底盤測功機慣量電模擬方法的研究和實現(xiàn)

周志立，王龍龍，徐立友

(河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003)

底盤測功機慣量電模擬方法的研究和實現(xiàn)

周志立，王龍龍，徐立友

(河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003)

針對傳統(tǒng)底盤測功機慣量模擬裝置存在振動噪聲大、體積大、模擬精度不高及不能實現(xiàn)慣量無級調(diào)整等缺點，用加載電機代替原有的機械飛輪，分析了慣量電模擬的理論基礎，推導出慣量電模擬時加載電機所需的動態(tài)補償轉(zhuǎn)矩。分析了慣量電模擬的實現(xiàn)方法，并在DCG-10E型底盤測功機上進行了汽車的加速性能試驗和滑行試驗。試驗結果表明：在采用慣量電模擬時，底盤測功機的測試精度提高了4.4%，說明慣量電模擬方法是可行的。

底盤測功機；慣量；機械飛輪；電模擬；補償轉(zhuǎn)矩

0 引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和交通事故對人們的生命安全造成的威脅越來越大，因此，有必要通過汽車檢測技術來減小汽車對人類造成的傷害。車輛底盤測功機是一種非常重要的試驗設備，通過道路模擬系統(tǒng)真實再現(xiàn)汽車在道路上行駛時的工況，從而能夠?qū)ζ噭恿π?、?jīng)濟性的各項指標進行準確測量[1-4]。因為在底盤測功機上試驗時汽車處于靜止狀態(tài)，所以必須對汽車運行過程中的慣量進行模擬，才可以更加準確地再現(xiàn)汽車在道路上的行駛過程，從而提高試驗精度[5]。

傳統(tǒng)的底盤測功機大多通過大小不等的飛輪組合來模擬汽車實際運行過程中的慣量，機械飛輪和測功機主滾筒之間用電磁離合器連接，試驗時底盤測功機滾筒帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，以飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力矩模擬汽車在道路上運行時產(chǎn)生的慣量。文獻[6]對機械飛輪組進行了重新設計，把機械飛輪組分為粗調(diào)和精調(diào)兩組，并且基于約束方程推導出了慣量的配置方式。文獻[7]提出用撥叉來實現(xiàn)底盤測功機滾筒軸和機械飛輪相連接的方法，符合不同型號汽車對機械慣量的要求，使飛輪組的結合與分離更加容易完成。文獻[8]提出基于質(zhì)量倍增法的飛輪分級原則，把模擬質(zhì)量區(qū)間分為512個等級，更利于飛輪質(zhì)量和汽車質(zhì)量的匹配，提高試驗精度。文獻[9]設計了銷式結構，試驗時通過銷的撥出和插入實現(xiàn)各個飛輪的組合。雖然已對汽車慣量的機械模擬做了大量的研究，但是仍然不能消除慣量機械模擬系統(tǒng)存在的缺點。

底盤測功機慣量電模擬可以實現(xiàn)慣量的無極調(diào)整，減小測試系統(tǒng)體積和運行噪聲，提高設備的自動化程度，使操作更加方便。本文基于汽車驅(qū)動輪動態(tài)特性相同的原理推導出加載電機的瞬時動態(tài)轉(zhuǎn)矩，用角加速度控制法控制加載電機的加載力矩，從而實現(xiàn)底盤測功機慣量電模擬。

1 慣量電模擬理論基礎

汽車底盤測功機使用大質(zhì)量飛輪組來模擬汽車慣量時，飛輪組的作用是阻礙滾筒轉(zhuǎn)速的變化，即在底盤測功機滾筒的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生改變時形成慣性扭矩，其方向與底盤測功機滾筒的旋轉(zhuǎn)方向剛好相反，大小為角加速度與飛輪轉(zhuǎn)動慣量的乘積。控制加載電機的輸出轉(zhuǎn)矩和機械飛輪的慣性扭矩相同，使汽車在底盤測功機上和在道路上運行時驅(qū)動輪的動態(tài)特性相同，從而體現(xiàn)慣量相等，實現(xiàn)慣量電模擬。

1.1 機械模擬時飛輪組慣量的計算

車輛在道路上行進時的功率平衡方程[10]為：

Pt=Pf+Pw+Pi+Pj，

(1)

同理，可得車輛在底盤測功機上測試時的功率平衡方程為：

(2)

其中：Jg為底盤測功機滾筒的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Jf為機械飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωg為測功機滾筒的角速度，rad/s；ωf為機械飛輪的角速度，rad/s。

車輛在測功機上運行時，不考慮驅(qū)動輪和底盤測功機滾筒之間的滑轉(zhuǎn)，即車輛的行駛速度和測功機滾筒的線速度相等，可得：

(3)

其中：rg為汽車測功機滾筒的半徑，m；i為機械飛輪的安裝軸與底盤測功機滾筒機之間的傳動比。

將式(3)代入式(2)，可得：

(4)

由式(1)和式(4)可計算測功機所需飛輪組總的轉(zhuǎn)動慣量：

(5)

1.2 慣量電模擬時加載電機補償慣性扭矩的計算

圖1 電模擬時補償慣性扭矩電機轉(zhuǎn)子受力圖

不考慮底盤測功機試驗系統(tǒng)各零件的彈性變形和各零件之間的摩擦，電模擬時補償慣性扭矩電機轉(zhuǎn)子的受力如圖1所示。圖1中：TE是模擬轉(zhuǎn)動慣量為Jf的機械飛輪時，電機需要動態(tài)補償?shù)呐ぞ?，N·m;TD為電機軸所受驅(qū)動扭矩，N·m；ωM為加載電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rad/s；TL為電機所受的電磁扭矩，N·m；JM為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

由剛體的轉(zhuǎn)動定律得電模擬時加載電機轉(zhuǎn)子的動力學方程為:

(6)

當在飛輪軸上安裝轉(zhuǎn)動慣量為Jf的機械飛輪組時，在相同的扭矩作用下，電機轉(zhuǎn)子的動力學方程為：

(7)

其中：ωfM為安裝有飛輪時電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rad/s。

顯然，在相同驅(qū)動扭矩作用下，帶有機械飛輪電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和不帶機械飛輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不相等。若要使兩者相等，電機就必需補償機械模擬時飛輪組的等效轉(zhuǎn)矩，則式(6)可以改為：

(8)

機械模擬系統(tǒng)和電模擬系統(tǒng)試驗車輛的轉(zhuǎn)速變化特性必須一致，即：

(9)

聯(lián)立式(7)和式(8)可得：

(10)

2 慣量電模擬的實現(xiàn)方法

圖2 角加速度觀測器動態(tài)圖

車輛底盤測功機慣量電模擬的實質(zhì)是對電機補償扭矩的準確控制，因為直流電機自身有很好的線性度，所以可通過調(diào)節(jié)電機輸入電流對電機輸出轉(zhuǎn)矩進行精確控制。問題的關鍵在于根據(jù)加速度和轉(zhuǎn)速來計算電流環(huán)的輸入值，并且電流環(huán)必須具有快速的跟隨性能?；趹T量電模擬的電機負載系統(tǒng)的動態(tài)結構圖見圖3。圖3中：f(ω)為電機的負載特性；ACR(automatic current regulator)為自動電流調(diào)節(jié)器；UPE為電機及電力電子變換裝置，由于其傳遞函數(shù)的階數(shù)低，因此可以用比例積分(proportional integral,PI)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流達到實時測量扭矩的目的；電樞回路電阻R、電樞電感L、電機轉(zhuǎn)動慣量J、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT、反電動勢系數(shù)KE等電機的技術數(shù)據(jù)可以通過系統(tǒng)辨識的方法獲得。

圖3 電機負載系統(tǒng)的動態(tài)結構圖

電機負載控制系統(tǒng)中ACR的參數(shù)可以根據(jù)文獻[13]給出的方法確定。GCO和傳統(tǒng)的操控系統(tǒng)一致，不同的是目標模型在工作中不發(fā)生變化，因此可以在設計時，在裕度的許可界限內(nèi)把觀測器的帶寬設定為遠大于電流環(huán)的帶寬，但是因為帶寬太大會放大測量信號的噪聲，所以也不能設計得太大。

3 試驗驗證

為了驗證底盤測功機慣量電模擬方法的可行性和準確性，在試驗室的DCG-10E型車輛底盤測功機上，針對質(zhì)量為1 700 kg的某型汽車進行了加速性能試驗和滑行試驗，試驗現(xiàn)場圖如圖4所示。并將試驗結果與底盤測功機原有機械飛輪模擬系統(tǒng)和汽車在道路上運行得到的試驗結果進行了對比。

3.1 加速性能試驗

將被測試汽車驅(qū)動輪置于底盤測功機滾筒上，發(fā)動汽車，逐步換擋至直接擋，車速控制在38～40 km/h 保持勻速行駛至少2 s，當車速達到40 km/h時開始記錄，然后全油門加速到最高車速的90%。記錄被試汽車在對應時間的車速并繪制加速時間曲線，如圖5所示。

圖4 試驗現(xiàn)場圖圖5 質(zhì)量為1700kg某型汽車的加速時間曲線

由圖5可以看出：在采用慣量電模擬系統(tǒng)的底盤測功機上試驗時的加速時間曲線，和汽車道路試驗得到的加速時間曲線很接近，而在原有的機械慣量模擬系統(tǒng)的底盤測功機上試驗得到的加速時間曲線與道路試驗偏差較大。說明本文提出的慣量電模擬方法能夠更加真實地模擬汽車的道路試驗，證明了本文提出的慣量電模擬方法的有效性和合理性。

3.2 滑行試驗

對質(zhì)量為1 700 kg的某型汽車進行50～0 km/h的滑行試驗。將被測試汽車驅(qū)動輪置于底盤測功機滾筒上，發(fā)動汽車并加速到55 km/h時，駕駛員將變速器置于空擋，汽車開始滑行。當車速降至50 km/h時，記錄汽車的滑行距離。為了使試驗更準確，每組試驗分別進行2次，求其平均值，并對試驗結果進行分析和比較，滑行試驗結果見表1。

表1 質(zhì)量為1 700 kg某型汽車滑行試驗結果

從表1可以看出：與在道路上進行的滑行試驗相比，在采用慣量電模擬系統(tǒng)的底盤測功機上進行滑行試驗，滑行距離的相對誤差為1.1%，而在原有機械慣量模擬系統(tǒng)的底盤測功機上進行滑行試驗，滑行距離的相對誤差為5.5%，慣量電模擬系統(tǒng)測試精度比機械慣量模擬系統(tǒng)提高了4.4%。說明本文提出的慣量電模擬方法可以提高底盤測功機測試系統(tǒng)的試驗精度。

4 結論

本文把慣量電模擬系統(tǒng)應用到底盤測功機中，并在底盤測功機上進行了汽車的加速性能試驗和滑行試驗。與原有機械慣量模擬系統(tǒng)相比，底盤測功機的測試精度提高了4.4%，慣量電模擬系統(tǒng)能較好地模擬汽車慣量，表明慣量電模擬系統(tǒng)有一定的實際應用價值。

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國家“十三五”重點研發(fā)計劃基金項目(YFD0701002);拖拉機動力系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金項目(SKT2016014)

周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導師,主要從事車輛新型傳動理論與控制技術等方面的研究.

2017-01-06

1672-6871(2017)06-0028-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.06.006

U270.7

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