基于直流母線的變速器試驗臺電封閉系統(tǒng)設(shè)計

馬渝翔，張向慧，吳哲

（1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.機(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

基于直流母線的變速器試驗臺電封閉系統(tǒng)設(shè)計

馬渝翔1，2，張向慧1，吳哲2

（1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.機(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對設(shè)備質(zhì)量有直接影響。汽車變速器試驗臺是對減速器關(guān)鍵性能進(jìn)行測試的試驗裝備，公共直流母線電封閉系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)成為試驗臺電封閉方案的重要選擇。基于公共直流母線技術(shù)，采用獨(dú)立整流單元獨(dú)立設(shè)置，提高了系統(tǒng)的冗余度、靈活性和抗過載能力。通過基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)對電封閉反饋率進(jìn)行綜合試驗，反饋率可達(dá)75%，還有進(jìn)一步上升空間，驗證了設(shè)計的可行性。

公共直流母線；電封閉；減速器試驗臺；多傳動系統(tǒng)；虛擬儀器

Abstract:Automobile transmission is an important part of the auto transmission system，has a direct impact on the quality of the project.Auto transmission test-bed is testing key performance test equipment.Public DC-bus electric closed system because of its compact structure，high efficiency，good stability become an important option for the test bench electric closed program.Based on the common DC-bus technology，independent rectifier unit setting was adopted，the redundancy of the system，flexibility and resistance to overload ability were impoved.Based on virtual instrument test system for integrated test of the electric closed response rate，response rate can reach 75%，there is room to rise further，verify the feasibility of the design.

Key words:commonDC-bus；electricalclosed；reducertestbench；multipletransmissionsystem；virtualinstrument

變速箱是汽車傳動系統(tǒng)的重要部分之一，對汽車整體性能至關(guān)重要。汽車變速器試驗臺是工廠下線檢測、實驗室測試、新產(chǎn)品研發(fā)測試的關(guān)鍵設(shè)備。針對變速器試驗臺特別是工廠下線臺每天測試數(shù)量大、測試時間長、使用強(qiáng)度大，特別是進(jìn)行疲勞測試、壽命測試需要長時間連續(xù)運(yùn)行的情況下，電機(jī)反復(fù)啟動、加速、加載，將消耗大量電能。將加載電機(jī)反拖時產(chǎn)生的電能回收利用或反饋電網(wǎng)的電封閉技術(shù)體現(xiàn)出了其獨(dú)特優(yōu)勢，越來越多地運(yùn)用在汽車變速器試驗臺測試系統(tǒng)中。

當(dāng)前應(yīng)用的功率封閉系統(tǒng)主要有：1）液壓式功率流封閉系統(tǒng)；2）機(jī)械式功率流封閉系統(tǒng)；3）電封閉式功率流封閉系統(tǒng)［1］。

液壓式功率封閉系統(tǒng)主要通過電機(jī)和泵，達(dá)到功率封閉，電機(jī)作為動力源，泵和液壓動作件作為加載部件。液壓加載系統(tǒng)響應(yīng)快、負(fù)載高、可以進(jìn)行動態(tài)加載，但是液壓系統(tǒng)需要專用的液壓站及通風(fēng)散熱等配套設(shè)備，系統(tǒng)體積大、占地面積大，因需隨時保壓，對設(shè)備質(zhì)量要求較高，成本較高。

機(jī)械式功率流封閉系統(tǒng)主要利用齒輪傳動裝置將加載的功率回收利用，但機(jī)械式封閉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件較多、需要陪試件、變載荷動態(tài)加載不宜實現(xiàn)，機(jī)械磨損會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響［2］。

電封閉式功率封閉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、控制精度高、可實現(xiàn)動態(tài)在線加載、回收效率高［3］，成為試驗臺、下線臺的重要選擇。

1 電封閉系統(tǒng)

電封閉式封閉系統(tǒng)主要有直流電封閉系統(tǒng)和交流電封閉系統(tǒng)2種。直流電封閉系統(tǒng)因直流電機(jī)其機(jī)械式換向器與電刷等結(jié)構(gòu)缺陷已逐漸被交流電封閉系統(tǒng)所取代。

交流電封閉系統(tǒng)較早采用交流反饋方式，交流反饋方式將加載電機(jī)所回收的電能送回電網(wǎng)達(dá)到能量回收的目的。但交流電反饋系統(tǒng)對系統(tǒng)的同步、同相有較高要求，對設(shè)備要求較高；將電能反饋回電網(wǎng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高以避免對電網(wǎng)造成沖擊，現(xiàn)在工廠與實驗室同電網(wǎng)下掛有較多設(shè)備，對進(jìn)入電網(wǎng)電能有苛刻要求［4］。因此目前交流電封閉系統(tǒng)已逐漸被直流母線式電封閉系統(tǒng)所取代。

共直流母線系統(tǒng)通過整流/回饋單元將電網(wǎng)三相交流電整流為直流電供給公共直流母線，為負(fù)載提供電能，逆變器掛在公共直流母線下將直流電逆變?yōu)榭烧{(diào)交流電用以電機(jī)調(diào)速［5］。公共直流母線多應(yīng)用于多電機(jī)傳動/加載系統(tǒng)中，現(xiàn)在電機(jī)調(diào)速中變頻器運(yùn)用越來越廣泛，公共直流母線技術(shù)與變頻器組網(wǎng)的應(yīng)用越來越重要。

以往共直流母線采用1個共用的獨(dú)立整流器為整個直流母線系統(tǒng)提供能量，各逆變/調(diào)速器掛在直流母線下作為1個整體工作，系統(tǒng)龐大，當(dāng)只需單臺電機(jī)驅(qū)動或單臺加載時需啟動整套系統(tǒng)，閑置設(shè)備也會消耗電能，低強(qiáng)度使用情況下回收效率不高。針對共整流器方案使用不夠靈活、冗余度不高的缺點(diǎn)，設(shè)計了多整流器獨(dú)立供電方案，如圖1所示。

各變頻單元相互獨(dú)立，由于依托公共直流母線既可以由各自整流單元供電，也可從直流母線獲取電能。3套變頻系統(tǒng)可以協(xié)同使用，在有特殊需要時依然可以單獨(dú)使用，大大提高了系統(tǒng)使用的靈活性。多整流單元供電的冗余設(shè)計也提高了系統(tǒng)的可靠性，在任意1套整流單元供電的情況下可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 多整流單元公共直流母線系統(tǒng)Fig.1 Multi-reclifier unit common DC bus system

2 變速器試驗臺直流母線電封閉系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動加載系統(tǒng)由3臺ABB ACS880變頻器控制3臺ABB-BALDOR電機(jī)構(gòu)成，M1電機(jī)39.8 kW，M2與M3電機(jī)31.8 kW［6］，由于變速器中有差速器，差速器會將功率向低阻力方向流動，為了避免差速器兩端由于加載不同步或某臺電機(jī)由于故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失控，故將M1作為主驅(qū)動電機(jī)，M2作為隨動電機(jī)，M3電機(jī)單臺加載。加載時，M3加載同時作為發(fā)電機(jī)回收能量；減速時，M2與M3電機(jī)同時制動回收能量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 直流母線電封閉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 DC bus closed electrical system structure diagram

2.1 DCT控制

DCT即直接轉(zhuǎn)矩控制，其基本原理為通過利用逆變器電壓的開關(guān)不斷調(diào)整電壓狀態(tài)，使電機(jī)的定子磁鏈運(yùn)動近似圓形，通過穿插零電壓矢量來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和變化率，僅通過電流、電壓等容易測量的值來估算轉(zhuǎn)矩。

DCT更是一種控制思想，將轉(zhuǎn)矩作為直接控制核心，以磁場定向與空間矢量分析為方法，對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到直接控制，從而達(dá)到對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的綜合管控。

DCT可以實現(xiàn)電機(jī)低速狀態(tài)下高精度的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制、出色的線性性能，可以達(dá)到“無需傳感器”控制。開環(huán)條件下可獲得±0.1%的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度；配備編碼器的情況下可以達(dá)到±0.01%的速度控制精度。

2.2 能量回收原理

三相異步電機(jī)主要作為電動機(jī)使用，少數(shù)情況下也具備發(fā)電功能，電機(jī)拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式為

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；np為極對數(shù)。

由式（1）可知，電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式下，電機(jī)加載TL＞Te，電機(jī)被反拖，此時電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te與電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向相反，Te作為加載轉(zhuǎn)矩對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋制動，電流與電機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的有功分量發(fā)生反向，三相異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸出電磁能量。所以當(dāng)三相異步電動機(jī)在反饋制動的情況時，可以將加載能量回收向系統(tǒng)反饋電能［7］。

2.3 直流母線系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)的核心構(gòu)件為3臺ABB ACS880變頻器、3臺ABB-BALDOR專用試驗三相異步電機(jī)、SIMATIC S7-1200可編程邏輯控制器。PLC作為控制核心，采用SIMATIC SM-1232模擬量輸出模塊通過模擬量控制變頻器來控制電機(jī)驅(qū)動與加載。在手動模式下通過SM-1231模擬量采集模塊采集電位器電壓，PLC將電壓通過“電壓值—數(shù)字量—電流值”的轉(zhuǎn)換控制變頻器達(dá)到手動控制電機(jī)的目的。

3臺變頻器分別為1臺ACS880控制驅(qū)動電機(jī)M1，2臺ACS880控制M2與M3。ACS880系列是ABB集團(tuán)最新推出的綜合傳動控制單元，相比舊系列采用了全新的處理器、全新的IGBT、全新的模型、更大的存儲器，尤其在電機(jī)建模、用戶自定義模型功能方面更加完善。同上一代ACS800傳動單元相比，開關(guān)頻率快了4倍、處理器速度快了2倍、給定響應(yīng)速度快了多達(dá)6倍。根據(jù)ABB內(nèi)部測試數(shù)據(jù)顯示，在處于極端情況下、無編碼器、開環(huán)情況下啟動轉(zhuǎn)矩精度更高，在電機(jī)低轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)矩輸出更加平穩(wěn)。1臺變頻器就可以控制同步電機(jī)、異步電機(jī)、磁阻電機(jī)，最高輸出頻率可達(dá)到500 Hz，支持雙總線，并且ACS880是當(dāng)前同等功率、功能情況下體積最小的傳動單元。傳統(tǒng)的直流母線系統(tǒng)需對電能進(jìn)行多次交流-直流變換，然而在變頻器內(nèi)部的整流-逆變過程與外部是相似的，可以充分利用變頻器自身功能將2次轉(zhuǎn)換整合為1次，如圖3所示。利用變頻器內(nèi)部的整流-逆變設(shè)備將第1次整流-逆變過程整合進(jìn)變頻器內(nèi)部，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的集成度。

圖3 直流母線硬件構(gòu)架圖Fig.3 DC bus hardware architecture diagram

直流母排如圖4所示。變頻器從系統(tǒng)動力線獲取電能，電機(jī)回收的電能通過反饋線纜經(jīng)RT18-125熔斷器進(jìn)入直流母線送入變頻器中，各變頻器可從公共直流母線中獲取電能，能量可以彼此利用，只需從電網(wǎng)中獲取少量電能來彌補(bǔ)由傳動效率和摩擦力造成的動力損失。并在公共直流母線上設(shè)置制動電阻柜防止緊急制動、速度突變時出現(xiàn)系統(tǒng)過壓。

圖4 直流母排示意圖Fig.4 Schematic diagram of DC busbar

這種設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、回收效率高、系統(tǒng)冗余度高，可以很好地應(yīng)對掉電、系統(tǒng)過壓等突發(fā)情況，允許系統(tǒng)頻繁啟停，不會對電網(wǎng)造成沖擊，尤其適合多電機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。

3 直流母線反饋系統(tǒng)測試

3.1 測試原理

為了測試系統(tǒng)回收效率，在系統(tǒng)動力線安裝了互感器來監(jiān)測動力線實時電流、電壓。

式中：P為獲取功率；U為輸入電壓；Id為有功電流。

由式（2）可以計算出系統(tǒng)從電網(wǎng)獲得的電能。

式中：Pd為輸出功率；F為扭力；v為線速度；T為轉(zhuǎn)矩；R為作用半徑；n為每秒轉(zhuǎn)速。

將式（4）、式（5）帶入式（3），可得：

通過轉(zhuǎn)矩傳感器與編碼器可以測量試驗中的轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)速，由式（6）可以計算出電機(jī)在工作狀態(tài)時的實時功率。

3.2 測試軟件

測試軟件采用LabVIEW（laboratory virtual instruction engineering workbench），是由美國NI公司開發(fā)的一種圖形化程序開發(fā)環(huán)境。NI率先提出了“軟件即是儀器”的概念，在采用通用硬件與設(shè)備的基礎(chǔ)上通過軟件完成測量、測試任務(wù)［8］。與C#，VB，VC++相比，LabVIEW容易上手、擴(kuò)展性好、使用靈活。LabVIEW編程語言是一種圖形編程語言，即采取框圖取代文本的編程語言，有別于傳統(tǒng)文本編程語言通過掃描指令和代碼先后的文本順序來決定程序的運(yùn)行順序，LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流的運(yùn)行方式，可以并行運(yùn)行多個程序循環(huán)，充分發(fā)揮計算機(jī)處理器的多線程能力。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范反饋率試驗

通過安裝互感器可以監(jiān)測電網(wǎng)向系統(tǒng)輸入的電流、電壓；通過式（2）可以計算出電網(wǎng)向系統(tǒng)輸入的電能。在M1電機(jī)輸出軸安裝瑞士Kistler的4503A100轉(zhuǎn)矩傳感器，集成編碼器。因為M1是主輸出軸，消耗了絕大部分電能，所以只需監(jiān)測M1的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算就可以。

按照表1所示的試驗規(guī)范進(jìn)行加載試驗，通過PLC采集互感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、編碼器數(shù)據(jù)并傳給上位機(jī)，由基于LabVIEW的上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，可以方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析，還可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便進(jìn)行后續(xù)處理分析。通過將數(shù)據(jù)保存為LabVIEW特有的TDMS格式文件，文件的讀寫速度幾乎可以達(dá)到計算機(jī)內(nèi)部總線的傳輸極限。試驗結(jié)果如圖5所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范Tab.1 Standard test specification

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范結(jié)果Fig.5 Standard test specification results

從圖5中曲線可以方便地獲知總輸入電流、總輸入功率、速度曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、回收功率曲線。由數(shù)據(jù)可以看出，按照表1試驗流程，在試驗啟動時有一個較大的能量輸入，峰值電流達(dá)到56 A，峰值功率達(dá)到21 kW，在每次電機(jī)換向、加速的過程中也會有一個較大能量消耗，速度、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后電能消耗會降低。通過實際輸出功率與輸入功率可以計算出回饋的功率，除了啟動時有一個較大的功率消耗外，當(dāng)加載電機(jī)轉(zhuǎn)速起來后就開始持續(xù)回收電能，在-2 000 r/min勻速時回饋率為50%，3 500 r/min勻速時為60%，在5 000 r/min勻速時為56%，在6 000 r/min時為62%，在加速時反饋率會有一個增長，在由5 000 r/min至6 000 r/min加速的時段，反饋率可達(dá)85%，3 500 r/min至5 000 r/min加速段時可以達(dá)到72.7%，反饋率十分可觀。

3.4 恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩反饋率試驗

為驗證反饋率與速度、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速下變轉(zhuǎn)矩與恒轉(zhuǎn)矩下變轉(zhuǎn)速正交試驗。正交試驗規(guī)范如表2、表3所示。

表2 恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩試驗規(guī)范Tab.2 Specification for constant speed variable torque test

表3 恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速試驗規(guī)范Tab.3 Specification for constant torque variable speed test

在正反恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩情況下，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩試驗Fig.6 Constant speed variable torque test

由圖6可以看出，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，輸入、輸出功率除了在變扭階段有所變化外基本保持穩(wěn)定，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，反饋率由53%增至61%。

在恒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速情況下，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速試驗Fig.7 Constant torque variable speed test

由圖7可以看出，在轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定的情況下，輸入、輸出功率、反饋功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，如表4所示。

表4 恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果Tab.4 Test results of constant torque variable speed

通過以上試驗測試了該汽車變速器共直流母線電封閉系統(tǒng)的實際效果，并且通過正交對比試驗驗證了反饋率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

通過標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范試驗可以看出，反饋系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了實驗?zāi)康?，全流程綜合反饋率為70%左右，但互感器監(jiān)測的是總動力線的電流、電壓值，將試驗臺中液壓站、注油站、回油站所消耗的功率也計算在內(nèi)，如果將這些系統(tǒng)外功率去除的話，系統(tǒng)綜合反饋率為75%左右，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

通過轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速正交試驗研究了反饋率與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。由結(jié)果可以得出結(jié)論：轉(zhuǎn)速是影響反饋率的主要因素，轉(zhuǎn)矩的變化對反饋率影響較小。在劇烈加減速、換向時反饋率可以達(dá)到接近90%的峰值。公共直流母線電封閉系統(tǒng)尤其適合工廠下線臺、疲勞試驗臺、性能測試臺等高強(qiáng)度、長時間、頻繁啟停、頻繁換向變速的場合。

4 結(jié)論

基于公共直流母線的電封閉系統(tǒng)是當(dāng)前效率較高的電封閉系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活度高、安全性好，是工廠下線檢測臺、疲勞臺電封閉系統(tǒng)的重要選擇。

通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范試驗，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速正交試驗驗證了系統(tǒng)設(shè)計的可行性，試驗綜合反饋率可達(dá)到75%左右，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，如再優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高傳動效率，減小損耗，反饋率還有一定的上升空間；采用的多整流單元獨(dú)立設(shè)計，提高了系統(tǒng)的冗余度、靈活性和抗過載能力。目前該套電封閉系統(tǒng)已隨新能源汽車變速器試驗臺一同交付業(yè)主使用，并已通過了現(xiàn)場驗收證明了本套系統(tǒng)設(shè)計的可行性，相較該企業(yè)老式試驗臺，大大提高了設(shè)備性能，為企業(yè)節(jié)省了成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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Design of DC-bus Electric Closed System for Auto Transmission Test-bed

MA Yuxiang1，2，ZHANG Xianghui1，WU Zhe2
（1.College of Mechanical and Material，North China University of Technology，Beijing100144，China；2.China Productivity Center for Machinery，China Academy of Machinery Science&Technology，Beijing100044，China）

TH132.46；TP216

A

10.19457/j.1001-2095.20170915

馬渝翔（1991-），男，碩士研究生，Email：mayuxiang1218@163.com

2016-08-08

修改稿日期：2016-11-10