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新能源汽车电驱动系统测试平台研制-底盘测功机【包含CAD图纸及文档全套打包】
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湖南大学毕业设计(论文) 第 V 页HUNAN UNIVERSITY 毕 业 论 文 论文题目新能源汽车电驱动系统测试平台研制学生姓名王文博学生学号201504061004专业班级车辆工程1503班学院名称机械与运载工程学院指导老师卿宏军学院院长丁荣军201 年 月 日湖 南 大 学毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在老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。学生签名：日期：201 年 月 日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，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。本人授权湖南大学可以将本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论文。本论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）学生签名: 日期：201 年 月 日指导教师签名： 日期：201 年 月 日新能源汽车电驱动系统测试平台研制 摘要测试平台主要指底盘测功机，其原理可简单概括为用底盘测功机模拟路面行驶工况，对汽车动力性、制动性能、燃油经济性等性能进行检测的转鼓试验台架。试验台一般安装在地下，需通过将车辆驶上转鼓，对中固定等步骤完成测试准备，相对于通常的道路动力性能检测试验，转鼓试验台在精度、速度、可靠性等方面都有一定优势，且成本较低。本论文主要针对4吨以下新能源汽车的检测，设计方案为48英寸单鼓电机中置式交流电力底盘测功机。本次课题介绍了试验台架的工作原理，建立了测试平台的三维立体模型，对转鼓、基座、对中机构和换向机构等主体部件进行了设计。并对交流电机和变频器等电气电子设备进行了选型。最后，通过LabVIEW 对试验台架软件控制系统进行了编程设计，达到了整车室内检测动力性的目的。关键词：底盘测功机；LabVIEW；电控系统；动力性；交流电机Development of Test Platform for New Energy Vehicle Electric Drive SystemAbstractThe test platform mainly refers to the chassis dynamometer. The principle can be simply summarized as a drum test bench that simulates the road driving conditions with the chassis dynamometer and tests the performance of the vehicles power, braking performance and fuel economy. The test rig is generally installed underground. The test preparation is completed by driving the vehicle onto the drum, and the centering is fixed. Compared with the normal road dynamic performance test, the drum test rig has accuracy, speed and reliability. Certain advantages and low cost.This paper is mainly for the detection of new energy vehicles below 4 tons. The design scheme is a 48-inch single drum motor centrally placed AC power chassis dynamometer. This project introduces the working principle of the test bench, establishes a three-dimensional model of the test platform, and designs the main components such as the drum, the base and the centering mechanism. The selection of electrical and electronic equipment such as AC motors and inverters was carried out. Finally, through the LabVIEW, the test bench software control system was programmed to achieve the purpose of detecting the power in the vehicle interior.Key words: Dynamometer; LabVIEW; Electric control system; Dynamic; Tracking目录1 绪论11.1 底盘测功机开发背景及目的11.2 国内外研究现状11.3设计开发方法21.3.1设备整体结构设计21.3.2电控设备选型21.3.3控制系统软件开发31.4技术路线及研究内容32底盘测功机试验台架运行原理52.1 测功机工作原理分析52.2 测功机力学分析52.3道路模拟行驶原理分析62.3.1汽车路面工况行驶阻力分析62.3.2汽车在转鼓试验台上的阻力分析72.3.3转鼓和路面阻力等效分析92.4本章小结93交流电力式底盘测功机机械装置设计选型103.1 底盘测功机设计使用要求103.2 底盘测功机结构类型选择103.3底盘测功机重要参数设计123.3.1转鼓最高速度123.3.2转鼓轴向尺寸和转鼓间距123.3.3底盘测功机轮廓尺寸133.4底盘测功机重要部件设计选型133.4.1转鼓部件133.4.2交流异步电机选型143.4.3对中部件设计163.4.4制动装置173.4.5换向机构183.5交流电力式底盘测功机具体结构193.5.1二维CAD图纸193.5.2三维结构模型203.6本章小结214电控系统的选型及设计224.1 电控系统介绍224.2 电气电子设备224.3电控系统职能304.4本章小结305上位机控制系统软件设计315.1 LabVIEW软件介绍315.2 软件控制系统工作原理315.3 软件总体设计325.4 数据采集部分设计355.4.1 模拟量输入355.4.2 速度传感器信号输入355.5 数据处理部分设计365.6 PID控制部分设计375.7 PWM输出模块设计395.8 本章小结396结论及体会416.1 总结416.2 展望41参考文献43致谢44 湖南大学毕业设计(论文) 第 44 页1 绪论1.1 底盘测功机开发背景及目的底盘测功机是用于进行室内台架试验检测汽车动力学性能的实验设备，其基本结构主要包括48或72英寸转鼓、交流异步电机、举升装置、制动装置、散热装置、基座、控制装置等。试验台架的滚筒用于模拟路面，同时通过变频器控制输出转矩来代替汽车路面运行工况中的各种阻力，实现整车室内动力学检测。近年来，为应对环境污染和能源开发利用等严峻课题，各国都在抓紧新能源汽车的研制与开发。面对新能源汽车不断发展的国际形势，与之相对应的研究手段和检测手段也需不断发展，新能源汽车电驱动系统测试平台就是为了应对要求更高、需求更多的检测任务进行研究设计的。底盘测功机可以对整车进行动力系统的相关性能进行直接检测，不需要对整车进行拆分，有效地减小了整车测试的难度和复杂程度。同时，相比于计算机仿真检测手段，底盘测功机检测还具有更直接、更准确的优点。此外，底盘测功机不仅可以应用于车辆的研发检测，还具有检测车辆使用情况的功能，对汽车的定期检测、维修调整及保持良好工况具有非同寻常的意义。1.2 国内外研究现状在国外，汽车检测技术在1980年之前就得到了一定程度的重视，此时的底盘测功机主要是机械式为主，通过增减机械飞轮代替机械惯量的增减，模拟汽车的路面行驶工况，虽然能够得出一些参数数据，但精确性和实用性完全无法满足汽车行业的高速发展需求。1980年之后，机电一体化的兴起成为底盘测功机研发的一大突破口，随着电控系统的不断发展和自动化程度的不断提高，汽车检测试验台架的功能更全面、工作更稳定、精度更高。在传统的机械式底盘测功机的基础上，新式试验台架普遍减少了机械传动环节，采用精度更高，反应速度更快的速度传感器和扭矩传感器，使整车的动力学性能参数测试更加准确、实用性更强。国外的试验台架具有功能齐全、精度高等优点，但是控制系统复杂，成本很高，在国内暂时应用不多。整车检测技术在国内起步较晚，主要是国内各大高校积极进行研发。如西交大、清华大学、武汉理工大学、华南理工大学、天津大学等自主研发的各类型底盘测功机。此外，还有一些国内的科研机构进行了设计开发，我国第一台自主设计制造的转鼓试验台架为DCG-10A型测试平台，它就是由国家公路研究所统成都汽车检修厂合作开发的。经过多年的研究设计，国内已经积累了大量的理论知识和研发成果，虽然目前我国独立开发的底盘测功机尚不能满足企业高精度、高稳定性需求，但相比于研发初期，底盘测功机在我国已经有一些企业生产了一系列的产品，这些产品可以满足国家标准要求，在一些精度要求不高的检测环境中满足检测标准，可以进行试验，具有进入企业推广的资格。汽车检测技术研究现在最大的难题是控制系统的优化设计，相比国外还需不断改进。1.3 设计开发方法1.3.1 设备整体结构设计转鼓试验台架的主体部分包括底座、双轴式交流异步电机、转鼓、对中组件、控制组件、鼓风机、速度和力距传感器、制动系统以及其他辅助装置等。转鼓用于模拟汽车公路行驶工况时的路面，是测试平台的重要组成部分，当前的底盘测功机测试平台一般是单滚筒或双滚筒这两种不同的类型。单滚筒的尺寸也分为很多种，常见的有：48 英寸，72 英寸等。 举升装置的作用是将待测汽车行驶至试验台架上之后，利用汽车车轮的自动摆正，通过小电机带动举升装置进行车辆的对中，为试验提供准确的定位。散热装置一般安装在工作环境仓、测功机主机后部，通过电网供电，为整车检测设备散热，保证底盘测功机工作温度不超过额定要求，使底盘测功机能够正常运行。 制动装置安装在转鼓内边缘，类似于盘式制动器，当制动指令发出后通过气压传动使之与与转鼓摩擦接触，进行制动。能够在出现安全隐患或需要人为停止测试平台运行时让底盘测功机快速停止。控制系统软件开发就是基于以上三个部分的功能要求，设计开发出具有控制底盘测功机在不同工况下正常运行的后台程序和硬件选型。1.3.2 电控设备选型电控设备的选型主要包括交流异步电机选型、电源柜选型、变频器选型、传感器选型编码器和集线器选型等。通过实际工况计算得出各电气设备额定参数，再根据参数要求对电气设备进行选型设计或定制设计。1.3.3 控制系统软件开发本次课题采用LABVIEW进行设计开发，控制系统主要包括数据采集和处理、系统控制和通讯三部分。控制系统软件开发就是基于以上三个部分的功能要求，设计开发出具有控制底盘测功机在不同工况下正常运行的后台程序和硬件选型。1.4 技术路线及研究内容本次课题根据旧式底盘测功机的局限性，结合市场调研和生产实际状况提出交流电力式底盘测功机的设计方案，并讨论方案可行性，最后通过实验平台验证其实际可操作性和真实性能。其技术路线图如下：得到最佳设计方案测试结果是否有效根据国家标准修改参数通讯速率测试惯量加载负反馈模型建立变频器选型及PC机通讯方式确定方案初步确定变频器转矩测试参数确定图1.1 技术路线图 本次课题的研究内容主要包括以下几点：1分析交流电力式底盘测功机基本原理，根据路面行驶实际工况将汽车行驶中的路面载荷与滚筒受力等效，通过计算得出变频器驱动力方程。2设计布置交流电力式底盘测功机整体结构和尺寸，确定底盘测功机各部件尺寸形状，完成部分部件如电机的选型。3对转鼓试验台电控装置进行选型布置，完成速度传感器、扭矩传感器等信号的采集处理。介绍变频器的工作原理和通讯协议。4根据国家标准，完成交流电力式底盘测功机控制系统软件部分设计，对其中各个动力学参数测试模块进行分析介绍。5总结全文。2 底盘测功机试验台架运行原理2.1 测功机工作原理分析本次课题所研发的交流电力式底盘测功机为电机中置式，转鼓选用目前市场应用较普遍的48英寸转鼓，通过焊接成型，采用硬质合金表面热喷涂处理，以满足其模拟路面的表面粗糙度，增强耐磨性、耐腐蚀性。交流电力式底盘测功机的测功装置即功率吸收装置是交流电机，它承担着电动机和发电机的双重职能。试验台架外壳通过一对轴承支撑，之后在外壳上连接一根力臂使其固定，扭矩传感器安装在力臂中间，力臂终端接在底座上进行固定安装。在测功机工作过程中，洛伦兹力会对交流电机转子产生制动力矩M，同时外壳会产生平衡力矩M0, M0会使外壳有旋转运动趋势，就会对力臂产生作用力，力臂对扭矩传感器产生拉（压）力。根据牛顿第三定律可知M=M0，此时即可通过扭矩传感器测出电机输出转矩。图2.1 底盘电力测功机结构示意图本次课题采用的测功机是交流异步电机，当试验台架进行路面模拟试验时，电机对转鼓施加反向转矩模拟路面阻力工况；当试验台架进行滑行试验时，异步电机作为吸收功率装置将能量回馈电网；当试验台架进行自检时，电机带动转鼓至规定速度滑行，可以测出其自身的基本惯量和内部功率损耗。2.2 测功机力学分析转鼓试验台在工作过程中存在机械能和电磁能的损耗，这会导致扭矩传感器与电机输出转矩之间存在差值，这里将差值定义成Floss,将电机输出力定义为Fmotor，传感器显示的力为F，三者之间存在以下关系：图2.2 测功机力学分析模型试验台架工作过程中，转鼓有三种工况：加速、减速、匀速。三种工况下Floss无法确定，故有三种力学分析模型，对应三组不同的动力学方程：1）加速工况：转鼓加速时，转鼓的加速需通过交流异步电机驱动，试验台内部损耗起阻碍作用，此时三者之间关系如下： F= Fmotor-Floss+ma (2.1)2）减速工况：汽车在做滑行试验等减速工况试验时，内部阻力做正功加快减速过程，此时三者关系如下： F= Fmotor+Floss+ma （2.2）3)匀速工况：转鼓匀速转动，加速度为零，在两个边界处电机输出力与机构阻力相等，此时三者关系如下： F= FmotorFloss （2.3）2.3 道路模拟行驶原理分析2.3.1 汽车路面工况行驶阻力分析汽车在路面上的行驶工况分为水平路面和坡道两种，水平路面行驶时，汽车受到空气阻力Fw、加速阻力Fj、滚动阻力Ff；坡道行驶还会受到坡道阻力即重力在坡道方向的分力Fi。Fw和Ff是在任何情况下都存在的，Fj仅在加速工况存在，Fi仅在坡道行驶时存在。汽车水平路面行驶阻力分析图如下：图2.3 车辆路面行驶阻力汽车在坡道行驶时阻力分析图如下：图2.4斜坡道汽车故汽车行驶工况中总阻力Ft可用以上几个阻力表示：Ft=Fw+Fj+Ff+Fi （2.4）其中：Fw=12*CD*A*V2, CD是空气阻力系数，是空气密度，V是车速，A是车辆行驶迎风面积；Ff=G*f, G是车身重量，f是滚动阻力系数； Fi=G*sin, G是车重，是坡度角；Fj=*m*dvdt, 是旋转质量换算系数，m是车身质量，dvdt是车辆行驶加速度；在不考虑坡道阻力的情况下，加速阻力、滚动阻力和空气阻力都和车速有关。因此可以将方程2.4转换成适用于测功机的待定系数方程：Ft=a+b*v+c*v2+*m*a （2.5）a是常数，单位为N；b是与速度相关的系数，单位为N/Km/h;c与速度的平方成正比，单位为N/(km/h)2; 是旋转质量换算系数; m是车身质量; a是车辆行驶加速度。2.3.2 汽车在转鼓试验台上的阻力分析本次课题所采用的转鼓为48英寸转鼓，故以48英寸单转鼓进行受力分析。车辆在转鼓试验测试平台上运行时会受到空气阻力、转鼓表面的滚动阻力、电机对转鼓的加载力、试验台架内部阻力等。其受力分析图如下：图2.5车轮在滚筒上的受力分析在水平方向上分析滚筒受力可以得出下面的动力学方程式： Fd=Fj+Floss+Fr+Ff （2.6） 2.6中：Fd为转鼓对车辆的作用反力，在试验台架中它的作用是模拟路面对车辆的作用力，因此Fd应该等于路面行驶工况中车辆行驶所受到的阻力Ft；Fj代表转鼓和车轮的惯性力；Floss是测功机内部机械损耗、电磁能损耗与转鼓转动空气阻力之和；Fr是电机对转鼓的驱动力，其大小由转鼓试验台控制系统采集车辆速度信息后提供相应加载力；Ff为滚动阻力，由于试验在转鼓表面进行，故与车速、轮胎和转鼓表面粗糙度等参数均有关系。为了更直观的将路面行驶动力学方程与转鼓试验台架检测动力学方程作对比，将2.6式中方程用下面的形式表达：Fd=a0+b0*v+c0*v2+Fr+(m1-m2)*a (2.7)在式2.7中，a0为常数项，单位是N；b0是随速度变化的相关系数，单位N/Km/h; c0是随速度平方变化的相关系数，单位是N/(Km/h)2；m1和m2分别是转鼓和驱动轮转动惯量的等效质量；a是加速度。2.3.3 转鼓和路面阻力等效分析转鼓试验台的运行原理就是通过转鼓模拟路面，使转鼓对车辆的作用力与汽车路面行驶工况所受阻力相等，达到在试验台架上完成整车动力学性能测试的目的。因此，试验台控制系统需要对速度信息进行采集处理，并将Fd与Ft在相同速度下对应相等。对比式2.5和式2.7可知：a+b*v+c*v2+*m*a=a0+b0*v+c0*v2+Fr+(m1-m2)*a （2.8）将上式进行归纳整理后：Fr=a-a0+b-b0*v+c-c0*v2+*m+m1-m2*a (2.9)在式2.9中，a、b和c是检测车辆阻力系数，由车辆出厂时给出。若无此参数，需参考国家标准进行道路试验得到。转鼓试验台的内阻系数a0、b0和c0一般由试验台架自身标定试验得到，本次课题因不涉及实物生产，因此内阻系数靠经验自定。综上，对于转鼓试验台架模拟汽车路面行驶工况，测功机控制系统需通过采集速度传感器和加速度传感器信号进行处理，根据对应的车速输出电机加载力，即可完成整车台架检测。2.4 本章小结本章内容主要是底盘测功机检测车辆动力学性能的原理分析，同时对车辆在路面和转鼓上行驶时的受力进行了分析计算，为下文实现底盘测功机检测功能提供理论基础。3 交流电力式底盘测功机机械装置设计选型3.1 底盘测功机设计使用要求底盘测功机的机械装置设计需要满足其安装在实验舱内的尺寸要求和形状要求，因此机械装置的设计任务主要是底盘测功机试验台架各组成部件的结构和尺寸设计，同时满足装配尺寸要求。在可以实现车辆检测功能的前提下，尽可能使总体设计尺寸更小、空间体积更小，使设计更合理。对于底盘测功机部分设计组件，考虑到其较恶劣的工作环境，应使用较好的材质进行加工制造。测功机设计要求：1) 设计需满足系列化、通用化、标准化；2) 机械装置设计过程中遵照国家标准进行；3) 设备选型应符合国家要求；4) 设备运行中不存在机械干涉；5) 尽可能降低成本，增强商业竞争力；6) 拆装、运输及维修需快捷简便。测功机使用要求：1) 检测车辆时的参数精度满足国家标准要求；2) 操作简便，具有足够的刚度、强度，耐磨性和耐腐蚀性；3) 具有较高的经济效益；4) 具有安全防护措施、确保设备安全可靠。3.2 底盘测功机结构类型选择从转鼓数量分析，转鼓试验台分为单转鼓和双转鼓两种。双转鼓测功机每个车轮由两个转鼓支撑，优点是转鼓尺寸小，对中简便；缺点是电机轴和转鼓轴动力传递结构复杂，稳定性也更差。单转鼓测功机每个车轮只有一个转鼓支撑，为了更好地模拟路面，故转鼓尺寸一般较大，但性能稳定，力传递结构简单，损耗小。从电机布置形式分析，转鼓试验台架一般有电机恻置式和电机中置式两种。恻置式电机一般布置在台架一侧，输出轴连接在一个转鼓上，另一个转鼓通过联轴器进行过动力传递。中置式电机采用双轴交流异步电机，中置电机轴需额外设计尺寸参数，即电机选型时要与生产厂家定制电机轴，双轴电机的两个轴端分别连接到一个转鼓上，构成试验台架。1) 电机恻置式底盘测功机：恻置式底盘测功机在当前市场中比较常见，其安装和制造成本较低，方便拆卸，但缺点也很明显，占地面积大，结构冗杂。图3.1恻置式底盘测功机2) 电机中置式底盘测功机：中置式底盘测功机将电机两轴端接在转鼓上，有效减小了测功机轴向尺寸，也简化了机械装置的结构设计，降低制造成本。图3.2中置式底盘测功机本次课题采用的是单转鼓电机中置式试验台架方案，转鼓尺寸为48英寸。实际生产中应制造四个转鼓，与车轮布置方式相同。前后转鼓之间通过轨道相连，可以调整轴间距以适应不同类型的新能源汽车。试验台架整体需安装在环境舱内，保证通风和除湿。图3.3中置式底盘测功机现场图3.3 底盘测功机重要参数设计底盘测功机设计过程中应遵循先整体后部分的设计准则，确定了整体工作尺寸之后再对各组成部件进行尺寸和结构设计。总体设计中有三个主要参数需要优先确定：3.3.1 转鼓最高速度转鼓的最高速度在一定程度上等同于底盘测工机所能检测车辆的最高速度即检测范围，国内相关法规检测要求一般不大于120Km/h,因此，这里将转鼓最高速度预设为200Km/h，这样底盘测功机将能够进行基本全部的车辆检测试验。3.3.2 转鼓轴向尺寸和转鼓间距底盘测功机的检测范围包括所有车辆，又由于不同型号汽车轮距不同，因此想开发出符合所有车辆检测条件的转鼓需要满足一定的轴向尺寸和转鼓间距。转鼓轴向尺寸和转鼓外间距也基本确定了底盘测功机的宽度轮廓尺寸。根据市场调查统计，绝大部分检测车辆轮距在1200mm至1800mm。故为了满足市场检测需要，本次课题将转鼓轴向尺寸设定为900mm,转鼓内边距设定为900 mm,此时转鼓外边距为2700mm，故能满足绝大部分市场需求。3.3.3 底盘测功机轮廓尺寸底盘测功机需安置在挖好的基坑内，参照现有的环境仓基坑大小，我们预定底盘测功机长为3.5m，宽为2m,高为1.6m。3.4 底盘测功机重要部件设计选型3.4.1 转鼓部件转鼓是底盘测功机检测车辆时模拟路面的关键部件，转鼓的直径尺寸、转鼓的数量和表面处理工艺是转鼓的三大影响性能的主要因素。按照转鼓直径尺寸和数量分类：1）单轴48英寸转鼓。转鼓的尺寸主要与路面模拟程度相关，当转鼓直径尺寸越大时，模拟路面程度越高，测试越精确。同时随着转鼓直径尺寸变大，转鼓稳定性和制造成本、制造难度也会大幅提高，故一般采用48英寸单轴转鼓进行设计。48英寸转鼓主要来源于欧美的制造标准，经长期试验验证其检测效果精度很高，故在国际上得到了较为广泛的采用。2）单轴72英寸转鼓。72英寸转鼓适用范围较小，一般在特殊检测情况下适用，如大型卡车检测，由于过大轮胎直径会要求转鼓直径尺寸更大，转鼓尺寸过大对制造精度和制造工艺都有较苛刻的要求，制造成本很高，故一般只用来检测特定大车轮车辆。3）双轴小尺寸转鼓。双轴转鼓同单轴转鼓的区别在于它用两个转鼓支撑一个车轮，直径尺寸要小得多，制造成本低，因此应用非常广泛。但是由于其模拟路面程度较低，故精度不高。上述三种转鼓示意图如下。图3.4三种不同滚筒示意图考虑经济和精度的双重因素，本次课题采用的是48英寸钢制空心滚筒，轴向尺寸为900mm，表面采用热喷涂处理，附着系数一般能达到0.9，防滑性能好，耐腐蚀性高。下图是转鼓实物图：图3.5 48英寸转鼓示意图3.4.2 交流异步电机选型根据车辆检测要求，最高时速为200Km/h,由转鼓直径可知，Dnmax=200Km/h,故转鼓最高转速应为870.2r/min，本次课题选用最高转速nmax=1000 r/min，额定转速n=400 r/min的西门子交流异步电机。根据T=9549*P/n,一般选取功率为160Kw的交流异步电机，所以额定扭矩为3820Nm。由以上条件，所选电机主要参数为以下六点：额定功率：P=160Kw 额定转速：n=400 r/min额定扭矩：T=3820Nm 最高转速：nmax=1000 r/min轴的材料：45#钢 最小扭矩：Tmin=1527.5Nm 由于电机轴承受弯矩和扭矩，所以需要对电机轴进行弯扭合成强度校核。由于48英寸转鼓测功机检测车辆为普通轿车，一般车身重量不超过4吨。下面对其中独立的一个转鼓进行力学分析：图3.6轴的力矩图单个转鼓的轴的力距图如图所示，根据弯扭合成强度理论进行校核：首先计算轴端对中心O点的最大弯矩M：Mmax=（1000+750）g*l (3.1)1000是检测车辆一个车轮所承受质量，750是单个转鼓的大概质量，g取9.8，l长为0.9m。弯扭合成强度理论公式为：d21.6832T2+Mmax2-1p （3.2）d是交流异步电机轴的直径，单位mm; T是电机额定扭矩，单位Nm；-1p=60MPa;是相关系数，弯扭校核时取0.3。进行计算后可得出d116.43mm,考虑到安全因素和使用寿命，本次课题选用150mm直径尺寸的电机轴。下面是电机轴和电机的实物结构图：图3.7电机轴和电机的实物结构图3.4.3 对中部件设计汽车行驶到试验台上之后，车轮轴线与转鼓轴线不能保证平行，因此需要试验台架上具有对中机构进行车轮的对中，以保证模拟效果。本课题的对中组件是丝杆和曲柄滑块机构组成的，其动力由位于机架一侧的功率为1.5Kw的小电机带动。小电机轴通过联轴器与一根传动轴相连，传动轴通过换向机构将动力传递给丝杆，由丝杆带动曲柄滑块机构中的曲柄转动，最后由滑块实现对中功能。对中部件结构如下图：图3.8对中机构装配示意图机架由于图形显示会发生干涉未给出，实际结构多出一个执行件限位机构。下面进行自由度检验：自由构件个数n=4,Pl=5,Ph=1;自由度F=34-25-1=1;符合功能设计要求。图3.9对中机构实物图3.4.4 制动装置为保证车辆检测试验操作安全性，底盘测功机试验台架需要制动功能。本次课题采用的制动器形式为摩擦制动，类似于盘式制动器，其结构如下图。制动装置采用气压制动形式，通过传感器将试验台架工作状态传递至PC机进行信息处理，当需要制动时有PC机向气泵发出指令进行气压制动。图3.10气压盘式制动装置3.4.5 换向机构换向机构的功能是将辅助小电机的转速进行空间换向，本质是一组蜗轮蜗杆。辅助小电机在对中过程中负责提供能量，但是由于只有一个辅助电机，故需要一根蜗杆传动轴和两个换向机构进行转速方向的改变和能量的平均分配。换向机构的小电机与蜗杆传动轴示意图如下：图3.11小电机与蜗杆传动轴示意图3.5 交流电力式底盘测功机具体结构3.5.1 二维CAD图纸底盘测功机的具体结构在上文已经有过简单介绍，其主体是基座、机架、双轴异步大电机、和转鼓组件；辅助机构包括制动系统、对中组件、散热系统（大风扇）；电气电子设备主要是电源柜、速度传感器、扭矩传感器、变频器、PC机等。下图为设备图纸：图3.12底盘测功机主视图图3.13底盘测功机侧视图按照数字顺序分别为 1-基座、 2-换向机构、 3-传动轴、 4-对中部件、 5-小电机、 6-交流异步电机、 7-电源柜、 8-传动组件、 9-对中电机、 10-制动器、11-转鼓、 12-丝杆、 13-对中转轴、 14-丝杆工作部分、 15-曲柄、 16-机架侧板。3.5.2 三维结构模型三维模型采用UG10.0绘制，是西门子公司开发的一款三维设计软件，整个测功机系统三维图纸为含参绘制，所有部件尺寸结构均有具体数据参考。下面是三维模型示意图：图3.14底盘测功机三维主视图图3.15底盘测功机三维侧视图整体设计造型考虑了安装和拆卸的全过程，结构紧凑，占地面积较小，由于暂时不需要实际生产加工，所以部分结构可能不够合理，还需后续进行优化设计。3.6 本章小结本章介绍了底盘测功机试验台的整体结构和尺寸设计以及部分电气电子设备的选型，并给出了试验台架的二维和三维图纸以供参考，基本给出了测功机的整体框架。4 电控系统的选型及设计4.1 电控系统介绍电控系统主要是底盘测功机电气电子设备部分的总称，一般由电源柜、速度传感器、扭矩传感器、变频器、编码器、采集卡、PC机等组成。电控系统需要将软件控制系统发出的通讯信号转化成控制底盘测功机转矩转速变化的命令，实现调整底盘测功机道路模拟试验工况所需转矩转速的大小的功能，使试验台架能够在恒转速、恒转矩和自动道路负荷三种工况下平顺切换。恒转速与恒转矩都是由工人手动输入转矩转速大小，然后底盘测功机在要求的转矩转速下对被测车辆进行检测。而自动道路负荷工况下输出的转矩转速是由软件控制系统计算后给出的。这三种测试形式也是汽车检测需要用到的最主要的三种试验工况的控制形式。4.2 电气电子设备在这次研发中，采用的是西门子的电源柜；上位机和变频器采用CAN总线通讯。下图为电源柜实物图：图4.1电源柜实物图电气设备中最重要的控制测功机输出转速的变频器实物图如下：图4.2变频柜馈电单元图4.3变频柜驱动单元变频器与电源柜等电气设备工作的电气原理图如下：图4.4电源及缓冲1图4.5电源及缓冲2图4.6整流和逆变图4.7 RST信号板 图4.8 编码器和PG卡图4.9 变频控制单元图4.10 整流控制单元图4.11 变频器远程上电扭矩传感器主要是通过测功机外壳所受扭矩变化来进行信号的传递，外壳的扭矩变化导致传感器受力产生输出电压，对电信号进行采集处理就能得出扭矩信号的数值变化；由于额定扭矩接近4000Nm,所以选用量程为1吨的STC系列传感器。下图为扭矩传感器实物图：图4.12 转矩转速传感器电磁式速度传感器和光电式速度传感器是最常见的两种速度传感器。电磁式工作原理主要是将输入位移的变化量转化为电磁线圈的输出量，是位移信号到电信号的转变。光电式工作原理是收集单位时间内轴的角位移转换成脉冲信号；这种传感器最为常见，工作也比较可靠。课题选用的是光电式速度传感器。采集卡是将各种传感器信号采集传输给上位机的电子设备，然后由上位机对通讯信号进行分析处理。变频器是与电源柜相连，能对对电源柜输出电流进行整流逆变，改变电流频率的设备；变频器实现变频主要通过整流、滤波、逆变来实现电流频率的改变。其主要原理图如下。课题采用的是英威腾Goodrive系列闭环矢量控制变频器。图4.13变频器原理图4.3 电控系统职能电控系统主要由数据采集处理、系统控制、通讯三大职能组成。数据采集和处理模块的主要任务是采集转鼓的速度信号和扭矩传感器的力学信号等，同时传输给上位机；系统控制模块的主要任务是按照试验台架软件控制系统要求分析处理采集到的信息，并向试验台架发出控制信号；通讯模块的作用是实现上位机和下位机的数据通讯。4.4 本章小结第4章主要介绍了电控系统的设备组成和部分设备工作原理，同时进行了部分设备的选型和分析，并简要阐述了电控系统的职能。是下文上位机软件控制系统设计必要的背景铺垫。5 上位机控制系统软件设计5.1 LabVIEW软件介绍LabVlEW是一款图形编程软件，将繁复的代码内嵌在图形模块中，通过简便的图形模块实现代码变成的功能。相对而言学习难度较低，程序框图也更浅显易懂。5.2 软件控制系统工作原理在新能源汽车进行动力性能检测之前，首先应向软件控制系统录入车辆参数，由软件控制系统的数学模型计算得出测功机施加在转鼓上的加载力。在检测试验过程中，各种传感器负责实时监测试验台工作状态并及时将信号发送给上位机，上位机再通过与预设值得对比通过PID控制及时调节测功机输出的加载力。当试验台架发生故障时，如转鼓剧烈振动、超速、飞车等情形发生时，控制系统能及时检测到异常状况并紧急制动。下面从测功机工作流程和控制系统控制流程两方面讲解试验台架的运行情况：开始测功机启动车辆参数录入选择测试项目 对中机构上升车辆驶入对中机构下降起动测试加速/滑行/功率/油耗等测试存储数据打印对中装置升起车辆驶出对中装置降下图5.1 试验台架工作流程图转矩、转速等各种传感器底盘测功机试验台架上位机控制系统采集卡变频器等控制器控制模块 正常工况制动系统 飞车、过热等危险工况图5.2 控制系统工作流程图5.3 软件总体设计上位机软件控制系统的主要由四部分组成：采集速度和力矩传感器信号的数据采集部分、根据数学模型处理分析采集数据的数据处理部分、根据系统设定通过变差控制测功机动力输出的常规PID控制部分、将数字输出信号实现转换后输出的PWM输出部分构成。图5.3 软件主界面图5.4 软件主程序源程序5.4 数据采集部分设计5.4.1 模拟量输入本次课题使用的多通道数据采集卡，但是由于采样数据不是数字信号，需进行模数转换，但模数转换器是所有通道共用的，故采用间隔采样方式，采样频率远远小于通道切换频率，这样就完成了数据采集的同步性和准确性。拉压传感器信号采集程序如图5.5所示。图5.5 拉压传感器信号部分程序图5.4.2 速度传感器信号输入速度传感器输出的信号为数字量，上位机控制系统是通过数字量进行运算分析并控制测功机运行的，因此不需要模数转换器对采集到的信号进行处理。速度信号采集程序如图5.6所示 图5.6 速度信号部分程序图5.5 数据处理部分设计数据采集部分得到传感器信号后传输给数据处理部分，数据处理部分根据数学模型进行分析计算后给出转鼓应该施加的加载力，实现上位机系统控制转鼓试验台模拟路面施加适当阻力的功能。其源程序图如图5.7所示。图5.7 数据处理部分程序图5.6 PID控制部分设计PID控制基本的原理图如图下所示。图5.8 PID控制基本原理图PID控制器的工作是根据上位机系统设定值r(t)和测功机实际输出值y(t)之差构成控制偏差：e(t) = r(t)- y(t) (5.1) 偏差经PID作用后形成控制量，对转鼓试验台测功机输出转速转矩进行控制。控制模型为： (5.2)其中：Kp被称为比例系数;Ti被称为积分时间常数；Td被称为微分时间常数；根据控制系统执行件的选型要求，本课题采用采用增量型PID控制算法。公式5.3是控制算法的数学递推形式其控制算法的递推形式为：U(k)= U(k-1)+ U(k) （5.3）图5.9所示是增量型PID控制的工作流程原理图：图5.9增量型PID控制工作流程原理图PID控制程序图如图5.10所示。图5.10 PID控制模块程序图5.7 PWM输出模块设计上位机软件控制系统的控制信号由上位机输出数字量，通过数据采集卡转换成模拟量。源程序如图5.11所示。图5.11 PWM输出模块程序图5.8 本章小结本章对上位机控制系统主要组成进行了分析解读，并给出了各组成部分的程序图，基本完成了底盘测功机软件控制系统的整体设计。6 结论及体会6.1 总结转鼓试验测试平台的开发研究涉及到自然科学的多个领域，如机械设计、汽车空气动力学分析、电气电子、计算机控制系统等。本次课题属于本科生毕业设计，时间和能力有限，在试验台架的控制系统上还有很大不足，对机械结构的设计还有很大优化空间。本课题详细介绍了整车检测试验台架的工作原理，测试平台的整体结构，重要电气电子设备的工作原理、工作要求以及选型设计，课题还对测试平台软
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