高動態輪端扭矩試驗臺架的設計

李榮富　劉啟安

摘 要：通過需求和理論分析，得出達到高動態輪端扭力響應的設備方案。從而使動力總成整車路試轉移到臺架進行成為可能，這將可以減少道路試驗的數量，縮短驗證的時間，提高開發效率。

關鍵詞：動力總成 臺架 高動態 變頻器 輪端扭矩

1 引言

動力總成是汽車的核心部件，起到產生動力，傳遞動力的作用，使車輛得以運行。動力總成的開發質量也是整個汽車行業核心競爭力的體現。因此，圍繞動力總成的驗證也得到格外重視。動力總成又可以分為發動機和變速器兩大部件，這兩大部件的臺架試驗都已經比較成熟，試驗的標準有國家標準、企業標準等。但是動力總成的臺架試驗還比較單一，常常是通過動力總成整車路試來進行驗證，整車路試又受到時間、試驗場地、人員、天氣等條件的限制，不能及時的、快速的進行試驗。雖然常規的動力總成臺架已經是比較成熟的設備，可以實現路譜的導入及測試，但是無法實現高動態的輪端響應。為了能高效的進行動力總成試驗，我們將研究在臺架上實現路試工況，特別是輪端扭矩工況的可行性。

2 系統組成

高動態輪端扭矩試驗臺與常規的動力總成臺架結構一致，包括測控系統，測功機系統，數采系統，以及輔助系統（圖1）。

3 技術方案

本臺架的目標是要實現輪端扭矩的高動態響應，而在測功機扭矩控制系統中，扭矩控制的方式如下：工控機控制系統發出扭矩目標指令，變頻系統DCU根據指令控制逆變器PWM占空比，從而改變電機線圈電流，線圈磁通量發生變化，達到改變輸出扭矩的目標;同時輸出軸扭矩法蘭采集實際扭矩值進行反饋，PID控制器根據反饋進行調整，從而形成閉環控制。這樣的控制方式無法實現輪端扭矩的高動態響應。因此，需要在測控系統、變頻系統、閉環系統三個方面進行動態響應提升，本文主要對這幾個系統進行描述。

3.1 測控系統

測控系統即“測量”+“控制”的系統，依據被控對象被控參數的檢測結果，按照人們預期的目標對被控對象實施控制。主要包含四個部分：信息測量、信息處理、信息傳輸、信息控制。

同時，測控系統應該具備自動極性判斷、自動量程切換、自動報警、過載保護、非線性補償、多功能測試和自動巡回檢測等功能。當前的測控系統，以計算機及軟件為核心，可以方便的實現各種復雜運算和功能。隨著計算機主頻的快速提升和電子技術的迅猛發展，以及各種在線自診斷、自校準和決策等快速測控算法的不斷涌現，現代測控系統的實時性大幅度提高，從而為現代測控系統在高速、遠程以至于超實時領域的廣泛應用奠定了堅實基礎。為了方便的實現人機交互，已經開始應用可視化圖形編程軟件，以及圖像圖形化的結合、以及三維虛擬現實技術。

隨著現今被測發動機，變速器和動力總成復雜性提高，對自控系統提出了更高要求，例如數據處理階段的高數據流，更高的系統同步要求，深度結合測量設備和高性能接口到ECU/TCU，以及不可信數據識別等以避免重復測試和縮短測試時間。

因此，本試驗臺測控系統需要考慮以下主要功能模塊：

用戶管理及登錄模塊，控制參數設置模塊;PID參數設置模塊;實時曲線設置模塊;

集成CAN_DBC支持程序，滿足用戶隨意導入DBC文件，并對DBC文件進行數據讀寫，保存，記錄等功能;常規控制功能：起動、停車、復位等功能、常規運行參數手動輸入、手動旋鈕控制等點動功能;程控文件的編輯和運行，隨意設置運行各步驟的過渡時間、運行時間、扭矩、轉速等控制參數;系統必須是開放式的，可接入符合主流通訊協議的各種測量儀器;數據處理及報表輸出模塊等。

考慮到工況控制要求實現高速數據采集，快速工況運算，實時輸出控制量。測控系統可以考慮選用NI嵌入式實時控制器CRI0，具有高精度計時、多級中斷機制、良好的實時調度機制等特點，控制系統響應可達到1ms。

控制軟件采用基于NI Labview平臺開發，配合實時控制器CRI0，可實現高速實時運算和控制能力。

數據采集采用IN高速采集模塊，配合Labview-CRI0實時控制器，可實現500KHz采集頻率，滿足高頻扭矩抖動實時采集要求。

3.2 變頻驅動系統

測功電機的驅動控制由電機驅動系統實現，驅動器將控制器產生的弱電指令信號放大到電機運行所需要的高壓、大電流等級。它由電源模塊、加載電機逆變模塊、驅動電機逆變模塊等組成。測功機與380V、50Hz交流電網相接，經斷路器、主接觸器、網側電抗器、回饋用自藕變壓器接入電源模塊（整流/回饋單元），然后通過公共的直流母線，經逆變模塊（逆變/整流單元）向下與電機聯接。

對于動力總成測試設備，測功機的控制方式通常有兩種：矢量控制和直接轉矩控制（DTC）。兩種控制的原理、特點見表1：

本臺架對扭矩的響應要求比較高，經過測試，矢量控制方式的扭矩響應結果不太理想。在此，我們考慮采用直接轉矩控制（DTC）的控制方式，該控制方式免去了矢量變化的復雜計算，不需要通常的PWM脈寬調制信號發生器，控制結構簡單;同時該控制方式可直接對電機磁通量和轉矩進行控制，通過高速數字信號處理器與電機軟件模型相結合，可以使電機的狀態每秒鐘更新數萬次。由于電機狀態以及實際值和給定值的比較被不斷的更新，逆變器的每一次開關狀態都是單獨確定的。這意味著傳動可以產生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態變化做出快速響應。，得到較好的扭矩響應時間。可以考慮使用ABB C880系列變頻器，該系列變頻器將DTC技術和模糊控制理論合二為一，是一款高性能的變頻器調速產品，可達到扭矩響應≤5ms，同時為滿足扭矩響應速率，變頻器功率應該適當選大一些。同時使用ABB的控制系統，無需其他附加軟件，即可支持感應電機、永磁同步電機、同步磁阻電機和感應伺服電機。

測功機的控制還有開環和閉環兩種形式，通常是采用PLC或者PID控制器實現PID閉環控制，但這種方式從數據采集到數據微積分處理用時>50ms，無法跟上扭矩直接控制系統，在高頻波動的工況下容易出現過沖和波動，不利于實現高頻波動輪端扭矩工況。因此，在進行高動態扭矩工況時應選用開環控制方式，其他動力總成試驗時選擇閉環控制。

3.3 測功機系統

本設備需要配置兩臺測功機，用以模擬車輪負載，提供輪端扭矩。由于試驗臺需要具備高的響應特性，加載測功機應選用低轉動慣量的電機，電機的模擬或真實慣量可調，具備模擬駕駛員和整車典型工況以及道路路譜的功能。能夠根據臺架控制系統輸入的點火開關、油門踏板、油門變化率、制動踏板、制動踏板變化率、巡航模擬等模擬駕駛員的信號，以及根據輸入的車重、車速、變速器速比、主減速比、傳動效率、迎風面積、空氣阻力系數、滾動阻力系數、輪胎半徑、坡度等參數，實現滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力、制動阻力等整車參數的模擬。

根據測試樣件的參數，我們選用的電機參數見表2：

測功機還應配備高精度的增量式編碼器，以便快速、精確地識別電機的轉向及轉數。同時還要配備高精度且動態響應高的扭矩傳感器，與測功機的輸出軸端相連。扭矩傳感器還應具備溫度補償能力，在溫度測量范圍內不會對扭矩測量精度產生影響。

3.4 數據采集系統

數據采集系統可以使用NI CDAQ模塊化數據采集系統，該系統的特點：1、高性能I/O，可以滿足各種傳感器信號調理的要求;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、先進的數據采集技術，使用NI信號流和NI先進的數據采集技術TDMS二進制文件格式，通過同一總線讀寫更多數據;4、可以方便的利用Labview的圖形化軟件，對所有模塊進行監控。

4 輔助系統

本設備除了上述的幾個系統外還包含臺架監控報警系統、變速箱機油溫控系統、發動機冷卻液溫控系統、發動機燃油供給系統等維持動力總成正常運行的輔助系統。這些輔助系統對整個設備的動態響應無較大影響，且常規動力總成臺架已比較成熟，在此不作詳細描述。

5 結束語

理論上采用以上方案，整個系統扭矩響應時間約為20ms，實際響應時間還跟系統集成、調校有關系。由于不同的道路和試驗標準會產生不同的輪端扭矩，因此本方案并不能解決所有的高動態輪端扭矩模擬的問題。