1 士1 士0 为了使上位机和下位机( 控制柜) 的信号采集和显示保持一致。上位机对 各信号的采集精度和显示精度应完全参照下位机的测试和显示精度要求。 3 1 2 变频器的参数采集及采集要求 普传变频器共有1 0 0 个系统参数。其中与本试验台相关的参数有2 4 个。这 些参数在每次上位机程序初始化过程中必须给于校核，以保证驱动电机和负载 电机的正常运行。2 4 个参数设置如表3 1 ： 表3 1 变频器参数设置 驱动电 负载电 p r x x 参数名称机设置机设置 设定范围及功能 类型 值( a )值( b ) 说明 p r 0 0 主速度频率设定 5 0 o oh z5 0 0 0h zo 0 0 6 5 0 0 0r j w p r 0 1 主速度加速率设定3 0 0 0 秒3 0 0 0 秒o 1 6 5 5 3 0 r w p r 0 2 主速度减速率设定3 0 0 0 秒3 0 0 0 秒 o 1 6 5 5 3 0i v w p r 0 9 转矩补偿电压 0 o 0 3 0f i v w p r 1 0 基底频率 5 0 0 0h z5 0 0 0h z 0 5 0 6 5 0 0 0f 刚w p r 11 基底电压 1 0 01 0 03 0 1 0 0f i v w 1 0 0 0 0 p r 1 5 输出频率上限 o 5h z 6 5 0 0 0f i v w h z p r 1 6 输出频率下限 0 0 0h z0 0 0h z0 0 0 6 5 0 o of 刚w 0 ：减速停止 p r 3 0 自由运转停止 01i v w 1 ：自由运转停止 0 ：逆转有效 p r 3 1 逆转禁止 oor w 1 ：逆转禁止 0 ：面板操作 p r 3 9 控制指令来源选择5 15 1 1 4 ：端子控制 r w 5 ：通讯口控制 1 5 武汉理t 大学硕十学何论文 o ：主速度设定 ( p r 0 0 ) 1 ：a 1 12 ：a 1 2 3 ：操作设定器 p r 4 0 设定频率来源选择 4 6 0 24 6 0 26 ：上升下降计数 r w 器 2 5 ：面板电位器 4 0 ：p i d 4 6 ：通讯口 d 0 1 输出端子功能选 1 变频器停止 p r 4 50oi v w 择2 故障 r y l r y 2 输出端子功能 3 无故障 p r 4 6 00 r w 选择4 运转中 8 6 加速中8 7 减 r y 3 r y 4 输出端子功能 速中 p r 4 7448 8 放电中9 0 j 下转l v w 选择 由 9 1 逆转中 p r 5 4 监视模式选择 00 0 2 5 0 模拟( 仿真) 转换器输 p r 5 50o0 2 5 0 r w 入讯号选择 p r 5 7 输出频率( h z ) h zh z 0 0 0 6 5 0 0m r p m r p m p r 5 8 输出转速( r p m ) 0 3 0 0 0m k r p mk r p m p r 6 0 输出电压( v r m s ) v o l t sa cv o l t sa cm p r 6 1 电流及其它状态显示m pr 6 2 温度 0 1 0 0m 1 ：v f 控制 p r 6 7 运转模式选择 11 3 ：无感向量 f r w 4 ：恒功率 p r 9 3 通讯格式通讯地址 1 2 11 2 2 0 0 1 - - 9 9 9 9f 刚w 以上参数分为两类，第一类是电机运转参数，第二类是变频器设定参数。 p r 5 4 p r 6 2 属于第一类，其余参数属于第二类。 1 6 武汉理i ：人学硕士学位论文 3 2 上位机数据采集的实现 上位机采用图形化编程工具l a b v i e w 作为开发平台，实现上位机同控制柜 和变频器之间的串1 3 数据采集。 3 2 1 控制柜信号的数据采集和实时显示 控制柜通过各路传感器采集相应信号，并经过接1 3 放大电路由经r s 一2 3 2 串 1 3 将采集的数据传送给上位机。 串口通信初始化串口时设置如图3 1 所示。 其通信参数应该与控制柜的通信参数一致。具体 参数设置为：串口号为c o m 2 ，波特率为1 9 2 0 0 b s ， 无校验位，数据位为8 位，停止位为1 。通常工控 机的串口连接固定，因此此设置只用在后面板设 定即可，不用在前面板中显示。 上位机与控制柜在数据接收上应设有一定的 数据缓冲区，以避免发送数据的丢失。缓冲区的 时间设定应满足证数据的实时读取，根据调试， 缓冲区的时间延迟为3 0 毫秒。 图3 1串口初始化设置 根据上位机和下位机的通信协议，上位机向下位机发送命令字符： 0 1 + 5 2 + 地址+ 试验数据个数n 发送的数据为十六进制。读数据时：地址范围为0 0 0 b ；数据个数范围为 0 0 0 c 。地址数与试验数据个数n 的和应该小于等于0 c 。因为试验总共是1 2 个数据。 下位机将返回从“地址”开始向后的n 个试验数据到上位机。返回数据的 格式为：0 1 + 数据+ 校验和( 校验和不包括0 1 ) 校验和是控制柜发送数据相加的结果，用来检验接收数据的准确性。如果 接收和发送的校验和结果不同，证明控制柜在发送数据的过程中，有数据丢失 或者数据错误，此组数据应给于去除。 由通信协议可知，上位机既可以采集单个数据值，也可以一次采集所有的 数据值。由于试验需要，通常要求同时关注几个参数，并且单个数据采集和所 有数据采集在数据发送时间上几乎没有差别。因此采取的数据接受方案是，通 1 7 武汉理1 二大学硕十学位论文 过串口，一次性接收所有的1 2 组数据。再根据具体试验的需要，决定选择哪几 组数据显示在操作界面上。 具体操作为，上位机向控制柜发送命令字符“0 15 2o o0 c ”，控制柜返回字 符“0 1 ( 2 4 个十六进制字符数据)校验和”。l a b v i e w 程序框图如图3 2 。 图3 2串口命令发送与数据接收程序框图 根据通信协议，串口接收到的十六进制数每两个为一组，表示一个参数。 最高位为符号位，“o ”表示正，“1 ”表示负。 因此一个参数显示的最大数值为 1 6 木1 6 牛1 6 1 = 4 0 9 5 。 首先将接收到的由3 0 个元素构成的十六进制数组用“s t r i n gs u b s e t ”函数提 取和拆分为2 4 个单独的数组元素，然后用“n u m b e rt oh e x a d e c i m a ls t r i n g ”函 将每个数组元素转化为十六进制字符串，再用“c o n c a t e n a t es t r i n g ”函数将2 4 个数组元素每两个合为一组，构成一个十六进制的采集参数，最后用 “h