（车辆工程专业论文）基于虚拟仪器的汽车底盘测功机测控系统的研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： f 善b 刍 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。本人授权华南理工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。 保密团，在- = 已年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：连l 与 导师签名峨簟 日期：如c 步年易月j 易日 日期：呵年6 月( f ) 日 摘要 摘要 汽车底盘测功机是汽车整车性能参数量化检测的大型室内台架试验设备，通 过模拟汽车道路行驶工况的行驶阻力，进行汽车动力性检测、燃油经济性分析、 排气污染物检测分析以及汽车传动的有关试验。近年来，国家颁布了一系列上述 新的相关性能检测标准，对汽车底盘测功机的检测控制系统性能提出了更高要求。 本文分析了现有某电涡流测功机存在的不足，针对其测控系统和控制方法不 能适应模拟连续变化的汽车道路行驶阻力的需要，结合新标准的要求，对基于虚 拟仪器的新型数字化测控系统进行研究，研制了测控系统的硬件平台和应用软件。 系统硬件结构模块化、集成度高，采集和控制通道与数字系统隔离，报警功能完 善；励磁控制采用斩控式调压( 脉宽调制方式) ，实现直接数字控制，简化了电路， 提高了可靠性。系统的应用软件在虚拟仪器软件开发工具l a b v i e w 平台上进行二 次开发设计而成，包括i o 接口驱动程序、仪器前面板和功能流程以及控制算法。 应用软件具有以下汽车性能检测功能：汽车底盘输出功率检测、工况法检测、加 速性能检测、滑行性能检测、车速表校验、里程表校验等。 由于目前广泛使用的电涡流测功机存在失控死区、非线性、滞后反应等不利 于控制的特性，本文针对不同的控制方式( 恒电流、恒转速、恒扭矩、多工况) ， 提出了预测控制和数字p i d 控制两种方法相结合的控制策略，扬长避短，相辅相 成。对两种控制方法分别进行了仿真，并通过恒转速控制和加速模拟工况试验， 初步验证了测控系统总体方案的可行性。仿真和试验表明，新的测控系统动态响 应良好，控制精度较高，为进一步研究和优化控制策略奠定了基础。 关键词：汽车底盘测功机；测控系统；虚拟仪器；预测控制 a b s t ra c t t h ea u t o m o t i r ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s i sal a r g ei n d o o rt e s t i n g e q u i p m e n t f o rq u a n t i f l e dp e r f o r m a n c eo fw h o l e v e h i c l e t h r o u g h t h e s i m u l a t i o no fd r i v i n gr e s i s t a n c ei nd r i v i n gc y c l e s ，i t c a nt e s td y n a m i c p r o p e r t yf o rm o t o rv e h i c l e s ，a n a l y z et h e i re c o n o m i c a lc h a r a c t e r ，q u a n t i f y a n da n a l y z et h e i re m i s s i o na n di m p l e m e n ts o m et e s t so ft r a n s m i s s i o n i n r e c e n ty e a r s ，s e r i e so fn e wn a ti o n a ls t a n d a r d sa b o u tt h ep e r f o r m a n c et e s t s m e n t i o n e da b o v eo nt h ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s h a v eb e e np u b l i s h e d ，t h e y r e q u i r e dh i g h e rp e r f o r m a n c eo ft h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m o t i v e c h a s sisd y n a m o m e t e r s t h isp a p e ra n a l y z e dt h ed is a d v a n t a g e so ft h eo r i g i n a le d d yc u r r e n t c h a s sisd y n a m o m e t e r s ，w h o s et e s ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o lm e t h o dd o n o ta d a p tt ot h es i m u l a t i o no fd r i v i n gr e s i s t a n c ei nv a r i a t i o n a ld r i v i n g c y c l e s t om e e tt h en e wn a t i o n a ls t a n d a r d ，t h isp a p e rs t u d ie st h en u m e r i c a l t e s ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，a n di t s h a r d w a r e p l a t f o r ma n da p p l i c a t i o n s o f t w a r ei sd e s i g n e d t h es t r u c t u r eo ft h e h a r d w a r es y s t e mh i g h l ym o d u l a r i z e sa n di n t e g r a t e dd e v i c ee l e c t r o n i c si s m a d eu s eo f ，t h ed a t ac o l l e c t i o na n dc o n t r o lc h a n n e l si s o l a t ef r o m t h e d i g i t a ls y s t e m ，s ot h i sn e wa p p a r a t u sh a s c o n s u m m a t ea l e r ts y s t e m t h e e x c i t a t i o nc o n t r o lu s e sp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，w h i c hi m p l e m e n t sn u m e r i c a l c o n t r o l 。s i m p l i f i e s t h ec i r c u i ta n di m p r o v e st h er e l i a b i l i t y t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r e o f t h es y s t e mi sd e s i g n e db yl a b v i e wp l a t f o r m ， i n c l u d i n gi o i n t e r f a c ed r i v e r 、t h ei n s t r u m e n tf r o n tp a n e l sa n dt h e i r f u n c ti o np r o c e s s 、a n dt h e c o n t r o la r it h m e ti c t h es o f t w a r eh a s t h e f o l l o w i n gt e s tf u n c t i o n ：o u t p u tp o w e rm e a s u r eo fa u t o m o t i v e c h a s s i s 、 e x h a u s t so fp o ll u t a n t s m e a s u r ei nt e s tc y c l e s 、p e r f o r m a n c et e s t so f a c c e l e r a t i o no rs l i d em o d e 、s p e e dm e t e ra n dm i l e o m e t e rv e r i f i c a t i o n ，e t c b e c a u s et h ee d d yc u r r e n td y n a m o m e t e r sw id e l yu s e da tp r e s e n th a sm a n y d i s a d v a n t a g e ss u c ha sb l i n ds p o t o fc o n t r o la r e a 、n o n l i n e a rc h a r a c t e r 、 l a gr e s p o n s ei s s u e se t c t h i sp a p e r a i m sa td if f e r e n tc o n t r o lm o d e s ( c u r r e n t c o n t r o l 、s p e e dc o n t r o l 、t o r q u ec o n t r o la n dt e s tc y c l e ) ，a n di tb r i n g sa n e wc o n t r o ls t r a t e g y w h i c hc o m b i n e sp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o da n d n u m e r i c a lp i dm e t h o d t h r o u g hs i m u l a t i n gt h e s et w oc o n t r o lm e t h o d sa n dt h e a b s t r a c t e x p e r i m e n t so fs p e e dc o n t r o lm o d ea n da c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e ，w eh a d v a l i d a t e dt h e f e a s i b i l i t y o ft h ew h o l e s y s t e m t h e s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ss h o wag o o df e e d b a c kt h a ti n d i c a t e s ：t h en e wt e s ta n dc o n t r o l s y s t e mh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s e 、h i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n ，a n d i t e s t a b l i s h e st h eb a s ef o rf u r t h e rs t u d ya n dc o n t r o lo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s ：t e s ta n dc o n t r o ls y s t e m ： v i r t u a li n s t r u m e n t ：p r e d i c ti v ec o n t r o l l l i 华南理工大学硕士学位论文 = 喜= = = = = = = = = 暑= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 詈= = = = = = 目录 摘要一一i a b s tra c t i i 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景l 1 2 汽车底盘测功机现状2 1 3 测量仪器的发展2 1 4 本课题研究的主要内容3 1 5 本章小结4 第二章汽车底盘测功机及其测控系统5 2 1 汽车底盘测功机5 2 1 1 汽车底盘测功机的工作原理5 2 1 2 汽车底盘测功机的组成5 2 2 现有某电涡流测功机的优缺点8 2 2 1 现有某电涡流测功机的优点8 2 2 2 现有某电涡流测功机的测控系统9 2 2 3 现有某电涡流测功机测控系统的缺点1 1 2 3 新型测控系统总体方案12 2 3 1 虚拟仪器简介1 2 2 3 2 基于虚拟仪器的测控系统总体方案1 3 2 4 本章小结1 4 第三章测控系统硬件设计15 3 1 系统硬件的总体结构15 3 2 硬件设计的原则1 6 3 3 模拟信号的采集电路1 6 3 3 1 测力传感器1 7 3 3 2 扭矩信号的调理1 8 3 3 3 电流传感器1 9 3 3 4 电流信号的调理2 0 3 3 5 模数转换电路2 0 3 3 6 模拟通道的光电隔离2 l 3 4 转速信号的采集电路2 l 3 4 1 转速传感器2 l 目录 3 4 2 转速信号的调理2 2 3 5 报警信号的采集及声光报警电路2 2 3 6 开关量输出控制驱动电路2 3 3 7 励磁电流控制电路2 5 3 8 数据采集微控器的选型2 8 3 9 通讯电路3l 3 10 系统电源电路3 2 3 1 l 本章小结3 3 第四章测控系统软件设计34 4 1 微控器软件设计3 4 4 1 1 数据采集程序3 4 4 1 1 1 模拟信号的采集3 4 4 1 1 2 转速信号的采集3 4 4 1 1 3 数据采集主程序3 6 4 1 2 串行通讯程序4 3 4 2 虚拟仪器应用软件设计4 3 4 2 1l a b v ie w 开发平台简介4 3 4 2 2 虚拟仪器应用软件总体结构4 4 4 2 3i o 接口驱动模块4 4 4 2 4 控制策略算法模块的设计4 5 4 2 4 1 控制策略的选择4 5 4 2 4 2 预测控制器的设计4 9 4 2 4 3p i d 控制器的设计5 6 4 2 4 4 底盘测功机上汽车行驶阻力的模拟6 0 4 2 4 5 控制策略的软件实现6 l 4 2 5 虚拟仪器面板设计6 2 4 3 本章小结7 0 第五章系统调试与试验71 5 1 系统硬件调试71 5 1 1 调试准备71 5 1 2 输入通道的调试71 5 1 3 串口通讯的调试7l 5 1 4 数据采集电路的调试7 1 5 1 5 输出控制通道的调试7 2 v 华南理工大学硕士学位论文 5 2 系统软件调试7 2 5 2 1 微控器程序的调试72 5 2 2 虚拟仪器i o 接口驱动程序的调试7 2 5 2 3 控制算法的调试和仿真72 5 2 3 1 有约束动态矩阵控制算法的仿真7 2 5 2 3 2 抗饱和增量式pid 算法的仿真7 3 5 2 4 虚拟仪器面板的调试77 5 3 试验及其结果分析7 7 5 3 1 试验条件与准备7 7 5 3 2 恒转速控制试验7 7 5 3 3 加速模拟工况试验7 9 5 4 本章小结8 1 结论“”82 参考文献8 3 攻读学位期间发表的论文85 蜀l 谢“”“”8 6 v l 1 1 课题背景 汽车自问世以来，作为一种高速、高效的陆上道路运输工具，给人们带来各 种方便和满足。汽车工业已经成为我国的支柱产业之一。随着全社会汽车保有量 的迅猛增长，汽车的负面影响日益显著，并引发了诸多社会问题。如环境污染问 题，历史上汽车的排放污染，曾造成了令人震惊的美国洛杉矶和日本东京等地的 “光化学烟雾 ；公路交通事故频发，造成的不小的人员伤亡和经济损失；汽车的 噪音也已成为社会公害，不仅破坏环境的宁静，使人心情不安、烦躁、疲倦和工 作效率降低，而且严重的还会引起某些疾病，损害人体健康。另外，庞大的汽车 总量加剧了能源供应危机。 由于上述社会问题日趋严重，汽车的技术性、环保性、经济性、安全性等方 面的监督与检查，受到国家的极大重视。汽车的检l j j 维修制度是合理、有效地控 制汽车产品带来的社会问题的重要措施。汽车检测是确定汽车技术状况或工作能 力的检查。对在用车进行定期和不定期的检测主要在汽车检测站进行。汽车底 盘测功机是a 级汽车检测站必备的重要设备之一，从早期的单一功能设备发展成 为多功能、多用途的检测设备，其检测性能直接影响整条检测线的优劣。 近几年来，国家相关部门颁布了一系列汽车检测新的相关标准，与汽车底盘 测功机有关的标准如下： j t t 4 4 5 - 2 0 0 1 汽车底盘测功机通用技术条件 g b l 8 5 6 5 - 2 0 0 1 营运车辆综合性能要求和检验方法 g b t 1 8 2 7 6 2 0 0 0 汽车动力性台架试验方法和评价指标 g b l 8 2 8 5 - 2 0 0 0 在用汽车排气污染物限值及测试方法 g b l 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型汽车排气排气污染物限值及测试方法 北京市地方标准d b l1 1 2 2 - 2 0 0 0 其中j t t 4 4 5 2 0 0 1 规定了汽车底盘测功机的最低要求，包括汽车底盘测功 机的组成与功能、各组成部分的技术要求、试验方法及检验规则等。g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 和g b t 1 8 2 7 6 2 0 0 0 规定了利用汽车底盘测功机进行性能检测的试验方法和相关 性能指标。后面三个标准分别规定了采用加速模拟工况法( a s m ，a c c e l e r a t i o n s i m u l a t i o nm o d e ) 、多工况运转循环、简易工况法等在底盘测功机上对在用车进 行排气污染物测试的方法。新的一系列标准对汽车底盘测功机测控系统提出了更 高要求，比如程序控制加载，在整车排气污染物检测中必须能够模拟连续变化的 汽车运行工况的道路行驶阻力进行加载。即要求测控系统必须具备通过软件控制 加载的能力，并且动态响应好，控制速度快，控制精度高。 华南理工大学硕士学位论文 现有某台九十年代早期研制的电涡流底盘测功机，其测控系统和控制方法已 明显不适应新标准的相关要求，所以本论文将它作为研究开发汽车底盘测功机新 型测控系统的设备平台。 1 2 汽车底盘测功机现状 根据汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法的规定，a 级汽车检测站 必须配备汽车底盘测功机。汽车底盘测功机是大型的汽车试验设备，是完成汽车 整车试验的台式试验系统。它可以模拟汽车道路试验各种工况的道路载荷，在室 内完成汽车的经济性试验、动力性试验、排放性能评价与分析、可靠性试验以及 与汽车传动有关的专项试验，是汽车试验研究、产品开发、质量检测等所必须的 大型设备。使用汽车底盘测功机在室内完成汽车试验与通常的道路试验相比具有 是速度快、精度高、费用低、数据稳定、可比性好等优点心1 。 据广东省若干检测站的调研情况看，目前多数汽车检测站的测功机不能完全 适应新标准的要求，需要进行不同程度的改造。 国内外有众多的测功机生产商。近年来，清华一欧林特、江西省交通科学研究 院、洛阳南峰机电设备制造有限公司、湘仪动力测试仪器有限公司等开发了或正 在开发能够进行多工况排放检测的测功机，一般采用德国或西班牙引进的电涡流 主机，自己研发测控系统。多数产品的测控系统是面向发动机台架试验，要成为 汽车底盘测功机的测控系统，除了去掉油门伺服驱动部分、减少数据采集模块， 还必须对控制方法进行修改，使其与车辆一底盘测功机系统的特点和汽车性能检 测的不同控制要求相适应。国外的汽车底盘测功机，如德国m a h a 公司的产品，配 套了多种附件，在检测功能和用途上更为广泛h 1 。 在测控系统的控制方法上，目前成熟的产品大多数采用模拟p i d 或数字p i d 实现恒转速、恒扭矩控制。在一些研究试验型产品中，运用了经验控制、自适应 控制、模糊控制等先进控制技术。 1 3 测量仪器的发展 电子测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程： 第一代模拟仪器。以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万 用表、指针式电流表等。结构简单、成本较低、易于维护，适用于对精度要求不 高的场合。 第二代分立元件式仪器。以电子管或晶体管电子电路为基础的测试仪器。 第三代数字化仪器。以集成电路芯片为基础，如数字电压表、数字频率计 等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终 结果。它比模拟仪器具有更高的测量精度和响应速度。 2 第一章绪论 第四代一一智能仪器。以微控器为核心，既能进行自动测试，又具有一定的数 据处理功能。其缺点是它的功能块全部都以硬件( 或固化的软件) 的形式存在， 缺乏灵活性n 。 上述测量仪器一般由厂家定义、制造，各种功能以硬件或固化的软件形式存 在，设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式，在一些较为复 杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便；并且在仪器间相互通讯、信息 共享等方面也存在不足，无法完成对被测各系统的综合分析、评估。传统的测量 仪器越来越满足不了科技进步的要求。微电子技术和计算机技术的飞速发展，测 试技术和计算机深层次的结合，使仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性 的变化，出现了新的仪器概念一一虚拟仪器。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统1 。虚 拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使 得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。仪器性能的改进和功能的扩 展几乎只需更新相关软件设计，而不需购买新仪器。 虚拟仪器是一种创新的仪器设计思想，而非一种具体的仪器。用户可以在测 试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术实现和扩展传统 测试系统与仪器的功能。“软件就是仪器 是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的 表述盯。 随着现代计算机技术、通信技术、微电子技术的不断发展，网络技术与虚拟 仪器的结合将又一次引起测量仪器领域的革命，出现网络化虚拟仪器设计思想， 它的一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点、以及数据库等资源纳入网络， 即把仪器的三大功能( 数据获取、数据分析及图形化显示) 分别使用独立模块， 以网线相连接，实现资源共享，共同完成测试任务，使在任何地点、任意时刻获 取测量数据信息的愿望成为现实n 。 1 4 本课题研究的主要内容 汽车底盘测功机作为大型、较为复杂的多功能汽车性能检测设备，涉及面甚 广，其机械部分技术较成熟，性能较佳。新标准的要求主要体现在测控系统的功 能、控制精度、对道路行驶阻力的模拟加载及其控制等方面。因此，本课题的研 究重点放在汽车底盘测功机的测控系统部分。 随着汽车底盘测功机检测功能增加、用途变广，其测控系统的复杂程度也在 加深，传统的测量仪器已经不能满足其日益提高的检测和控制方面的要求，需要 在新的仪器设计思想的指导下，构建新型测控系统，以灵活、可扩展的系统模式 迎合多种汽车性能检测的需要。由此，测控系统的研究开发需要经过多个阶段才 3 华南理工大学硕十学位论文 能完成，本论文的任务着眼于测控系统软硬件基础平台的研究开发。具体而言， 包括以下几个方面： 1 ) 分析原有测控系统的优缺点，在虚拟仪器设计思想的指导下，提出测控系 统硬件和软件的总体方案； 2 ) 设计新型测控系统的硬件平台； 3 ) 研究适应新国标的测控系统控制策略； 4 ) 设计新型测控系统的虚拟仪器应用软件； 5 ) 软硬件联合调试，进行初步试验，验证系统总体方案的可行性。 1 5 本章小结 本章首先介绍课题背景，分析了与汽车底盘测功机相关的新标准的要求；介 绍了汽车底盘测功机产品现状；在回顾测量仪器的发展后，介绍了本论文的研究 内容。 4 第二章汽车底盘测功机及其测控系统 第二章汽车底盘测功机及其测控系统 2 1 汽车底盘测功机 汽车底盘测功机是一种不解体检验汽车性能的检测设备，它是通过在室内台 架上汽车模拟道路行驶工况的方法来检测汽车的动力性、燃油经济性、污染物排 气分析以及汽车传动等有关试验。同时能方便地进行汽车的加载调试和诊断汽车 在负载条件下出现的故障等。由于汽车底盘测功机在试验时能通过控制试验条件， 使周围环境影响减至最小，同时通过功率吸收加载装置来模拟道路行驶阻力，控 制行驶工况，故能进行符合实际的复杂循环试验，因而得到广泛应用。底盘测功 机分为两类，单滚筒底盘测功机，其滚筒直径大( 1 5 0 0 一- 2 5 0 0 m m ) ，制造和安装费 用大，但其测试精度高，一般用于制造厂和科研单位：双滚筒式底盘测功机的滚 简直径小( 2 0 0 , - 一5 3 0 m m ) ，设备成本低，使用方便，但测试精度相对差些，一般用 于汽车使用、维修行业及汽车检测线、站。双滚筒试验台利用两平行滚筒之间安 置被测汽车车轮( 驱动轮) ，因而滚筒直径大为减小，结构较简单，设备安装调试 大为简化，测试过程也较简单易行心，。 2 1 1 汽车底盘测功机的工作原理 汽车在道路上行驶过程中存在着运动惯性、行驶阻力，要在试验台上模拟汽 车道路运行工况，首先要解决模拟汽车整车的运动惯性和行驶阻力问题，这样才 能用台架测试汽车运行工况的动态性能。汽车惯量的模拟可由飞轮模拟和电模拟 两种，至于汽车在运行过程中所受的空气阻力、滚动阻力及坡度阻力等，则采用 功率吸收加载装置来模拟。路面模拟是通过滚筒来实现的，即以滚筒的表面取代 路面，滚筒的表面相对于汽车作旋转运动。通过控制系统可以对加载装置及惯性 模拟系统进行自动或手动控制，实现对车辆性能的检测口1 。 2 1 2 汽车底盘测功机的组成 汽车底盘测功机的主要组成包括：机架、滚筒机构、功率吸收装置、举升及 滚筒制动装置、控制与测量系统、标定装置及安全装置，有的还配备惯量模拟装 置、反拖装置u 盯。 1 滚筒机构 双滚筒测功机的滚筒为直径从2 0 0 5 3 0 m m 的钢制薄壁长筒，大的长度尺寸、 大的刚度要求和小的转动惯量、小的动不平衡的矛盾使世界上只有少数制造厂家 敢于问津它的生产。为了模拟“路面”状况，滚筒表面应具有一定的“路感 ，即 轮胎的“接触度 和“摩擦系数 。两滚筒有主副之分，其差别不在于结构和尺寸， 而是主滚筒要与动力吸收装置以及飞轮装置连接，副滚筒往往作为测速装置的一 s 华南理t 大学硕士学位论文 部分，转速信号传递给测量计算装置转换成车速。 l - 框架：2 - 杠杠：3 一压力传感器：4 - 副滚筒：5 - 轴承座：6 一速度传感器：7 - 举升装置；8 一冷却水入 口；9 - 电涡流测功机：1 0 - 齿轮箱：1 1 - 主滚筒：1 2 一联轴器 图2 1 底盘测功机道路模拟系统结构 f i g 2 - lt h es t r u c t u r a ls k e t c hm a po fr o a ds i m u l a t i n gs y s t e mo fc h a s s i sd y n a m o m e t e r s 2 功率吸收装置 在汽车检测线上所用的底盘测功机功率吸收装置的类型有电涡流式、水力式、 电力式等几种。由于一般水力式功率吸收装置的可控性较电涡流式差，电力测功 机的成本较高，因而汽车底盘测功机大多数采用电涡流功率吸收装置。 本论文采用的是电涡流测功机，其结构如图2 2 所示，电涡流测功器主要由 定子和转子两部分组成。在定子四周装有励磁线圈，转子在磁场中转动。当励磁 线圈通以直流电时，磁力线在定子、涡流环、空气隙和转子之间构成回路。磁通 的大小与励磁线圈的匝数以及所通过的电流大小有关。转子外圆制成凸凹不同的 形状，由于通过齿顶和凹槽的磁通不一样，凸出部分比凹陷部分通过的磁通多， 当转子旋转时，引起磁通的变化，从而在固定的涡流环中产生涡流。这种涡流产 生的磁场又产生一个与转子旋转方向相同的转矩，由于作用与反作用的关系，转 子产生一个与自己转动方向相反的转矩，即为制动转矩。该转矩通过外环及传力 臂传至测力装置上，由力传感器将力的大小转换成电信号输出。制动力矩的大小 可以通过控制励磁电流来调节，电流愈大通过转子和定子磁通也愈大，电涡流也 大，则转子的制动力矩愈大。电涡流测功机的励磁电流是由励磁电压来控制的， 因此可以通过控制励磁电压的大小来调整测功机的制动力，使得在试验台上模拟 行驶阻力成为可能。 3 举升及滚筒制动装置 举升系统的类型较多，底盘测功机常用的类型有： ( 1 ) 气压式升降机。它是由电磁阀、气动控制阀及双向气缸或橡胶气囊组成， 在气压差的作用下，气缸中的活塞便可上下运动以实现升降目的。 6 、 i a 1 转子轴2 摆动体支架3 轴承座4 转子盘5 外朴 6 励磁线圈1 涡流环8 摆动水管 9 主轴承l o 轴承端盖 1 1 澜速幽盘1 2 联轴器1 3 转速传惑器1 4 摆动进水管1 5 水压传感器 1 6 扭矩传感器1 7 漏力臂聚1 8 底庵1 9 通风环2 0 配重决 2 1 f i i 木法兰盘2 2 圆水几2 3 油泵 图2 2 电涡流测功机结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r a lg r a p ho fe d d yc u r r e n td y n a m o m e t e r s ( 2 ) 液压式举升装置。通常由磁阀、分配阀、液压举升缸等组成，在液压差作 用下，举升缸活塞向上移动，实现举升目的。 滚筒制动装置有采用棘轮棘爪式锁止装置或制动蹄片式制动装置，前者由双 7 华南理1 = 大学硕十学位论文 向气缸、棘轮、棘爪、回位弹簧、杠杆及控制器组成。通过控制器控制压缩空气 的通断，当某一方向通气后，空气推动气缸活塞运动控制棘爪与棘轮离合以达到 锁止或放松滚筒的目的。后者是安装在机架与举升机构之间制动蹄片，当升降变 化时，对滚筒制动或解除对滚筒的制动。 4 控制与测量系统 该系统是本论文研究的重点，将在下文详细介绍。 5 标定装置及安全装置 标定装置包括测力杠杆、三角架、丝杠等，其安装方式必须符合j t t 4 4 5 2 0 0 1 标准的要求。 安全保障系统包括左右挡轮、系留装置、车偃、发动机与车轮冷却风机，其 作用如下： ( 1 ) 左右挡轮的目的是防止汽车车轮在旋转过程中，在侧向力的作用下驶离滚 筒； ( 2 ) 系留装置是指地面上的固定盘与车辆相连，以防车辆高速行驶时，由于滚 筒的意外卡死驶出滚筒； ( 3 ) 车偃的作用之一是防止车辆在运行过程中，车体前后移动，同时也达到与 系留作用相同的功能； ( 4 ) 发动机与车轮冷却风机是防止车辆在测功机上运行过程中发动机和车轮过 热。 另外，测功机可以选配惯量模拟装置、反拖装置。 惯量模拟装置主要由飞轮和电磁离合器组成，通过在试验台上利用惯性飞轮 的转动惯量来模拟汽车旋转部件的转动惯量及汽车平移质量的惯量，采用电磁离 合器自动或手动切换飞轮的组合，在允许的误差范围内满足汽车的惯量模拟。没 有配备飞轮的测功机可以通过电模拟，即利用电涡流功率吸收装置加载进行惯量 的模拟。 配备反拖装置的测功机，能检测汽车动力传动系统的损耗功率。 在工况法整车排放试验中需要引导系统，俗称司机助，其作用是引导驾驶员 按照提示的工况进行操作。 2 2 现有某电涡流测功机的优缺点 2 2 1 现有某电涡流测功机的优点 1 低惯性、高精度、高稳定性电涡流主机。测功机的电涡流主机是从德国策尔 纳公司引进，转动惯量小、响应速度快、能适应测量控制高精度的要求。 2 在结构上，电涡流制动器采用间接冷却的干隙结构，冷却水不流经空气隙而 8 第二章汽车底盘测功机及其测控系统 流入冷却环进行冷却，这样既避免了由于水的锈蚀作用而导致空气隙的变化，也 避免了转子与冷却水摩擦对测量精度的影响。这是直接冷却湿隙结构无法实现的。 电涡流制动器的转子盘采用鼓式( 柱式) 结构、径向气隙。其特点是体积小、 装修方便、零件制造精度保证了气隙的均匀性，并在运行中或温度变化时也不会 改变，因此转轴受力均匀，运行可靠。 图2 3 电涡流测功机的特性曲线图 f i g 2 3 t h ec h a r a c t e r i s t i cg r a p ho fe d d yc u r r e n td y n a m o m e t e r s 3 测功机吸收功率范围较广。如图2 - 3 所示，b c 为允许的最高转速，o d e 是允 许的最大扭矩曲线，o a b c o 所包括的范围就是测功机所能吸收的功率范围。凡是 特性曲线落在这个范围内的原动机，都能被测试。例如，图中曲线i 、i i 、i 为 三种不同原动机的特性曲线。曲线i i 的原动机选用此测功机是适宜的，而对曲线 i 、i 的原动机则不太合适，因为它们各有一部分运行范围无法在此测功机上测试。 2 2 2 现有某电涡流测功机的测控系统 图2 - 4 是某电涡流测功机原有的测控系统框图。其工作原理如下：当测功机 工作时，安装在电涡流制动器上的扭矩传感器测量的信号经电缆传给扭矩采集显 示装置，先经高放大倍数放大器和低漂移的精密放大器放大后，在面板上用数字 和模拟形式显示出来，其中数字显示的是精确的扭矩值( 单位n m ) ，模拟表显示的 是实际扭矩占满量程扭矩的百分比值。与此同时，代表该扭矩实际值得电压被送 到励磁电流模拟p i d 调节控制装置，对电涡流制动器进行控制调节。而安装在其 主轴上的转速传感器将测得的转速信号通过电缆送到转速测量装置。经放大器、 频率电压转换器后，变换成与转速成正比的o - - l o v 直流电压，从而形成可用于调 9 华南理1 = 大学硕士学位论文 节控制励磁电流的转速实际值。转速和扭矩设定值以高稳定电压( o l o v ) 形式给 出，通过设定值调节器进行调节。 扭矩信号 转速信 图2 - 4 原测控系统结构图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eg r a p ho fo r i g i n a lt e s ta n dc o n t r o ls y s t e m 恒电流控制方式原理如下：将此控制方式按钮闭合，逻辑开关打在标号为1 的端子上，通过面板上的设定值调节器或外部设定值调节器调节所需的设定值， 直接控制移相触发器，改变可控整流桥导通角，以改变整流电压，进而调节涡流 制动器的励磁电流，使测功机和被测原动机在调定负载下运行。由数字表读出转 速和扭矩。改变设定值，可以得到测功机在不同负载下转速和扭矩的自然特性曲 线。 1 0 第二章汽车底盘测功机及其测控系统 恒转速控制方式原理如下：将此控制方式按钮闭合，逻辑开 的端子上。转速实际值加到比较器的同相输入端，转速设定值加 当转速实际值大于设定值时，比较器输出正电压，经p i d 放大后 加，再通过移相触发器使可控整流桥导通角增加，加大励磁电流 使实际转速下降，同理当调速低于设定转速值时，调整的结果使 直到实际转速等于设定转速值。 恒扭矩控制方式原理如下：将此控制方式按钮闭合，逻辑开 的端子上扭矩实际值加到比较器的反相输入端，与加到同相端的设定值比较。 若扭矩实际值高于设定值，比较器输出负电压，通过p i d 放大，使控制移相触发 器的电压减小，可控整流桥导通角减小，使励磁电压减小，扭矩下降。当扭矩实 际值低于设定值时，调节控制结果使扭矩上升，直至实际扭矩与设定扭矩相等。 2 2 3 现有某电涡流测功机测控系统的缺点 l 、测控系统均由硬件实现，并且没有微控器，属于第三代测量仪器( 数字化 仪器) 。系统电路庞大且复杂，由1 6 块约1o o c m 2 和1 块3 0 0 c m 2 的电路板组成，包 括扭矩和转速测量、显示电路，励磁电流调节控制电路、报警电路、模拟p i d 调 节电路、面板指示灯按键电路、电源电路等。一旦系统出现故障，需要较长时间 排查，可维护性较差。 2 、由于早期芯片集成度较低，电路中放大、调零和滤波环节较多，累计各环 节时间常数较大，影响了系统的动态性能，响应速度变慢；并且电路中有些元器 件已经开始老化。 3 、恒电流控制是开环系统，没有电流反馈，控制精度一般。 4 、恒转速和恒扭矩控制共用同一个模拟p i d 调节装置，忽略了在两种控制方 式下系统瞬态响应动态性能的差异。而且，由于励磁电压调节范围较大，同一p i d 参数对不同设定输入的瞬态响应的动态性能也有一定差别。另外，用模拟p i d 调 节器进行控制，容易出现较大的超调量，使加载时发生振颤，调节时间较长。 5 、模拟p i d 调节器需要熟练的操作人员对其管理和调试，调试好的参数会由 于时间、温度、环境、控制对象等外界因素变化而改变，从而引起整个系统性能 变坏，不稳定因素的积累，甚至导致无法正常试验测试；模拟p i d 参数需要有经 验的工程师进行定期重新校正。 6 、系统灵活性和扩展性差。修改和调整测控系统必须对硬件电路熟悉，用户 几乎无法对其进行部分改进和功能扩展。 7 、在早期研制阶段，为了能够程序控制自动加载，曾给测控系统配套了数据 采集卡和运行在4 8 6 微机d o s 操作系统上的检测控制界面。据开发者介绍，该采 集卡的i o ( 输入输出) 接口采用现在已经逐渐淘汰的i s a 总线，并且不具备驱 华南理工大学硕士学位论文 动功率开关的功能，控制界面较简单，功能单调，且不能在w i n d o w s 操作系统上 运行。因此，该软硬件系统已经没有实用价值。 2 3 新型测控