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摩托车交流底盘测控系统,毕业设计论文
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1 摘 要 摩托车交流底盘测控系统，作为摩托车质量检测设备的一个重要发展方向，对于促进中国摩托车工业的发展有着重大的意义。该系统可以逼真地模拟摩托车在真实路面上可能遇到的所有情况，且具有机构简单，效率高，成本低等优点。 本文主要阐述了 PLC 在系统中的控制作用和发动机转速测量模块的设计，从原理到设计思路，以及实际电路都有着详尽的介绍。其中的 PLC采用 A-B 公司的 MicroLogix 1200 可编程控制器，主要实现对工业现场中的变频器进行简单的控制功能。而发动机转速测量部分采用了模拟电路的设计方法，单独制作了一块 电路板来实现对发动机转速信号的调理，以方便的实现上位计算机对转速脉冲信号的记数，从而可以对应求出发动机的转速值。 关键词 ：交流底盘测功机， PLC，发动机转速测量 nts 2 Abstract Motorcycle alternating current chassis dynamometers,as an significant developing trend of motorcycle quality testing equipment,have a momentous significance to improve the development level in Chinese motorcycle industry.The system can simulate all the situation that the motorcycle will meet running on the real road exactly,there is a lot of virtues to the system:the configuration is very simple, the efficiency is so high and the cost is very low. This paper comments on the PLC controller system and the engine ratate speed measure system,it has a exhaustive presentation in both the principle design and the actual circuit.In the chassis dynamoneter system,we choose MicroLogix 1200 programmable controller(PLC),it mostly answers for the control of the frequency converters in building sites.and also,we choose an analog circuit for the module of the engine rotate speed measure,so the signal of the engine rotate speed is adjusted by a special circuit module,as the result,it is convenient to count how many the rotate speed pulses are,and we can get the value of the rotate speed finally. Key words: alternating current chassis dynamometer,PLC,engine rotate speed measure nts 3 目 录 第 1 章 绪论 -1 1.1 底盘测功机的发展现状 -1 1.2 论文的结构安排 -3 第 2 章 摩托车交流底盘测控系统概述 -4 2.1 底盘测功机系统简介 -4 2.2 系统的主要组成和框图结构 -5 2.2.1 机械系统 -6 2.2.2 电控系统 -6 2.3 底盘测功机力学原理 -10 2.3.1 摩托车在道路上的行驶 -10 2.3.2 摩托车在底盘测功机上的行驶 -14 2.3.3 底盘测功机模拟摩托车的道路行驶方程 -16 2.4 底盘测功机电控部分设计原理 -17 2.4.1 道路阻力设定器 -17 2.4.2 测功机的几种工作方式 -22 第 3章 PLC 在 系统中的控制应用 -24 3.1 MicroLogix 1200 可编程简介 -24 3.1.1 MicroLogix 1200 的硬件系统简介 -25 3.1.1 MicroLogix 1200 的软件系统简介 -32 3.2 MicroLogix 1200 在系统中的功能应用 -40 3.3 源程序设计 -41 nts 4 3.4 PLC 的通讯问题 -41 第 4章 发动机转速测量 -43 4.1 系统总体分析 -44 4.1.1 发动机转速测量原理 - 44 4.1.2 发动机转速信号特点 -46 4.2 转 速测量系统的设计 -47 4.2.1 发动机测速系统技术指标 -47 4.2.2 电路工作原理 -48 4.3 测量结果和记数显示 -51 第 5章 工作总结 - 52 致谢 -54 参考文献 -56 附录 -57 附录 1 PLC 梯形图程序清单 -57 附录 2发动机转速测量系统 SCH 原理图及 PCB 制板图 -60 nts 5 第 1 章 绪论 1.1 盘测功机的发展现状 随着当代科学技术的飞速发展，现今摩托车 工业的发展水平日新月异，技术含量和新型摩托车的性能不断提高，但与此同时，摩托车普及所带来的交通事故和环境污染等负面因素对人类的威胁也越来越大。摩托车检测技术，作为一种可以直接鉴定摩托车安全操纵性能的设备，其地位和作用也随着这些情况的出现而变得越来越引人注目起来。 作为一种大型的试验设备，摩托车底盘测功机可以模拟摩托车在道路试验中所遇到的各种工况情况，同时逼真的完成摩托车的经济性试验，动力性试验，排放性能试验和与摩托车传动系统有关的专项试验，在摩托车的新产品开发和用车质量检测中有着不可替代的作用。与通常的道路 试验相比，使用底盘测功机进行摩托车性能测试具有试验速度快，精度高，费用低，数据稳定，可比性好等优点。 从目前的发展情况来看，比较流行的摩托车底盘测功机主要有电力测功机，水力测功机和电涡流测功机三种。相比较而言，水力测功机的功率最高，但存在着体积巨大，造价昂贵，只适用于某些对功率有着特殊需要的应用场合和不易普及等缺点；电涡流测功机在当代工业场合应用比较普遍，体积不大，操纵简单，有比较宽广的调速和负载范围，但也有着系统效率较低，价格高，结构复杂等不足；而电力测功机结构简单，调速性能优良，造价低廉，有着十分良好的 发展前途。 nts 6 电力测功机又包括直流电力测功机和交流电力测功机两大类。直流电力测功机转速调节范围大，工作性能稳定，动态响应快，测量精度高，在电力测功机的发展初期中得到了广泛的应用。但随着现代科技与社会的不断发展，能源问题已经不容忽视的成为了一个全世界都关注的问题，直流电力测功机虽然可以很好的满足试验中对摩托车各项性能的检验要求，但它低下的能量利用效率使它在能源紧张的现代工业应用中受到了很大的影响和限制。另一方面，原本精度较差的交流调速装置如今也取得了巨大的技术突破，现代交流变频调速装置的性能已经和直流调速的性能 相差无几。正是由于这诸多方面的原因，直流电力测功机在电力测功机领域已经逐渐走向淘汰，交流电力测功机则代表了摩托车底盘测功机的发展方向。 从我国目前的摩托车行业发展来看，八十年代从国外引进的电力测功机都是直流机，九十年代后期交流测功机才开始进入中国。从我们考察和市场调研的结果来看，在国内外的测功机应用领域中，交流机越来越多，直流机越来越少，这也正体现了当代摩托车底盘电力测功机的发展方向。而同时，从测功机的研制开发情况来看，国内尚无交流电力测功机的研制计划，而国外同类产品又存在着售价昂贵，技术保密等因素 。因此，我们打算在本套系统中，越过直流机直接开始交流机的开发，这样，既可以少走弯路早日赶上国外同类摩托车测功机的发展水平，也可以为中国的摩托车行业作出一点应尽的贡献，积累这方面的发展经验。 nts 7 1. 2 论文的结构安排 本论文对摩托车交流底盘测控系统的整体，以及其中的 PLC 控制系统，发动机转速测量系统做了较为详尽系统的阐述，并对测试结果进行了分析和说明。 论文的工作具体安排如下： 第 1 章主要简单介绍了一下国内外测功机系统发展的现状和各种不同类型测功机各自的特 点，并说明了我们设计方案的由来。 第 2 章对摩托车交流底盘测控系统总体上进行了概述，分别介绍了其力学和电学方面的设计原理，并说明了本系统的设计结构。 第 3 章主要介绍了 MicroLogix 1200 可编程控制器及其在系统中的应用。 第 4 章主要讲述了发动机转速测量系统的设计原理，以及测量所面临的问题，并对测量结果有比较详细的分析。 第 5 章是对整个系统设计的总体概述和本论文总结。 nts 8 第 2 章 摩托车交流底盘测控系统概述 2. 1 底盘测功机系统简介 底盘测功机是用于摩托车整车台架试验的测试设备，它可以模拟 摩托车的道路行驶阻力，进行符合工况的复杂试验，方便的对摩托车的动力性，油耗和排放等性能进行专项检测。 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： 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），以保 证可以真实的模拟路试的情况；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。这一部分主要是通过下位工控计算机中的道路阻力设定器来模拟实现的。 在本系统中，系统主要 由测功机转鼓机组，冷却风机，测功机控制柜，计算机数据采集部分，道路阻力设定器，司机助手等几部分组成。 nts 9 2.2 系统的主要组成和框图结构 CPU1CPU2（工控机）PLCD I/O 端子板IMPACT PLUSREGENA/D风速温度力传感器ATR给定ASR给定风速给定编码器控制台转角编码器车速 油耗仪转速、 转矩故 障 信 息风速RS485计数卡D/A卡DI/O卡编码卡图 2.1 交流底盘测控系统硬件组成框图 nts 10 摩托车底盘测控系统主要由机械部分和电控系统 2部分组成，机械部分主要包括转鼓机组、测功机、冷却风机等装置；计算机控制系统则主要由下位工控计算机（含道路阻力设定器），上位监控计算机， MicroLogix 1200 可编程控制器，变频器，司机助手和控制台等几部分组成。 2 2 1 机械部分 机械部分中的测功机和转鼓用弹性连轴节连接在一起，没有机械飞轮组等附加机构。车辆进行试验时，前轮用夹持器固 定，使车辆前后不能移动，左右也不能偏移。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，测功机则根据道路阻力设定器的输出信号提供反向的阻力转矩。 由于大部分时间内测功机电机工作在第四象限（电机转速与转矩方向相反），风机工作在第一象限。所以交流变频电源采用直流母线并接 +回馈单元技术。即将 Plus2 变频器， Impact 变频器和 Regen 单元的直流母线并接到一起，以实现能量在三者之间相互的流动利用，极大的提高了系统电能的利用效率。 2 2 2 电控系统 电控系统主要由上位监控计算机，下位工控计算机 （含道路阻力设定器）， MicroLogix 1200可编程控制器， A-B变频器，司机助手和控制台等构成。主要完成 数据采集，计算和控制等功能，控制系统决定了整个系统nts 11 的测试精度和性能，故它是本系统的核心部分 ,也是我们项目设计的重点。 1）下位工控计算机 用于工业实际场合各种电气设备的直接控制。通过各种板卡和 PLC的配合使用对系统中的转矩，转速实现闭环，开环多种控制。其中包含的道路阻力设定器，是系统参数设定的关键部分。 PCI-1720 板卡： 4 通道 12 位 D/A 转换卡，该卡提供四路模拟量输出，本系统只使用其 中三路，分别接入风机变频器（ Plus2） 转速给定模拟量入口（10V），测功机变频器 (Impact)转速给定模拟量入口（ 4-20mA） ,测功机变频器转矩给定模拟量入口（ 10V），以实现下位计算机对变频器（ Plus2 和 Impact） 的转矩，转速控制。 PCL-836 板卡 该卡内部含有 4片 8254 芯片， 12 个计数器，其中有 6个计数器用于产生内部时钟基准频率，剩下的 6个计数器用于外部记数。在本系统中将 0#计数器用于产生周期为 20ms 的系统刷新信号， 1#， 2#计数器用于 10M 脉冲（晶振信号）信号的记数（ 16 位）， 3#， 4#计数器用于从 Impact 变频器转角编码器传入的脉冲记数（ 16 位）， 5#计数器做预留使用。 PCL-725 板卡 继电器驱动和隔离（数字输入隔离）的 D/I 转换卡，可以将下位计算机产生的信号与 PLC 的信号进行交换，即完成下位机与 PLC 的通讯nts 12 问题。 2）上位监控计算机 用于对下位计算机运行状况的监控，可以实时的显示下位计算机所控制的系统各个关键部分的数据信息（如车速，转矩），方便的与下位计算机进行通讯，并可以同时显示油耗仪和发动机转速的实时值。 PCL-818L 板卡 带有一个 16 位记数器的 12 位 A/D 转 换卡，可以将测功机转矩传感器模拟量输入信号采集到上位机中保存并显示。同时接收从发动机转速测量板送出的脉冲信号并记数。 PCL-746+板卡 该卡带有 4个独立的 232/422/485 转换端口，可分别用于上位计算机与油耗仪， ADAM 模块之间的通讯，在本系统中主要实现 232 与 485信号的相互转换。 3） MicroLogix 1200 可编程控制器 主机： Micrologix1000,24 点 DI， 16点 DO。 用来控制对 Plus2 变频器和 Impact 变频器的启动停止操作，并可以及时的将 PLC 的操作信息和紧急情况下变频 器发出的报警信息反馈给控制台或下位机。 扩展模块： 1762-IQ8 8 点输入， 1762-OW8 8 点输出。 通讯模块： 232/485 1761-NET-AIC 可以方便的将 MicroLogix 1000 组态到 DH-485 的网络中，以解决在工业网络中的通讯问题。 nts 13 4） 变频器 风机变频器： 采用 A-B 公司的 Plus2 变频器，输入一路给定转速信号，开环控制方式。 测功机变频器： 采用 A-B 公司的 Impact 变频器，相比于 Plus2 而言， Impact 变频器控制方法更多，功能更强大，可以实现测功机系统所需要的转矩闭环操作。该变频器输入信号为二路，一路为给定转速信号，一路为给定转矩信号，二者均采用闭环控制方式。 Regen 单元 : 当工作在 ALR 方式时，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。 5）司机助手 由一台 CRT 来承担，与上位监 控计算机直接相连，主要负责给摩托车试车员提供必要的摩托车运行情况信息（如车速，油耗等与上位机共享的显示数据），同时可以显示出需要试车员动作的指令提示信息。 6）控制台 在必要的情况下，可以采用手动的控制方式通过控制台对系统进行控nts 14 制（如控制方式的选择，各种给定量的给入等），同时系统产生的故障信号也可以以信号灯和警报的形式在控制台上反应出来。 2 3 底盘测功机力学原理 摩托车底盘测功机是应用现代电测和计算机技术 ,利用摩托车在路面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、精确度如何保证是其技术关键。以下从运动学、动力学理论入手来分析底盘测功机的力学原理。 2.3.1 摩托车在道路上的行驶 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。 首先，我们知道，当驱动力等于行驶阻力时 ,摩托车做匀速运动 ;当驱nts 15 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。 根据力学理论的原理，我们可以对摩托车在行驶过程中所受到的各类力做以下的分析。 图 2.2 摩托车道路行驶受力分析 1 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。 Ft=F0=Mt/r=rTiiiM ge 21 (N) 式中 :Ft：摩托车的驱动力 ,(N); nts 16 F0：驱动轮对地面产生的圆周力 (图 1 中用虚线、箭头表示 ),(N); Mt：驱动轮上的驱动扭矩 ,(N ); r：驱动轮工作半径 ,( ); Me：摩托车发动机曲轴输出扭矩 ,(N ); 1i ：一次传动比 ; gi：变速器传动比 ; 2i ：二次传动比 ; T：传动变速系统总传动效率。 2摩托车的行驶阻力 摩托车稳定行驶时受到的各种阻力 ,统称为行驶阻力，其主要包括滚动阻力，空气阻力，坡度阻力和惯性阻力等。 1） 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) 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 , f=f1*G1/G+f2*G2/G; f1：从动轮的滚动阻 力系数 ; G：摩托车整车法向载荷 ,(N); nts 17 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)。 2） 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 : Fw= 221 rD VAC (N) 式中 :Fw:空气阻力 ,(N); DC :空气阻力系数 ; A: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 ); Vr:相对速度 ,(m/s),无风时为摩托车行驶速度。 3） 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。 Fi=mg sin (N) 式中 :Fi: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 p=tan 表示 ,并取代sin : sin tan p 则 : Fi=mgsin mg tan =mg p (N) nts 18 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 ,则不能如此计算。 4） 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 : Fj= mdv/dt (N) 式中 :Fj:变速行驶 ,换算到车轮上的总惯性阻力 ,(N); :质量换算系数 ; 图 1 中 ,T jW1、 Tj W2 分别为从动、驱动轮产生的惯性转矩。 3摩托车道路行驶方程 据上述各力在轴上的投影 ,可得到摩托车的道路变速行驶方程 : Ft=Ff+Fw+Fi+Fj=fmg+ 221 rD VAC +mgsin +mdv/dt+ mdv/dt(N) 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 ,同时也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。 2.3.2.摩托车在底盘测功机上的行驶 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nts 19 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 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 : Ft= RF +Fm+Fe+F j+Fj 式中 : Ft:摩托车的驱动力 ,(N); RF :底盘测功机制动力 ,(N); Fm:底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系总摩擦阻力 ,(N); Fe:驱动轮与滚轮间的滚动阻力 ,Fe=(1+ R)Ff2(N); F j: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 ; Fj:滚轮、惯性轮及轴系产生的惯性阻力 , (N); nts 20 2.3.3 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时 ,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 ,即底盘测功机模拟的行驶阻力与道路行驶阻力须相等。比 较摩托车在道路上和在底盘测功机上的两行驶方程式可得 : Ff+Fw+Fi+Fj=FR+Fm+Fe+F j+Fj 整理并归并同类项得 : Ff+Fw+Fi+(m+21rIW )dv/dt= RF +Fm+Fe+2RIR dv/dt 令上式中两边对应项相等 ,得 : 2RIR dv/dt=(m+21rIW )dv/dt (3) 由于摩托车驱动轮与滚轮相对旋转 ,切点的线速度相等 ,则 : IR=(m+21rIW ) * 2R (3 ) 即当量模拟质量 :当 =2RIR = +21rIW FR+Fm+Fe=Ff+Fw+Fi FR=(Ff+Fw+Fi)-(Fm+Fe) (4) 分析式 (3)、式 (4),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 : 1),从式 (3)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、nts 21 扭矩仪等 )产生的惯性阻力 (2RIR dv/dt )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 (3 )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。 2),从式 (4)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。 2.4 底盘测功机电控部分设计原理 在分析了摩托车路试和台试的力学拟合原理后，我们可以在其基础上进一步来分析一下底盘测功机系统的电控设计原理。从总体来说，摩托车底盘测功机电控系统的最主要部分在于道路阻力设定器和工 作方式的设定，这也是底盘测功机系统设计的核心部分。 2 4 1 道路阻力设定器 道路阻力设定器的设计，即采取何种方式和方法可以比较简单廉价的使测试系统的台试受力效果可以比较好的逼近路试的真实情况，是本系统设计的重点。从目前国内外底盘测功机发展的现状来看，大多数发展成nts 22 熟的系统采用了惯性飞轮，电涡流，水力等附加机械机构来实现道路阻力的设定，结果比较准确的模拟了真实路面上摩托车的受力情况，但在另一方面，这些测功机又存在着造价昂贵，机械部分庞大，难以向中小厂家普及等缺点。相比较而言，电惯量的应用在这一方面有着很好 的发展前景。其不需要外加额外的机械装置，直接依靠软件算法即可模拟道路阻力，系统简单，造价低廉，并且不断发展的模拟精度正在逼近传统的道路阻力设定器。正是由于这一方面的原因，国内外的专业研究机构都将下一代底盘测功机的研究方向集中在了电惯量的理论应用上。 所谓电惯量，就是采用电力的方法来模拟摩托车在真实路面上所受的阻力。其主要机械结构与测功机本身结为一体，不需要外带附加的机械装置。即测功机在测功的同时可以充当道路阻力设定器。其主要工作流程如下： 1），测功机传感器测量出摩托车后轮的转速， 转矩值送给下位计算机； 2），根据传感器送来的参数，系统启动编辑好的道路阻力设定器算法计算出应该模拟的阻力力矩； 3）， 依照计算出的模拟阻力力矩值，将对应产生的信号送入测功机控制变频器（ Impact），使测功机产生一个与模拟阻力力矩值大小相等的反向力矩来模拟摩托车在真实路面上所受的阻力。 在摩托车底盘测功机系统的电控部分，道路阻力设定器是其中的技术关键。在本章底盘测功机电控系统的介绍中，我们着重分析一下道路阻力设定器的工作原理。 通常，道路阻力设定器主要有以下四种设定方式： nts 23 1），多点设定：用一个数组表示 不同速度点的阻力值。 2），方程式设定： F（ V） =A+BV+C 2V 。 3）， V-t 设定：用车辆在道路滑行试验得到的 V-t 数据进行数学处理，得到 A， B， C参数，再按照方程式法进行设定。 4）， S-t 设定：用车辆在道路滑行试验得到的 S-t 数据进行数学处理，得到 A， B， C参数，再按照方程式法进行设定。 在本系统中，道路阻力设定器是一个软件函数发生器，输入信号是转鼓线速度 V（由 1024PPR 转角编码器测得），输出信号是经过计算后的转矩指令 F（给入到 Impact 变频器中）。 道路阻力设定器连续不断的测量速度和加速度，计算此时此刻应有的阻力，并向测功机控制系统输出转矩指令。（速度不低于 50 次 /sec）。 在本系统中，道路阻力设定器需要模拟的摩托车在道路上行驶阻力Fr 有 4项：滚动阻力 Ff，空气阻力 Fw，惯性阻力 Fi，坡度阻力 Fj。 因此有 Fdy=A+BV+C 2V -Fm+（ M0+Mi1-Mm） dv/dt+gM0sin。 其中： Fdy: 测功机提供的电磁阻力，即阻力设定器的计算输出值； A， B， C：与车辆有关的参数，需要在测试前根据不同的 车型对应输入； Fm： 测功机转鼓的机械损失阻力； M0: 摩托车总质量，本系统规定可试验的车辆惯性质量是140-250kg； Mil：前轮惯性质量； nts 24 Mm： 测功机转鼓惯性质量，在本系统中 Mm=150kg。 根据以上推导，为了满足不同的车辆试验，系统中道路阻力设定器应有 6个数据由人工输入： A， B， C， M0， Mil, 。除此以外， Fm和 Mm是测功机固有参数， Fm 需经试验确定，可由数组保存，也可用一个二次代数式来表示。 Mm 则先用计算方法得出，再用力学方法测量修正。 在道路阻力设定器的参数输入以后，要想在 底盘测功机上逼真的复现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，简单说就是利用惯性滑行法来逐次逼近设定值，把因设备机械损失和电气系统漂移等因素造成的误差消除到最小程度。 道路阻力设定器的滑行修正过程和机械损失图示如下： 稳定时间 滑行开始车速预热车速预热时间ASRATR ASRATR滑行末速度图 2.4 滑行修正过程图示 nts 25 速度上限ASR断电图 2.5 机械损失图 示 根据操作流程，惯性滑行自动修正过程还至少需要 6个参数输入：预热时间，预热车速，允许误差，稳定时间，滑行开始速度，滑行终止速度。 在道路阻力设定器的所有设置都完成以后，系统就可以上台试来运行滑行试验了，这也是摩托车真实测控工作必须处理好的前提工作。因为只有当系统的阻力设定器输入参数被修正到与被测摩托车真实情况相吻合时，计算输出给测功机的模拟阻力转矩信号才是可靠有用的。否则系统的测试误差就相当的大，以致于系统的测试结果极不可靠。 在滑行修正试验中，系统采用最小二乘法来逐次逼近设定值，在输入A， B， C 参数的基 础上，每滑行一次，就按照滑行结果修正一次 A， B， C的参数值。当试验结果最终调整在误差允许范围内时，取这时的 A， B， C参数值为最终道路阻力设定器的实际工作参数值。（滑行试验一般 5 次） 从总体上来说，采用电惯量的电路阻力设定器实际上是一种采用软件机制来设定阻力的系统，与转鼓同轴的测功机在系统运行过程中具备测功和阻力设定 2 个功能，在整个工作工程中测功机一边 为原动机提供阻力转矩，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；一边测量出原动机在不同工况下的转速、转矩，二者保持同步进行。nts 26 因此，整个测 功机 系统的结构简单，附加机械装置少，价格低廉，对于未来底盘测功机的普及发展有着重要的指导意义。 2 4 2 测功机的几种工作方式 在本测功机系统中，测功机主要工作在 ASR， ATR， ALR三种工作方式。其主要工作原理介绍如下： （ 1） ASR（ auto speed regulate）恒转速方式 在 ASR工作方式，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。该工作方式主要用于测功机空转检查，摩托车后轮驱动力测试。 测功机 上安装有两个转速传感器，一个是 1024PPR光电编码器，供变频器和道路阻力设定器使用，另一个是 120脉冲 /转光电编码器，供测量、报警使用。 （ 2） ATR(auto toque regulate) 恒转矩方式 在 ATR工作方式，测功机在转矩闭环控制下运转，转速方向保持恒定，转速值取决于被测原动机。控制精度要求：静态优于 0.5，动态优于 1。该工作方式主要用于测功机的特性检查和摩托车自动道路负荷试验。 测功机上安装有应变片式的拉力传感器，用于测量阻力力矩，信号经过放大后可以供转矩反馈、转矩测量、转矩报警用。 nts 27 （ 3） 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一致，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 工作方式下，转速指令或转矩指令是由位于控制台上的手动脉冲设定器给出的，而在 ALR 工作方式下的转矩指令是由“道路阻力设定器”给出的。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，测功机可以比较平滑的切换工作方式，切换中应避免出现较大 的冲击和过流过载等报警。 nts 28 第 3 章 PLC 在系统中的控制应用 3.1 MicroLogix 1200 可编程控制器简介 MicroLogix 1200 可编程控制器是美国艾伦 -布拉德利（ A-B）自动化公司新近生产的小型化，经济化的可编程控制器。可用于 24 点 I/0 或 40点 I/0两种结构。它们的任选 I/O功能和电气组态功能，使 MicroLogix1200可编程控制器几乎可以适合所有的工业应用要求。 MicroLogix1200 可编程控制器的主要特点如下： 1）两种 I/O 容量（ 24 点或 40 点），适应多种应用场合。 2）多种电气组态结构，可以满足多种电气要求： 带 120V/240V 交流电源的 24V 直流输入和继电器输出； 带 120V/240V 交流电源的 120V 交流输入和继电器输出； 带 24V 直流电源的 24V 直流输入和继电器输出； 带 24V 直流电源的 24V 直流输入， 24V 直流场效应管和继电器输出； 带 120V/240V 交流电源的 120V 交流输入以及双向可控硅和继电器输出。 3）隔离的继电器输出触点（每个控制器最少两个），允许同一个单元的输出切换不同的控 制电压。 4）小巧的尺寸，使 MicroLogix1200 可编程控制器可以安装在紧凑nts 29 的空间内。 5） RS-232 通信通道，可以将控制器与编程装置或电话调制解调器直接连接。 6 ）通过一个特定的 AIC+ 转换器可对应实现 DH-485 ，DeviceNet,Ethernet 通信协议。可以与对应网络上的 SLC 处理器，其它 MicroLogix 控制器，操作员界面或编程装置进行通信。 3 1 1MicroLogix 1200 的硬件系统简介 MicroLogix1200 可编程控制器是一种集电源模块，处理器模块，输入模块 和输出模块为一体的可编程控制器。 其系统的基本组成可以用下图表示： 图 3.1 系统硬件组成方框图 编 程 设 备C P U 模 块微处理器存储器外部设备输入模块输出模块外部设备电 源 模 块nts 30 一 MicroLogix1200 各组成部分简介： 从上面的系统组成框图我们可以看到，整个 MicroLogix1200 可编程控制器基本上是由 5 大模块所构成的，其各个组成部分的基本功能介绍如下： 1.CPU 模块 CPU 模块是 MicroLogix 可编程控制器的核心模块，它主要由微处理器和存储器两部分组成。 （ 1）微处理器 微处理器是由大 规模或超大规模集成电路微处理器芯片构成的，通常采用 Z80A， 8031， 8085， 8086， 80286 等专用的 CPU 芯片。 CPU 芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力和速度。微处理器系统中的功能是在系统程序支撑下对整个可编程控制器系统进行监控，如系统自检或其它初始化处理；接受并存储从编程设备输入的用户程序和数据；对电源，可编程控制器内部各电路的状态和用户编程中的语法错误进行诊断，以便用户进行处理。进入运行状态后，微处理器采用扫描的方式通过输入模块将现场的输入信号和数据读入用户存储器中，然后从用户存储器 逐条读取用户程序，经过命令解释后，将运行用户程序，最后根据运行的结果刷新有关的寄存器，并将内容送到输出模块中，以控制有关的执行结构。与此同时，微处理器可以实现与外部设备或计算机的实时数据通信。 （ 2）存储器 可编程控制器的存储器模块包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器主要用来存放可编程控制器的系统操作程序，用户指令解释程nts 31 序，编译程序，系统诊断程序和通信管理程序等固化好的程序。这些程序不能更改，被厂家编写并固化在 ROM 中。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。程序存 储器用来存放用户编制的程序，可以使用 RAM， EPROM 或 2E PROM 存储器，其内容可由用户根据生产过程和工艺的要求进行修改或增删；而数据存储器用来存放运算数据或中间运算结果。 2.输入 /输出（ I/O）模块 输入输出模块是 MicroLogix1200 可编程控制器与现场设备连接的接口。输入模块用来接收和采集从现场设备输入的信号，包括开关量输入信号和模拟量输入信号。模拟量输入信号需要限定在某个电压或电流范围内，由模拟量输入模块将这个信号转换成 CPU 能够处理的数字信号。输 出模块则用来传递 CPU 发送给执行机构的输出控制信号。 输入输出模块的种类很多，如： 1） ，数字量输入输出模块： 包括能直接接收和输出交流电压（ 110V 或 220V）信号的交流输入输出模块和直流电压（ 24V， 12V， 5VTTL 电平）信号的直流输入输出模块。大多数的可变程序控制器生产厂家都提供有继电器触点输出型的输出模块，以满足要求无源输出的应用条件。 2） ，模拟量输入输出模块： 模拟量输入模块将各种满足 IEC 标准的直流信号转换成 8 位， 10位， 12 位的二进制数字信号，送给 CPU 处理。模拟输出模块将 CPU的二进制数字信号转 换成满足 IEC 标准的直流信号，提供给执行机构。 nts 32 3）， 特殊模块： 中大型的可编程控制器除了上述的两种常用的输入输出模块外，还有各种各样的特殊模块，也叫智能模块。如高速计数器模块，热电偶或热电阻模块，各种定位模块，各种编码器模块， ASCII/BASIC 模块，各种通
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