机械毕业设计67交流底盘测功机下位机硬件和软件

交流底盘测功机下位机硬件和软件的实现 摘 要 本论文主要介绍了摩托车交流底盘测功机系统下位机的研究开发过程，以及研究过程中遇到的一些问题和成果。本文首先介绍摩托车交流底盘测功机的基本概念和测试原理，根据理论分析结合国内外一些成熟产品的设计经验，我们提出了新颖的设计方案。本系统的一个特点就是利用了Rockwell公司的变频器控制测功机和风机，用一个 REGEN 单元控制电能的流动，大大提高的能量效率。具体的测试工作主要集中在下位计算机中，它负责整个系统的数据采集、数据分析和 PLC控制等。本文详细的介绍了下 位机的搭建，各个计算机板卡的选择和使用，信号调理等硬件电路。在最后一章，给出了下位机主程序的设计思路，并且进行了初步的调试，测得了部分数据。 【关键词】 交流底盘测功机，变频器，计算机测量 2 ABSTRACT This paper give a introduce to the chassis dynamometer of motorcycle and its research and development. At first we will give you the basic idea about the chassis dynamometer and mechanics analysis .As well we design a new construction of chassis dynamometer by using transducer of Rockwell Automation . The alternators efficiency is higher than that of direct current dynamo. Bottom computer take charge of data sampling, analysis of data and controlling PLC. In this paper we present you how to construct computer measurement system in the chassis dynamometer. By using advanced computer technology , the system have a high precision. At last, we write down main program in the bottom computer and some conclusion of preliminary debugging. 【 Key Words】 chassis dynamometer， transducer， computer measurement 3 目 录 第 1 章 前言 1 第 2 章 摩托车交流底盘测功机的基本原理 3 2.1 摩托车底盘测功机简介 3 2.1.1 摩托车底盘测功机的基本概念 3 2.1.2 摩托车底盘测功机的结构 4 2.1.3 摩托车底盘测功机的分类 5 2.2 摩托车底盘测功机的力学分析 6 2.2.1 摩托车在道路上的行驶 7 2.2.2 摩托车在底盘测功机上行驶 12 2.2.3 底盘测功机模拟摩托车道路行驶方程 13 2.2.4 底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的能量守恒 15 2.3 道路阻力设定器 17 第 3 章 交流底盘测功机系统的总体设计 20 2.1 系统结构的设计 20 2.2 测功机的控制和能量交换 21 第 4 章 下位机硬件的介绍 25 4.1下位机硬件的选择 25 4.2下位机板卡的安装、设置和 编程 26 4.2.1三轴转角编码计数卡 PCL 833 26 4.2.2多功能计数器和数字量 I/O卡 PCL-836 33 4 4.2.3四通道 D/A输出卡 PCL 1720 39 第 5 章 下位机测量信号的调理 43 5.1速度信号的处理 43 5.2信号的滤波 45 第 6 章 下位机主程序的设计 48 6.1编程要求 48 6.1.1测试项目说明 48 6.1.2测量数据要求 53 6.2主程序的设计 54 6.3程序的初步调试 57 第 7 章 总结 59 致谢 60 参考文献 61 5 第 1 章 前言 随着现代社会的不断进步，车辆愈来愈成为人类重要的交通工具。然而随着车辆的急剧增加，道路安全以及车辆排放与噪声带来的环境问题引起了人们的广泛关注。车辆的优良性能一直是国家和有关企业共同追求的目标，这也是促进车辆检测技术不断进步的动力。另外，随着各种技术日新月异的变化，车辆的检测技术也随之不断改进。由传统的道路测试到目前的台架测试，测试手段越来越先进，测试的精度也越来越高。可是在国内研究摩托车测试的人较少，摩托车检测技 术和设备都远远落后于国外。本论文结合了我们课题组承担的摩托车交流底盘测功机的研究，主要介绍了该系统下位机的硬件和软件的实现。首先，它简单介绍了摩托车底盘测功机的基本概念，了解清楚摩托车台架测试基本过程；接着主要论述了下位机的研制、开发、数据采集卡的使用、信号的调理，以及下位机程序的开发等。 目前国内的摩托车底盘测功机只有直流系统，随着变频调速技术的发展进步，交流调速系统的性能越来越好，与直流调速性能不相上下，而且交流电机价格便宜，结实耐用。当然，这样付出的代价是交流系统的调速和控制难度增大。目前国外已经逐渐 淘汰直流底盘测功机，新开发的摩托车底盘测功机产品基本全是交流系统，这是目前发展的方向。据调查，目前国内尚无摩托车交流底盘测功机产品问世。我们打算越过直流底盘测功机的研制，直接研究交流底盘测功机。 我们罗克韦尔实验室有许多罗克韦尔公司提供的最先进的电机、变频 6 器、 PLC 以及相应的软件，将这些产品应用于该产品的开发，大大减少了开发的难度，使得交流电机的控制变得十分简单。剩下难点主要集中在数据采集、信号调理、数据传输和计算机控制方面等。在实验室，为了研究的方便，我们用罗克韦尔公司的产品搭建了一套模拟运行装置，进行各 种实验和编程，然后再到工业现场调试，反复修改程序。 经过四个月努力，我们的整体工作已经基本完成，这个系统初具规模，下位机搭建起来，程序设计基本完成。在实验室也能够模拟出一部分功能，也进行了许多测试实验，取得了一定的成功。这个结果是令人欢欣鼓舞的，为我们后续工作提供了动力。可是在现场调试的过程中，还出现了一些问题，有待于我们去解决，相信还会有更多的问题等待着我们。 7 第 2 章 摩托车底盘测功机的基本原理 在本章我们简要的介绍了摩托车底盘测功机的基本工作原理，分析了摩托车测功机的力学 理论基础，为以后系统设计打下基础。很好的了解本章内容，对于后面的道路阻力设定器和电惯量模拟这些难点才会有透彻的认识。 2.1 摩托车底盘测功机简介 摩托车底盘测功机是一个十分专业的名词，对于不是该专业领域的我们，首先要了解什么是摩托车测试，什么是摩托车底盘测功机，它的工作原理、结构和目前的状况。 2.1.1 摩托车底盘测功机的基本概念 摩托车检测包括道路试验（以下简称路试）检测和台架试验（以下简称台试）检测两种方式。路试是指摩托车在良好路面上直线行驶测试人员利用标杆，米尺，秒表等工具测量车辆的各种数据，利用 公式计算出摩托车的各种动力性能。台试是指将摩托车固定在检测台上，把驱动轮放在转鼓上，由交流底盘测功机模拟路试情况进行测量。台试与路试相比，有以下优点： 不受外界试验条件与环境的影响； 试验周期断； 节省人力，物力，不需建造昂贵的专用试车场； 精度高，数据可靠； 测试安全可靠。因此，台试越来越引起研究人员的注意，各个公司也推出了不少的产品。 8 2.1.2 摩托车底盘 测功机的结构 在道路上行驶时是摩托车相对于静止的路面运动，在转鼓试验台上是以转鼓的表面相对于静止的汽车旋转运动。图 2.1所示为底盘测功机的结构图。 图 2.1底盘测功机结构图 测力装置： 测试摩托车驱动轮放在转鼓上，转鼓轴端联接有测功机。测功机能产生一定的阻力矩并调节试验中转鼓的转速（即摩托车的车速）。由力传感器可以测出施加在转鼓上的转矩 T 的值，显然 T=FL （ 2.1） 式中： F由拉力传感器测出的力 ，作用于测功机外壳长臂上的拉力； L测功机外壳长臂的长度。 根据摩托车驱动轮和转鼓的力矩平衡，可得出驱动轮上的驱动力矩。 测速装置 :摩托车的速度是根据测量转鼓的转速进行换算。一般在测功机的轴端装上转角编码器，转鼓转动时转交编码器输出电脉冲信号，用计数器计量脉冲信号就可以算出摩托车的车速。这样测量的速度精确度很高。 还可以带有许多其他测量装置，比如发动机温度测量，发动机转速测 9 量，燃油消耗等。在本系统中，速度和力矩的测量是最关键的一步，它决定了整个测功机性能的好坏。 2.1.3 摩托车底盘测功机的分类 根据 测功机的功率吸收装置的类型可以把测功机分为一下几类： 水力测功机 它是用水作为制动介质，水在测功机的转子和定子之间起联接作用，利用转子对水地冲击、切割和摩擦产生地阻力来消耗功率，通过调节进出水量，可以得到不同的制动功率。在水流量一定时，测功机的制动扭矩随转子的增加而提高， 这种测功机在大功率测量时性能稳定，造价较低但精度不高。但它的控制响应速度慢，不适合摩托车发动机的动态变化。 电涡流测功机 电涡流测功机是将吸收车辆驱动轮输出功率而产生的涡电流 变成热能，经空气或 水散失掉。它可以分为水冷式和风冷式。一般电涡流测功机主要由定子和转子两部分组成，转子用高导磁钢 制 成，电磁盘与试验台主动轮 转鼓相连，并在磁场线圈之间转动。当励磁线圈通过直流电时，两级间产生磁场，转子通过励磁线圈磁场转动，转子盘上变产生涡电流。由于涡电流和外磁场的相互作用，对转子 盘产生一个制动阻力矩。调节通过励磁线圈电流的大小，即可改变制动阻力矩（即吸收功率）的范围。 电涡流测功机测试范围广、结构紧凑、造价适中，故目前大多数转鼓试 验台的功率吸收装置均采用电涡流测功机。电涡流测功机具有动态相 应速度快的优点，但是电涡流测功机需要水冷却 ， 需有冷却水循环系统 ， 如管路敷设、冷却水软化和除垢等 ， 而电力测功机从控制特性、使用、安装和维护等方面均有突出的优点 ， 因此本项目选择电力测功机 吸收功率的方 10 案。 电力测功机 电力测功机又称平衡电机，作为负载用时，它通过发电来吸收功率，其功率相当于发电机。但平衡电机还可以作为驱动机械之用，这时它输出功率，其功率相当于电动机，利用电力电子控制的电力测功机能很好的模拟摩托车的行驶阻力和惯性力。因此，它大大的扩大了转鼓试验台的用途，并在较广的转速 范围内具有稳定的制动扭矩特性，工作平稳，使用方便，可集中远距离控制，测试精度高。 电力测功机中的电机最早采用直流电机，因为直流电机具有良好的启动、制动性能，宜于在广范围内调速，而且它的控制系统在理论上和实践上都比较成熟，但在摩托车测功机中也存在一些问题：直流电机价格昂贵，最高转速低（摩托车最高车速是很高的），在高速时换向困难，直流电机在这里使用效率较低。现在因为交流电机调速的理论和手段越来越多，技术上越来越成熟，采用交流电机，使用变频调速，价 格便宜，使用方便可靠，高速旋转时不存在换向问题，而且它发出的电可以 容易的回馈到电网，从而提高 了整个系统的效率。 本项目开发的就是交流测功机，目前国内只有直流测功机，尚无公司能够生产交流测功机。国外早先生产直流测功机，现在已经推出交流测功机了，从现在的发展趋势来看，交流测功机是以后的发展方向。所以我们跳过直流测功机的研制，直接研究交流测功机。而且，我们可以很好的利用罗克韦尔公司向我们实验室提供的变频器、 PLC等先进设备开展研究。 2.2 摩托车底盘测功机的力学分析 11 首先，让我们从工程力学角度，应用运动学、动力学原理和相对运动关系，研究分析摩托车道 路行驶中和在底盘测功机上进行道路模拟试验中的受力状况，并建立了行驶方程；为将摩托车道路行驶工况有效、等量地转移到底盘测功机上，模拟各项行驶阻力提供了底盘测功机设计和研制的理论依据和方法。 摩托车底盘测功机是应用现代电测和计算机技术，利用摩托车在路上行驶中与道路的相对运动关系，将摩托车道路行驶工况 (如：道路阻力状况、行驶惯性等 )有效、等量地转移到摩托车底盘测功机上，即摩托车底盘测功机仿真模拟各项行驶阻力，使摩托车整车的道路试验项目以及应用工况法测量摩托车排气污染物排放量等试验移至室内进行的专用测试设备 。 摩托车在道路上行驶是摩托车相对静止的路面运动，而摩托车在底盘测功机上进行台架动力性试验是用滚轮 (亦称转鼓 )表面取代路面，并且相对于静止的摩托车做旋转运动。摩托车底盘测功机行驶阻力的模拟如何实现、精确度如何保证则是其技术关键。这必须从其运动学、动力学入手加以分析。 2.2.1 摩托车在道路上行驶 摩托车行驶在路面上，其发动机曲轴输出扭矩，经变速传动系统传递给驱动轮，通过轮胎与地面的接触 (摩擦力足够大时，视为无滑动的纯滚动运动 )产生驱动力，同时，还受到各种行驶阻力。受力分析如图 2.2： 当驱动力等于行驶阻 力时，摩托车做匀速运动；当驱动力不等于 (大于或小于 )行驶阻力时，摩托车做变速 (加速或减速 )运动。 12 图 2.2摩托车道路行驶受力分析 摩托车的驱动力 摩托车的驱动力是由发动机曲轴输出扭矩，经离合器、变速传动系统(降速增扭作用 )传递给驱动轮足够大的驱动扭矩，其对地面产生一圆周力(切向力 )，地面由于附着作用给驱动轮一反作用力 (当附着条件即路面接触强度足够大时，其与圆周力可视为大小相等、方向相反 )即为推动摩托车前进的驱动力。 （ 2.2） 式中：tF 摩托车的驱动力， (N)； 0F 驱动轮对地面产生的圆周力 (图 2.1 用虚线、箭头表示 )(N)； tM 驱动轮上的驱动扭矩， (N m)； R 驱动轮工作半径， (m)； eM 摩托车 发动机曲轴输出扭矩， (N m)； 0 * 1 * 2 * * ()t e Tt M M i i i gF F Nrr 13 i1 一次传动比； i2 二次传动比； ig 变速器传动比； T 传动变速系统总传动效率。 摩托车的行驶阻力 摩托车行驶时受到的各种阻力，统称为行驶阻力，主要包括滚动阻力，空气阻力，坡度阻力和惯性阻力。 滚动阻力：摩托车车轮弹性轮胎在路面上滚动时，来自路面与轮胎接触面之间的各种阻力，统称为滚动阻力。由于前、后轮的受力情况不同，故其滚动阻力则不同。在计算滚动阻力时，按整车的滚动阻力考虑。 fF f m g (N) （ 2.3） 式中：fF 整车的滚动阻力， (N)； m 摩托车整车基准质量 (含驾驶员质量 75kg)， (kg)； g 重力加速度， (m/ 2s )； f 整车滚动阻力系数，其是路面状况、轮胎结构、充气压力、车速、载荷等的函数， f1 从动轮的滚动阻力系数； G 摩托车整车法向载荷， (N)； G1 从动轮的法 向载荷， (N)； f2 驱动轮的滚动阻力系数； G2 驱动轮的法向载荷， (N)。 空气阻力：摩托车行驶时，在空气中运动受到空气的作用力，称为空1212GGf f f 14 气阻力。其主要由压力阻力 (即形状阻力，迎面压力大于后部压力 )和摩擦阻力 (即表面阻力，在摩托车与切向气流摩擦表面上产生 )构成。据实验测定，空气阻力主要是压力阻力，即： WF=12DC 2rv(N) （ 2.4） 式中：WF 空气阻力， (N)； DC 空气阻力系数； 迎风面积，即摩托车 (含驾驶员 )行驶方向的正投影面积，( 2m )； 空气密度， (kg/ 3m )； rv 相对速度， (m/ )，无风时为摩托车行驶速度。 坡度阻力：摩托车沿纵向坡路上行驶时，受重力沿坡道分力的作用，称为坡度阻力。上坡时，坡度阻力与驱动力方向相反；下坡时，两者方向一致。 iF=mg sin (N) （ 2.5） 式中：iF 坡度阻力， (N) 纵向坡度角， ( )。 若按照公路工程技术标准，公路以坡度值即 =tan表示，并取代 sin： sin tan （ 2.6） 则： iF=mgsin mg tan =mg (N) （ 2.7） 可见，用道路的坡度值 (以百分数表示 )取代 sin时，是在值较小 (在小于 17时，所带来的误差将不超过 5%)时；若值较大，则不可如此计算。 15 惯性阻力：摩托车变速行驶时，除克服上述阻力外，还需克服其本身质量变速运动的惯性力。其由两 部分组成：平移质量惯性力和旋转质量惯性力。将其换算到车轮上的等效惯性阻力为： （ 2.8） 式中：jF 变速行驶，换算到车轮上的总惯性阻力， (N)； dv/dt 摩托车加速度， (m/ 2s ) 质量换算系数； 质量换算系数有以下定义： 式中12W W WI I I ； 1WI 从动轮转动惯量， (kg 2m )； 2WI 驱动轮转动惯量， (kg 2m )； 1fI 发动机曲轴部件的转动惯量， (kg 2m )； 2fI 离合器、变速器、二次传动装置等旋转部件的转动惯量，(kg 2m )； 1T,1T 除一次传动外的传动效率。 图 2.2 中， 1jwT、2jwT分别为从动、驱动轮产生的惯性转矩。 摩托车道路行驶 方程 据上述各力在 X 轴上的投影，可得到摩托车的道路变速行驶方程： t f w i jF F F F F * ( )dvF j Ndt2 2 2 21 1 2 2 2 122* * * * * *1 * * f g T f TW I i i i I iIggG r G r 2 2 2 2 21 1 2 2 2 1211 ( * * * * * * * )W f g T f g TI I i i i I i i mr 16 (2.9) 该式表明了摩托车在坡道上变速行驶时的驱动力与行驶阻力的平衡关系，亦表明了摩托车的动力性能。另外，由于滚动阻力系数与行驶速度有关，所以滚动阻力、空气阻力均为车速的函数，在任何条件下均存在，且为正值；而坡度阻力、惯性阻力与车速无关 (惯性阻力为加速度的函数 )，且在一定条件 下 (即上坡或下坡、加速或减速 )存在，且有正负值。 2.2.2 摩托车 在底盘测功机上行驶 摩托车在底盘测功机滚轮上行驶，前轮被夹紧固定，仅驱动轮和滚轮做相对旋转运动，此时车辆相对滚轮是静止的，车速为零，而滚轮表面则取代了路面。受力分析如图 2.3。 图 2.3摩托车在底盘测功机上行驶受力分析 21 * * * s i n2 Dr dvf m g C A v m g m dt 2 2 2 2 21 2 1 1 2 2 22* * * * * * * * ( )W W f g T f g TI I I i i i I i i dv Nr d t 17 2 2 2 2 22 1 1 2 2 2 122* * * * * * * ()W f g T f g T RJI I i i i I i i I dvFNr R d t通过对驱动轮在滚轮上变速行驶时的受力分析，可得到摩托车在底盘测功机上的变速行驶方程： t R m e J jF F F F F F (2.10) 式中：tF 摩托车的驱动力， (N)； RF 底盘测功机制动力， (N)； mF 底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系总摩擦阻力， (N)； eF 驱动轮与滚轮间的滚动阻力，eF=(1+r/R)2fF(N)； 2fF 驱动轮道路行驶的滚动阻力， (N)； JF 驱动轮和发动机曲轴部件、离合器、变速器、二次传动装置等旋转部件的惯性力换算到车轮上的惯性阻力； jF 滚轮、惯性轮及轴系产生的惯性阻力，（ N） RI 滚轮、惯性轮及轴系的转动惯量， (kg 2m )； r/R 摩托车驱动轮工作半径与滚轮半径之比。 2.2.3 底盘测功机模拟摩托车道路行驶方程 在底盘测功机上模拟摩托车道路行驶状况，底盘测功机必须产生相当某车型在道路上行驶时所呈现的、与车速成函数关系的行驶阻力，即底盘2(1 )R m frF F FR 2 2 2 2 22 1 1 2 2 2 122* * * * * * * ()W f g T f g T RI I i i i I i i I dv Nr R d t 2 *RjI dvF R dt 18 测功机模拟的行驶阻力与道路行驶阻力相等。 比较摩托车在道路上和在底盘测功机上的两行驶方程式 (2.9)和 (2.10)，则两式右边应相等： fF+WF+iF+jF=RF+mF+eF+ jF+jF即： 整理 并归并同类项： 令 上式中两边对应项相等，得： (2.11) 由于摩托车驱动轮与滚轮相对旋转，切点的线速度相等，则： R=m+1WI/ 2r 2R (2.12) 即当量模拟质量： RF+ mF+eF=fF+WF+iF移项后，有： RF=(fF+WF+iF)-(mF+eF) (2.13) f w i dvF F F m dt 2 2 2 2 21 2 1 1 2 2 2 12* * * * * * * *w w f g T f g Ti i i i i i i i i dvr d t 2 2 2 2 22 1 1 2 2 2 122* * * * * * *w f g T f g T RR m ei i i i i i i i i dvF F Fr R d t 122 w Rf w i R m ei id v d vF F F m F F Fr d t R d t 122wR ii d v d vmR d t r d t122m wR ii mRr 当 19 分析式 (2.11)、式 (2.13)，可得到如下结论，并为其机械设计与程序控制提供了理论基础： 从 式 (2.12)可见，要使底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的惯性阻力，只要使滚轮同轴上所有旋转部件 (包括惯性轮、主轴、联轴器、电机轴、扭矩仪等 )产生的惯性阻力 等于摩托车整车基准质量和从动轮旋转质量产生的惯性阻力之和即可。从式 (2.12)可见，底盘测功机滚轮轴系的转动惯量应等于受试摩托车整车基准质量与从动轮当量旋转质量之和与滚轮半径平方的乘积；或者讲，底盘测功机的当量模拟质量应等于受试摩托车基准质量与从动轮转动惯量的当量质量之和。 从式 (2.13)可见，要 使底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力，只要使底盘测功机的制动力等于路面行驶的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和，减去底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系总摩擦阻力和驱动轮与滚轮间的滚动阻力之和即可。 2.2.4 底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的能量守恒和转换 从机械能守恒及转换考虑，摩托车道路行驶状态一定时，就具有一定的能量，即能量是系统状态的单值函数。若实现底盘测功机的仿真模拟摩托车 的道路行驶工况，就必须有效、等量地进行能量的转化，即必须使摩托车路面行驶具有的、并应转化的能量与底盘测 功机旋转质量的转动动能相等。 摩托车一般采用后轮驱动，在底盘测功机上进行试验时，后轮在滚轮上做旋转运动，前轮被夹紧固定。这样，试验状态与道路状态则不同，即摩托车整车基准质量未做直线运动，是静止的；前轮被夹紧固定，不能同步旋转。其它，如后轮、发动机曲轴部件、离合器、变速器、二次传动装R2( * )I dvR dt 20 置等旋转部件与摩托车道路行驶状态相同。这就说明，要使底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的惯性阻力，只需将摩托车平移质量的动能、从动轮旋转质量的转动动能进行转换即可。 摩托车道路行驶平移质量的动能： (2.14) 摩托车道路行驶从动轮的转动动能： (2.15) 式中： m 摩托车整车基准质量， (kg)； v 摩托车车速， (m/ )； 1WI 摩托车从动轮转动惯量， (kg 2m )； 1 摩托车从动 轮的角速度， (rad/ )。 底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系的转动动能： (2.16) 式中： IR 滚轮、惯性轮及轴系的转动惯量， (kg 2m )； 2 滚轮、惯性轮及轴系的角速度， (rad/ )。 据上述，则： 3kE=1kE+2kE(2.17) 21 1 ()2kE m v J22 1 11 ()2kwE I J2321 ()2kRE I J2 2 22 1 11 1 12 2 2RwI m v I2 2 22 1 1RwI m v I 21 因驱动轮与滚轮切点的线速度相等，则有： 代入上式并整理： (2.18) 2.3 道路阻力设定器 根据上述的理论分析，我们知道要想在底盘测功机上完全模拟出摩托车在道路上的受力分析，必须控制测功机按照道路上的受力情 况输出相应的阻转矩，这个功能由道路阻力设定器完成。所谓的道路阻力设定器就是一个函数发生器，输入信号是检测到的转鼓线速度 v，输出信号是经过计算后的转矩信号 T。摩托车在道路上行驶时的阻力在上述理论推倒中已经得到，我们要在底盘测功机上完全模拟出这些阻力。可以用下面的公式表示： RF A+Bv+C 2v -mF+(0M+1iM-mM)dv/dt+g0Msin （ 2.19） 式中：RF是测功机提供的电磁阻力； A、 B 和 C 是与车辆有关的常数； mF是测功机转鼓的机械损失阻力； 0M是摩托车的总质量 (140kg250kg)； 1iM是摩托车前轮质量 (10%0M)； mM是测功机转鼓惯性质量（ 150kg）。 为了满足不同的车辆试验，道路阻力设定器应该有 6个数据可以手工输入 A、 B、 C、0M、1iM和 。mF和mM是测功机的固有参数，mF经过1 vr 2 vR 2 2 21( ) ( )RwvvI m v IRr 22 试验确定，由数组保存起来，也可由一个二次代数式来表示。mM先由计算方法得出，再用力学原理测量加以修正。因为设备机械损失和电气系统的漂移的因素会造成误差，故想要在底盘测功机上模拟出车辆在道路上的阻力，道路阻力设定器还要有自动修正功能，简单的说就是利用惯性滑行法来逐次逼近设定值。车辆根据设定的参数按照下图 2.4方式行驶， 图 2.4滑 行修正过程 滑行后得到一条在道路阻力设定器工作下的 V-T曲线，理论上与摩托车在道路上行驶受到的阻力是一样的，而实际情况下由于电气系统的漂移等因素影响下不可能与实际完全一样，为了减小误差，我们可以多进行几次滑行试验，然后用实际的 V-T曲线经过计算得到 F-V曲线，与理论上的 F-V曲线对比修正。 图 2.5阻力特性曲线 23 修正后的数据存入数组，然后用新的数据经过计算后在输出给变频器，然后再作一次滑行试验，直到相对误差小于 3即可，根据经验一般滑行 3次就可以了。 24 第 3章 交流底盘测功机系统的总体设计 3.1系统结构的总体设计 根据以上的理论分析和国内外一些成熟产品的经验，我们设计的交流底盘测功机系统主要由上位计算机（以下简称上位机）、下位计算机（以下简称下位机）、电机部分和控制台四大部分构成。电机部分主要包括测功机和风机以及相应的变频器，它是该系统工作的核心部分；下位机主要包括下位计算机和一些测量的计算机板卡，它主要负责采集数据，信号调理和执行上位机的控制命令等工作；上位机主要包括一台主机和两个显示器，其中一个是司机助手，另一个是 测量人员操作显示器。它主要负责有关数据的输入，测量的控制，测量数据的计算和分析，以及测量数据的存档等工作。上位机和下位机通过 RS 232串口通讯，由上位机发出控制命令给下位机执行，下位机将测得的数据及时的传送到上位机处理。控制台主要包括一些手动控制开关、手脉和 PLC等 ，它主要利用 PLC控制电机部分的开起，也有一些弱电的控制，主要是为了保证系统的可靠性，在计算机出故障时，还可以进行简单的测量并能分析系统的故障。图 3.1和 3.2分别给出了上位机和下位机的结构框图。 图 3.1上位机结构框图 25 图 3.2下位机结构框图 3.2 测功机的控制和能量交换 底盘测功机的部分主要有测功机和转鼓，两者用弹性连轴结相联。没有惯性飞轮组。车辆进行试验时，前轮用夹持器固定，使车辆前后不能移动，左右不能偏倒。后轮放在转鼓上，转鼓被车辆后轮驱动而转动，同时带动测功机旋转。测功机提供阻转矩。摩托车后轮在转鼓上运转，不考虑两者之间的滑动，认为是纯滚动。车辆的速度就用转鼓表面的线速度来表示。 底盘测功机的性能好坏与精度可以用许多参数指标来表示，但是用户评价主要是看同一车辆在道路试验（路试）和在底盘测功机上试验（台 试）的成绩相近程度。要想台试与路试效果一致，必要的条件是： 26 1.车辆（主要是发动机）的热状态与路试一样。 2.车辆后轮驱动的转鼓的转速 -转矩特性与路试的速度 -阻力特性一样。 为满足第一个条件，台试时在车辆前方安装一台风机，风机的出风口足够大（国际标准规定出口面积不小于 0.4 平方米）；风机出口风速始终与转鼓表面线速度相同。这样车辆的冷却效果就与路试一样了。 为满足第二个条件，测功机必须能模拟车辆在道路行驶的 4项阻力：滚动阻力，空气阻力，加速阻力（也称惯性阻力），坡度阻力。其中滚动阻力和空气阻力是速度的函数，加 速阻力是加速度的函数。 为了数值直观，在底盘测功机上转速用转鼓表面线速度了表示，电位km/h。转矩用转鼓表面切向力来表示，单位 N。这样便于台试数据与路试的数据相对应。现在的转鼓直径 530.5mm。这个直径给测量带来一些便利，例如当转速为 1000r/min时，表面线速度正好是 100.0km/h。 测功机工作在三种运行方式： ASR（ auto speed regulate）恒转速方式 测功机在转速闭环控制下运转。转速方向不变，负荷（转矩）大小和方向取决于被测的原动机。控制精度要求 ：静态优于 0.1，动态优于0.5。 主要用于测功机空转检查，摩托车后轮驱动力测试。 测功机上有两个转速传感器，一个是 1024脉冲 /转光电编码器，供变频器和道路阻力设定器用，另一个是 120脉冲 /转光电编码器，供测量、报警用。 ATR(auto toque regulate) 恒转矩方式 27 测功机在转速闭环控制运行下运转，转速方向不能变。转速大小取决于被测原动机。控制精度要求：静态优于 0.5，动态优于 1。 主要用于测功机特性检查和摩托车自动道路负荷试验。 测功机上装有应变片 式的拉力传感器，用于测量阻力矩，信号经过放大后可以供转矩反馈、转矩测量、转矩报警用。 ALR(auto load regulate)自动道路负荷方式 这是底盘测功机最重要的工作方式。测功机模拟出车辆在道路上受到的阻力，使车辆在测功机上运转时驱动轮受到的阻力与在道路上受到的阻力完全一样，这样就可以取得与室外道路实验一样的测试效果。 在 ASR和 ATR方式下，转速指令或转矩指令是由手动脉冲设定器给出的，而在 ALR方式下转矩指令是由“道路阻力设定器”给出。从安全的角度考虑，无论在那 种方式下，人都可以直接操作开关，测功机应该比较平滑的切换工作方式，切换中不出现较大的冲击和过流过载等报警。 测功机的作用有两个，一个是为原动机提供阻转矩，使原动机可以在有负荷的状况下运转，把原动机的机械功率“吸收”掉；二是测量出原动机在不同工况下的转速、转矩。在底盘测功机实验室，必须有一个大风机装在摩托车前面，用于冷却摩托车的发动机，这样就和摩托车在道路上测试一样了。 图 3.3测功机系统的能量流动 28 在直流测功机系统，需要来两个 4象限直流调速器，通常是采用三相全桥反并联无环流可控硅调速器，分别控制测 功机和风机。直流测功机发出的直流电一般消耗在电阻上，这样能量效率低，也可以把直流电逆变成50Hz交流电反馈回到电网上，风机在急减速时也是如此。我们现在研制的交流测功机，使用了两个变频器和一个能量回馈单元 REGEN。三者的直流母线直接并联。考虑到现有的测功机最大吸收功率为 20kw。风机最大功率是 22kw。经理论和实际测试得出：在 ALR方式作实验时，一般情况下风机消耗的电能总比测功机发出的电要多。测功机发出的电经过直流母线送到风机。能量在系统内部交换。这一点可以由变频器 REGEN单元实现能量的自动调节。如果发出 的电量大于需要的电量时， REGEN单元就将多余电能回送到电网，如果发出的电量小于需要的电量时， REGEN单元就将发出的电送到风机，不足部分再由电网补充输送到风机。这样的好处是：能量利用效率很高，而且电能不是经过电网交换可以减少对电网的污染，可以减少对电网里其它设备电磁干扰。图 3.3描述了能量的分配。 测功机的控制框图如下： 图 3.4测功机的控制框图 29 第 4章 下位机硬件的介绍 4.1下位机硬件的选择 根据系统结构的总体设计，为了 保证系统的稳定性和兼容性，在下位机我们主要选用研华公司的工控机以及板卡系列。为了便于把工控机和PLC安装在控制柜中，我们选用 19寸架装式工业机箱 ,型号为 IPC 610/B。由于使用的板卡较多，而且需要 PCI插槽和 ISA插槽两种，底板选用 PCA6114P4，它带有 9个 ISA插槽、 4个 PCI插槽和 1个 CPU插槽。工业 CPU卡使用PCA 6135 ，奔腾 1GHz。电源使用 PS 250ATX以保证可靠性。硬盘用 40G，采用 ACER52倍速光驱， SAMSUNG的软驱，现代 128M内存。在系统建成后的运行过程中，下位 机不需要人来操作，故不配备鼠标、键盘和显示器，只是在开发过程中配上显示器、鼠标和键盘等外设。考虑到以后的可维护性，应该在下位机留出显示器、鼠标和键盘接口。在程序设计时，应该留有显示数据部分的代码，为以后的维护方便。 由于本系统的关键在于测速的准确性上，经过计算要求每 20毫秒测得一次速度，计时脉冲要求达到 0.1 s。 故选用 PCL 836计数卡，它的计数的最大频率是 10Mhz，可以满足测量的精度要求。控制变频器的转速和转矩是通过控制变频器的输入端子，它要求是模拟量输入，有 010V和420mA两种模拟量。我们 选用 PCL 1720，该卡有 4路独立的模拟量输出，可以通过编程设定是电流量还是电压量输出，并可以选择输出的范围。在控制台上有三个手脉，它输入的信号是正交编码信号，接到下位机计数。我们选择 PCL 833计数卡，它恰好有 3路独立的计数通道，可以记正交编 30 码器的输入，自动判定转向，能够满足要求。另外，下位机是通过 PLC来控制变频的，从计算机出来控制信号输入到 PLC的 input端。该信号是继电器信号，因此我们还要选用一块 PCL 725板卡，来连接下位机和 PLC。 4.2下位机板卡的安装、设置和编程 下位机硬件中，主 机安装比较容易，而计算机板卡的使用和编程较为复杂。而且，在测量过程中主要是几个板卡工作，所以有必要对该系统使用的板卡作一介绍，这也是本论文的一个基本任务。针对板卡编程也是一个比较重要的工作，研华公司一般会随卡附带一些驱动程序和例程序，我们利用这些程序编制符合本系统控制要求的程序。透彻的掌握这些例程序可以大大减少了我们的工作量。 4.2.1三轴正交转角编码计数卡 PCL-833 PCL-833是三轴正交转角编码器适用于 IBM/AT机和 ISA总线。该卡可以监控电机系统的位移变化。它提供三个 24位的正交编码 加 /减计数器，提供一个 16MHz时间基准，提供一个中断控制器可以处理九级不同的中断。它广泛的应用于一下领域：运动控制；位移检测、监视、测量；坐标系测量机械；机器人技术；机械控制等领域。 编码器接口：每个输入对应包括正交编码的解码电路。输入信号可以是独立信号或者是差分信号。正交输入带有下标，允许线性和旋转编码反馈。 计数器： PCL-833有三个独立的 24位计数器。最大输入频率 1.0MHz。用户可以分别配置每一个计数器的工作方式。 31 数字量输入和中断： PCL-833提供了 5个数字量输入通道。每个通道能够接收数字 量输入作为旋转编码器或者线性编码本地传感器的索引。本卡还可以根据数字量输入、计数器溢出、编程时钟来产生中断。它能够在0.1ms 255s中任意反复产生中断信号。这些中断可以很准确监视控制系统的速度。 图 4.1 PCL-833的系统框图 1.安装 板基址和跳线设置：板卡上有 DIP开关 SW1来设置板卡的断口基地址，用跳线 JP1设置中断级别。 图 4.2DIP开关 SW1 如图 4.2所示，开关 1 6对应的计算机地址总线关系如下： 32 Switch 1 2 3 4 5 6 Line A9 A8 A7 A6 A5 A4 如图 4.3所示，通过跳线可以选择 8级不同的中断： 图 4.3 跳线 JP1 中断源 条件 0 通道 1溢出 1 通道 2溢出 2 通道 3溢出 3 通道 1的 Z轴输入 4 通道 2的 Z轴输入 5 通道 3的 Z轴输入 6 0号数字量输入 7 计时器或 1号数字量输入 注：所有的中断是高电平触发。 引脚分配： 电源： 使用外部电源供电时，把引脚 1和引脚 13联接到外部的地端，引脚 25联接到外部高电平 5V；使用板卡内部电源供电时，在板上地 L1和L2端联接起来。 差分 /单边输入：把输入地正极和负极分别联接到对应的端子上；如果是单边信号，只需把输入联接到负极，正极开路就行了。 33 2.操作 正交编码介绍 在一般的闭环控制系统中，例如伺服控制系统，编码传感器感测电机的位移信号并送到控制器中。编码器产生的脉冲代表了轴的位置，每转一周，产生 N个脉冲。它包括了两个信号，分别称通道 A信号和通道 B信号，这两个信号是正交的，正好相差 90度。通过两个信号谁超前的判断可以知道旋转的方向。 大部分编码器都产生 TTL电平的方波信号。工业上经常用差分信号，例如 ：通道 A和通道 B以及它们的反信号 A 和 B 。差分信号可以减少噪声，传输距离较远。每转一周编码器还可产生一种信号，称之为 index或marker。可以用 index信号重置计数器，允许你在当前的周期内监视位移。 （ 1）计数器模式 下表给出了对应不同输入方式和不同的系统时钟的最大输入频率。 方 式 最大输入频率 系统时钟 8MHz 4MHz 2MHz 正交输 入 X1， X2， X3 1MHz 600KHz 300KHz 2 脉冲 2.4MHz 1.2MHz 600KHz 脉冲 /方向 2.4MHz 1.2MHz 600KHz 正交输入包括两个相差 90度的方波信号（ A相和 B相） PCL-833靠判断 A相和 B相中的哪一相超前另外一相来决定转向。正交输入的计数模式的含义如下： X1 A相上升沿时计数。 X2 A相上升沿 /下降沿时计数。 34 X3 A相或 B相的 上升沿 /下降沿时计数。 2 脉冲 A相上升沿时加法计数， B相上升沿时减法计数。 脉冲 /方向 A相脉冲作为计数， B相脉冲作为方向。当 B相是高电平时，计数器作减法；当