高動(dòng)態(tài)輪端扭矩試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

李榮富　劉啟安

摘 要：通過(guò)需求和理論分析，得出達(dá)到高動(dòng)態(tài)輪端扭力響應(yīng)的設(shè)備方案。從而使動(dòng)力總成整車(chē)路試轉(zhuǎn)移到臺(tái)架進(jìn)行成為可能，這將可以減少道路試驗(yàn)的數(shù)量，縮短驗(yàn)證的時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成 臺(tái)架 高動(dòng)態(tài) 變頻器 輪端扭矩

1 引言

動(dòng)力總成是汽車(chē)的核心部件，起到產(chǎn)生動(dòng)力，傳遞動(dòng)力的作用，使車(chē)輛得以運(yùn)行。動(dòng)力總成的開(kāi)發(fā)質(zhì)量也是整個(gè)汽車(chē)行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。因此，圍繞動(dòng)力總成的驗(yàn)證也得到格外重視。動(dòng)力總成又可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器兩大部件，這兩大部件的臺(tái)架試驗(yàn)都已經(jīng)比較成熟，試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。但是動(dòng)力總成的臺(tái)架試驗(yàn)還比較單一，常常是通過(guò)動(dòng)力總成整車(chē)路試來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，整車(chē)路試又受到時(shí)間、試驗(yàn)場(chǎng)地、人員、天氣等條件的限制，不能及時(shí)的、快速的進(jìn)行試驗(yàn)。雖然常規(guī)的動(dòng)力總成臺(tái)架已經(jīng)是比較成熟的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)路譜的導(dǎo)入及測(cè)試，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)的輪端響應(yīng)。為了能高效的進(jìn)行動(dòng)力總成試驗(yàn)，我們將研究在臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)路試工況，特別是輪端扭矩工況的可行性。

2 系統(tǒng)組成

高動(dòng)態(tài)輪端扭矩試驗(yàn)臺(tái)與常規(guī)的動(dòng)力總成臺(tái)架結(jié)構(gòu)一致，包括測(cè)控系統(tǒng)，測(cè)功機(jī)系統(tǒng)，數(shù)采系統(tǒng)，以及輔助系統(tǒng)（圖1）。

3 技術(shù)方案

本臺(tái)架的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)輪端扭矩的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而在測(cè)功機(jī)扭矩控制系統(tǒng)中，扭矩控制的方式如下：工控機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出扭矩目標(biāo)指令，變頻系統(tǒng)DCU根據(jù)指令控制逆變器PWM占空比，從而改變電機(jī)線圈電流，線圈磁通量發(fā)生變化，達(dá)到改變輸出扭矩的目標(biāo);同時(shí)輸出軸扭矩法蘭采集實(shí)際扭矩值進(jìn)行反饋，PID控制器根據(jù)反饋進(jìn)行調(diào)整，從而形成閉環(huán)控制。這樣的控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)輪端扭矩的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，需要在測(cè)控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)三個(gè)方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)提升，本文主要對(duì)這幾個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行描述。

3.1 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)即“測(cè)量”+“控制”的系統(tǒng)，依據(jù)被控對(duì)象被控參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，按照人們預(yù)期的目標(biāo)對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。主要包含四個(gè)部分：信息測(cè)量、信息處理、信息傳輸、信息控制。

同時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)該具備自動(dòng)極性判斷、自動(dòng)量程切換、自動(dòng)報(bào)警、過(guò)載保護(hù)、非線性補(bǔ)償、多功能測(cè)試和自動(dòng)巡回檢測(cè)等功能。當(dāng)前的測(cè)控系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)及軟件為核心，可以方便的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)算和功能。隨著計(jì)算機(jī)主頻的快速提升和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及各種在線自診斷、自校準(zhǔn)和決策等快速測(cè)控算法的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性大幅度提高，從而為現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)在高速、遠(yuǎn)程以至于超實(shí)時(shí)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為了方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用可視化圖形編程軟件，以及圖像圖形化的結(jié)合、以及三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

隨著現(xiàn)今被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，變速器和動(dòng)力總成復(fù)雜性提高，對(duì)自控系統(tǒng)提出了更高要求，例如數(shù)據(jù)處理階段的高數(shù)據(jù)流，更高的系統(tǒng)同步要求，深度結(jié)合測(cè)量設(shè)備和高性能接口到ECU/TCU，以及不可信數(shù)據(jù)識(shí)別等以避免重復(fù)測(cè)試和縮短測(cè)試時(shí)間。

因此，本試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)需要考慮以下主要功能模塊：

用戶管理及登錄模塊，控制參數(shù)設(shè)置模塊;PID參數(shù)設(shè)置模塊;實(shí)時(shí)曲線設(shè)置模塊;

集成CAN_DBC支持程序，滿足用戶隨意導(dǎo)入DBC文件，并對(duì)DBC文件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，保存，記錄等功能;常規(guī)控制功能：起動(dòng)、停車(chē)、復(fù)位等功能、常規(guī)運(yùn)行參數(shù)手動(dòng)輸入、手動(dòng)旋鈕控制等點(diǎn)動(dòng)功能;程控文件的編輯和運(yùn)行，隨意設(shè)置運(yùn)行各步驟的過(guò)渡時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、扭矩、轉(zhuǎn)速等控制參數(shù);系統(tǒng)必須是開(kāi)放式的，可接入符合主流通訊協(xié)議的各種測(cè)量?jī)x器;數(shù)據(jù)處理及報(bào)表輸出模塊等。

考慮到工況控制要求實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，快速工況運(yùn)算，實(shí)時(shí)輸出控制量。測(cè)控系統(tǒng)可以考慮選用NI嵌入式實(shí)時(shí)控制器CRI0，具有高精度計(jì)時(shí)、多級(jí)中斷機(jī)制、良好的實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制等特點(diǎn)，控制系統(tǒng)響應(yīng)可達(dá)到1ms。

控制軟件采用基于NI Labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)，配合實(shí)時(shí)控制器CRI0，可實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)運(yùn)算和控制能力。

數(shù)據(jù)采集采用IN高速采集模塊，配合Labview-CRI0實(shí)時(shí)控制器，可實(shí)現(xiàn)500KHz采集頻率，滿足高頻扭矩抖動(dòng)實(shí)時(shí)采集要求。

3.2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

測(cè)功電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器將控制器產(chǎn)生的弱電指令信號(hào)放大到電機(jī)運(yùn)行所需要的高壓、大電流等級(jí)。它由電源模塊、加載電機(jī)逆變模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變模塊等組成。測(cè)功機(jī)與380V、50Hz交流電網(wǎng)相接，經(jīng)斷路器、主接觸器、網(wǎng)側(cè)電抗器、回饋用自藕變壓器接入電源模塊（整流/回饋單元），然后通過(guò)公共的直流母線，經(jīng)逆變模塊（逆變/整流單元）向下與電機(jī)聯(lián)接。

對(duì)于動(dòng)力總成測(cè)試設(shè)備，測(cè)功機(jī)的控制方式通常有兩種：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。兩種控制的原理、特點(diǎn)見(jiàn)表1：

本臺(tái)架對(duì)扭矩的響應(yīng)要求比較高，經(jīng)過(guò)測(cè)試，矢量控制方式的扭矩響應(yīng)結(jié)果不太理想。在此，我們考慮采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的控制方式，該控制方式免去了矢量變化的復(fù)雜計(jì)算，不需要通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;同時(shí)該控制方式可直接對(duì)電機(jī)磁通量和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理器與電機(jī)軟件模型相結(jié)合，可以使電機(jī)的狀態(tài)每秒鐘更新數(shù)萬(wàn)次。由于電機(jī)狀態(tài)以及實(shí)際值和給定值的比較被不斷的更新，逆變器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的。這意味著傳動(dòng)可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。，得到較好的扭矩響應(yīng)時(shí)間?？梢钥紤]使用ABB C880系列變頻器，該系列變頻器將DTC技術(shù)和模糊控制理論合二為一，是一款高性能的變頻器調(diào)速產(chǎn)品，可達(dá)到扭矩響應(yīng)≤5ms，同時(shí)為滿足扭矩響應(yīng)速率，變頻器功率應(yīng)該適當(dāng)選大一些。同時(shí)使用ABB的控制系統(tǒng)，無(wú)需其他附加軟件，即可支持感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、同步磁阻電機(jī)和感應(yīng)伺服電機(jī)。

測(cè)功機(jī)的控制還有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種形式，通常是采用PLC或者PID控制器實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，但這種方式從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)微積分處理用時(shí)>50ms，無(wú)法跟上扭矩直接控制系統(tǒng)，在高頻波動(dòng)的工況下容易出現(xiàn)過(guò)沖和波動(dòng)，不利于實(shí)現(xiàn)高頻波動(dòng)輪端扭矩工況。因此，在進(jìn)行高動(dòng)態(tài)扭矩工況時(shí)應(yīng)選用開(kāi)環(huán)控制方式，其他動(dòng)力總成試驗(yàn)時(shí)選擇閉環(huán)控制。

3.3 測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

本設(shè)備需要配置兩臺(tái)測(cè)功機(jī)，用以模擬車(chē)輪負(fù)載，提供輪端扭矩。由于試驗(yàn)臺(tái)需要具備高的響應(yīng)特性，加載測(cè)功機(jī)應(yīng)選用低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電機(jī)，電機(jī)的模擬或真實(shí)慣量可調(diào)，具備模擬駕駛員和整車(chē)典型工況以及道路路譜的功能。能夠根據(jù)臺(tái)架控制系統(tǒng)輸入的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、油門(mén)踏板、油門(mén)變化率、制動(dòng)踏板、制動(dòng)踏板變化率、巡航模擬等模擬駕駛員的信號(hào)，以及根據(jù)輸入的車(chē)重、車(chē)速、變速器速比、主減速比、傳動(dòng)效率、迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)、輪胎半徑、坡度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力、制動(dòng)阻力等整車(chē)參數(shù)的模擬。

根據(jù)測(cè)試樣件的參數(shù)，我們選用的電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2：

測(cè)功機(jī)還應(yīng)配備高精度的增量式編碼器，以便快速、精確地識(shí)別電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)數(shù)。同時(shí)還要配備高精度且動(dòng)態(tài)響應(yīng)高的扭矩傳感器，與測(cè)功機(jī)的輸出軸端相連。扭矩傳感器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償能力，在溫度測(cè)量范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)扭矩測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以使用NI CDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)：1、高性能I/O，可以滿足各種傳感器信號(hào)調(diào)理的要求;2、靈活配置多種通道模塊可以用于溫度、電阻、電壓、電流、加速度、噪聲、頻率等各種傳感器;3、先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使用NI信號(hào)流和NI先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)TDMS二進(jìn)制文件格式，通過(guò)同一總線讀寫(xiě)更多數(shù)據(jù);4、可以方便的利用Labview的圖形化軟件，對(duì)所有模塊進(jìn)行監(jiān)控。

4 輔助系統(tǒng)

本設(shè)備除了上述的幾個(gè)系統(tǒng)外還包含臺(tái)架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、變速箱機(jī)油溫控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)等維持動(dòng)力總成正常運(yùn)行的輔助系統(tǒng)。這些輔助系統(tǒng)對(duì)整個(gè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)較大影響，且常規(guī)動(dòng)力總成臺(tái)架已比較成熟，在此不作詳細(xì)描述。

5 結(jié)束語(yǔ)

理論上采用以上方案，整個(gè)系統(tǒng)扭矩響應(yīng)時(shí)間約為20ms，實(shí)際響應(yīng)時(shí)間還跟系統(tǒng)集成、調(diào)校有關(guān)系。由于不同的道路和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生不同的輪端扭矩，因此本方案并不能解決所有的高動(dòng)態(tài)輪端扭矩模擬的問(wèn)題。