汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺控制系統(tǒng)建模及仿真分析

劉鐵軍， 張邦成， 王占禮， 龐在祥

（1.長春工業(yè)大學機電工程學院，吉林長春 130012; 2.空軍航空大學飛行基礎(chǔ)訓練基地，吉林長春 130022）

0 引 言

汽車傳動系是由離合器、變速箱、傳動軸、半軸及驅(qū)動橋組成，是汽車的整個動力系統(tǒng)的主要組成部分[1]。傳動系作用是將發(fā)動機的動力傳送到車輪，通過它與發(fā)動機的協(xié)調(diào)運動，驅(qū)動車輪實現(xiàn)汽車的平穩(wěn)安全行駛。汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺是完成汽車傳動系性能檢測的臺架試驗設(shè)備，能夠較全面、準確地檢測傳動系零部件的耐沖擊性能及其相關(guān)特性，快速地判斷其質(zhì)量的優(yōu)劣，為汽車生產(chǎn)廠家的選擇提供依據(jù)。同時，通過試驗獲取大量數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行處理與分析，可以快速為傳動系的機理分析、優(yōu)化設(shè)計及與發(fā)動機合理匹配提供可靠數(shù)據(jù)，縮短傳動系的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本;提供傳動系及其部件的失效時間，指導用戶及時更換相關(guān)部件，減少故障的發(fā)生，消除或降低其帶來的安全隱患[2]。在保證其可靠性的基礎(chǔ)上，降低傳動系的重量，降低生產(chǎn)成本和油耗，達到節(jié)能減排的目的，提高了國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)的競爭力，汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺的研制具有重要指導意義。在國外，日本的AUTOMAX公司曾經(jīng)為尼桑開發(fā)過該試驗設(shè)備。美國福特車橋試驗方法包含汽車傳動系沖擊性能試驗。國外的汽車傳動系性能檢測設(shè)備及測試方法成熟，但其價格昂貴;國內(nèi)汽車傳動系性能檢測設(shè)備部分實現(xiàn)了自動化，但是技術(shù)還不成熟，檢測精度、可靠性與自動化程度低。

文中在深入研究國內(nèi)外汽車傳動系性能檢測設(shè)備基礎(chǔ)上，建立了汽車傳動系耐久性試驗臺控制系統(tǒng)模型，并采用PID進行控制[3]，應(yīng)用Simulink對控制系統(tǒng)模型進行仿真分析。

1 試驗臺工作原理和控制系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 試驗臺結(jié)構(gòu)和工作原理

研制的傳動系沖擊耐久試驗臺是檢測與分析汽車在高負載情況下，突接離合器起步、加速、換檔、緊急制動過程中傳動系和零部件受到的沖擊扭矩作用情況的設(shè)備。采用直流電機與慣性飛輪組相配合模擬汽車高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機突然接合離合器起步工況和不踏下離合器踏板的緊急制動工況。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺臺架結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 試驗臺控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺的控制與檢測系統(tǒng)要求準確快速對電動機及其連接的慣性飛輪組的扭矩進行自動控制，對轉(zhuǎn)速、扭矩進行高精度測量，并反饋、處理速度、扭矩信號，控制系統(tǒng)性能要求較高。為滿足試驗臺控制與檢測系統(tǒng)性能要求，采用工控機+PLC進行控制，這種組成結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)配置靈活，能夠滿足復雜的控制要求，并且具有較高的性價比。

2 試驗臺控制系統(tǒng)建模

2.1 控制系統(tǒng)總體模型

汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺控制系統(tǒng)主要是控制直流電動機慣性飛輪組，使慣性飛輪組達到試驗所要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。根據(jù)分析出來的汽車實際工況載荷譜對試驗臺進行速度和轉(zhuǎn)矩給定，使試驗臺的慣性系統(tǒng)模擬汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。為實現(xiàn)汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺精確、快速控制，采用雙閉環(huán)試驗臺控制方案，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

它由兩個閉環(huán)系統(tǒng)組成:速度閉環(huán)和電流閉環(huán)系統(tǒng)。

試驗臺的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)輸入速度信號由可控硅整流裝置對電動機進行供電，控制電動機電樞電流和電壓輸出，使電動機帶動慣性飛輪組按設(shè)定速度轉(zhuǎn)動，當飛輪組達到預(yù)定轉(zhuǎn)速，由速度反饋環(huán)反饋速度信號使電動機斷電空轉(zhuǎn)，利用慣性飛輪組的慣性對試驗臺進行沖擊試驗。

2.2 可控硅整流裝置

可控硅觸發(fā)整流裝置環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct，輸出量是理想空載整流電壓Ud0[4]。如果把它們之間的放大系數(shù)Ks看成是常數(shù)，則可控硅觸發(fā)整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由可控硅裝置的失控時間Ts引起的。考慮到Ts很小，則可控硅觸發(fā)整流裝置的傳遞函數(shù)可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

2.3 直流電動機與慣性飛輪組系統(tǒng)

直流電動機和慣性飛輪組組成的慣性質(zhì)量系統(tǒng)，其主要功能是模擬發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量，并將動力傳遞給被試的汽車傳動系。直流電動機與慣性飛輪組之間的拖動利用窄V帶對慣性飛輪組進行增速。

電樞回路的電壓平衡方程式為:

將T0看成負載的一部分，則有:

式中:Ud0（t）——輸入理想空載整流電壓;

Id（t）——Ud0（t）在電樞回路中產(chǎn)生電樞電流;

R——電樞回路電阻;

L——電樞回路電感;

GD2——飛輪矩;

E——電動機反電動勢;

Te——勵磁轉(zhuǎn)矩;

Ce——電機額定勵磁下電動勢轉(zhuǎn)速比;

Cm——電機額定勵磁下轉(zhuǎn)矩電流比;

TL——動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

將式（1）～式（3）代入式（4）整理得:

Tm——電機及機電時間常數(shù)，Tm=

在工程應(yīng)用中電樞電感L較小，可忽略不計，式（5）可簡化為:

由以上各式可知:

在零初始條件下，分別取式（7）和式（8）的拉式變換，得電樞電壓和電流之間的傳遞函數(shù):

電樞電流和電動勢之間的傳遞函數(shù)為:

2.4 速度控制器和電流控制器建模

為了使轉(zhuǎn)速和電流滿足控制要求，設(shè)置電流負反饋和轉(zhuǎn)速負反饋的雙閉環(huán)的串級調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，繪出雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖[5]，如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中:Ks，Ts——觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和時間常數(shù);

GD2——電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電動機軸上的總飛輪慣量[6];

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電動機、晶閘管整流器及其觸發(fā)電路都可按負載的工藝要求來選擇和設(shè)計，轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算得到，所剩下的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)則應(yīng)在滿足穩(wěn)態(tài)精度的前提下，按照動態(tài)的方法確定。對于多環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)先設(shè)計內(nèi)環(huán)，后設(shè)計外環(huán)。即先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)當作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器采用最常用的PID控制。

采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較令人滿意的效果。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用，電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而在突然加控制作用時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好，典型模擬PID的典型Ⅰ系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但其抗干擾性能相對較差[7]，從這個角度出發(fā)，把電流環(huán)校正成典型Ⅰ系統(tǒng)，起動時保證獲得允許的最大電流（或力矩）。外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)在調(diào)節(jié)過程中起到快速的安全保護作用，典型Ⅱ系統(tǒng)抗干擾性能卻比較好，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該校正成典型Ⅱ系統(tǒng)，對于負載的變化也能夠起到抗干擾的作用。設(shè)計過程中，在滿足穩(wěn)態(tài)精度的前提下，按照動態(tài)的方法確定轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)當作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

3 電流控制與轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)在 Simulink環(huán)境下性能仿真分析

3.1 電流環(huán)系統(tǒng)仿真

Simulink環(huán)境汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺測控系統(tǒng)電流環(huán)仿真模型如圖4所示。

圖4 電流環(huán)仿真模型

該系統(tǒng)由電流PID控制器、可控硅裝置、電機電樞、零階保持器組成[8-9]。

電流環(huán)控制器的仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電流環(huán)控制系統(tǒng)的超調(diào)量為4.788 79%，峰值時間為0.169 90 s，5%誤差帶調(diào)節(jié)時間為0.380 87 s，控制性能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖5 電流環(huán)控制器的仿真結(jié)果

3.2 速度環(huán)系統(tǒng)仿真

速度環(huán)系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真模型如圖6所示。

圖6 速度環(huán)系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真模型

該控制系統(tǒng)包含電流控制器、轉(zhuǎn)速控制器、直流電動機慣性質(zhì)量系統(tǒng)、零階保持器等環(huán)節(jié)。系統(tǒng)速度的給定輸入由試驗臺要求輸入3 000 r/min，系統(tǒng)的響應(yīng)為試驗臺所需轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速控制器的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速控制器的仿真結(jié)果圖

該系統(tǒng)反映的是試驗臺慣性質(zhì)量系統(tǒng)的慣性矩GD2=2.827 5 kg?m2情況下的響應(yīng)。從仿真結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速控制的超調(diào)量為3.048 44%，峰值時間為1.708 16 s，2%誤差帶調(diào)節(jié)時間為1.466 33 s。

4 結(jié) 語

汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺控制系統(tǒng)要求能夠較全面、準確、快速地檢測傳動系零部件的耐沖擊性能及其相關(guān)特性，為汽車生產(chǎn)廠家判斷其質(zhì)量的優(yōu)劣提供依據(jù)。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，文中采用基于PID方法電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并將建立的控制系統(tǒng)模型在Simulink環(huán)境下進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在給定階躍輸入的情況下，具有較好的跟隨性能，能夠滿足汽車傳動系試驗臺的控制性能技術(shù)指標要求。控制系統(tǒng)的開發(fā)為汽車傳動系沖擊耐久性試驗臺實現(xiàn)汽車傳動系零部件性能的檢測奠定基礎(chǔ)，為傳動系的機理分析、優(yōu)化設(shè)計及與發(fā)動機合理匹配提供可靠數(shù)據(jù)，為傳動系檢測設(shè)備生產(chǎn)廠家開發(fā)傳動系檢測設(shè)備控制系統(tǒng)提供參考。

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