【关键词】底盘测功机,检测控制系统,电涡流机
【论文摘要】多功能汽车底盘测功机实现了不同工况不同负载下动力性能的连续测量并且增加了排放的连续测量功能，对控制系统和控制方法进行了改进，采用经验控制和自适应控制相结合的控制方案。本文在介绍多功能汽车底盘测功机检测控制系统的基础上，阐述了该测功机的测量原理及各种工况下汽车动力性能和排放数据的连续测量、电涡流机控制方法等关键技术，并给出了测量结果分析。
左铭旺1 姚丹亚1 周申生2 夏先扬3（1．清华大学自动化系，北京100084；2．温州江兴汽车轴荷仪器厂；3．四川泰斯特汽车工程有限公司） 1 概述 随着汽车工业的迅猛发展，交通事故及环境污染对人类生命的威胁越来越大，因而汽车检测技术的重要性日益突出出来，各种检测设备也应运而生。作为大型实验设备，汽车底盘测功机可以模拟汽车道路试验的各种工况，完成汽车的经济性试验、动力性试验、排放性能评价与分析、可靠性试验以及与汽车传动系统有关的专项试验。它在汽车试验研究、产品开发和新车及在用车质量检测中是不可或缺的。使用汽车底盘测功机完成汽车试验及各类型的质量检测与通常的道路试验相比具有试验速度快、精度高、费用低、数据稳定、可比性好等优点［1］。 鉴于汽车底盘测功机的以上优点，国内许多厂家先后研制开发了一系列测功机产品，这些产品主要用于检测轴重10 t以下的汽车底盘输出功率，最大吸收功率为150 kW。检测项目主要是：汽车底盘的输出功率、驱动力、车速、加速性能、滑行性能、以及车速表和里程表的准确性等等［2］。 但是国内测功机产品还有许多不完善的地方，亟待解决。例如：汽车在不同工况 、不同负载等状态下，其动力性能不能实现连续测量，控制系统、控制方法比较落后。本文正是针对这些不足，在控制系统、控制方法上进行了改进，实现了不同工况、不同负载的状态下，对汽车动力性能进行准确可靠的连续测量，并且增加了排放的连续测量功能。此外，参照国外先进技术及经验，利用计算机技术对汽车有关传动损耗、滚动阻力、海拔高度、气温等参数进行模拟和修正。2 汽车动力性能及排放测功机检测控制系统多功能汽车底盘测功机(以下简称测功机)是一种新型底盘测功机。该机的测量和控制系统是实现其强大功能的关键设备，其结构参见图2—1。 测功机检测控制系统中的控制微机采用高性能的工业控制计算机，整个测控系统包括计算机、显示器、键盘、鼠标、打印机，输入输出端子板，多功能PC总线接口卡 、可控硅及其控制电路，所有部件全部安装在1．8 m高的标准19寸工业控制柜中。测控系统加上测功机的机械部分（台架）构成了整个测功机。测控系统通过台架上的压力传感器、速度传感器、气动举升机和电涡流机等装置，完成对测功机的测量和控制。 图中多功能PC总线接口板是计算机和测量控制通道的接口设备，现场模拟信号的放大和模数转换、开关量信号的测量都由它完成，该接口卡还能控制多个执行机构的动作，另外该卡还提供了用于频率测量的计数器接口。 在台架上汽车驱动轮带动滚筒转动，滚筒转动经光电解码器产生脉冲输出，接入多功能卡的计数器，测量速度和行驶距离。汽车在台架上行驶时，其驱动能对滚筒的作用力经电涡流机耦合在压力传感器上，由输入通道将信号送入计算机，与速度信号结合可测量汽车的动力性能。在实际测量过程中，实测的速度信号与设定速度比较，根据偏差按一定的算法调整阻力（电涡流机励磁电流），使车速能稳定在给定值，完成恒速条件下各种数据的测量。 测功机的应用软件由测量控制程序、登录程序和数据库服务程序构成，程序设计采用先进的C／S（客户／服务器）设计方法，软件的结构见图2—2。测量控制程序和登录程序是客户端程序，它们与数据库的数据交换是通过数据库服务程序完成，数据库结构对用户是透明的，方便本系统与其他机动车检测设备或管理网络连接。登录程序完成用户对车辆的基本信息、检测项目的初始设定；测量控制程序是该系统的核心程序，其主要功能是完成对硬件信号的测量和控制、按登录程序设定的检测要求完成各项检测任务，另外该程序还提供参数设定、检测结果查询、打印等辅助功能。 3 底盘测功机测量基本原理 底盘测功机的测量参数一般有牵引力、速度、距离等。下面分别介绍它们的测量原理。 (1)功率测量原理 电涡流测功器由转子和定子两部分组成，转子与定子间的制动力矩可由摆动的定子经测力臂传给测力传感器。当测功车速为定值时，驱动轮上的功率可按下式计算： 式中：F—牵引力，N；V—车速，km／h。 (2)速度测量原理 试验台在进行测功、加速、制动试验时都需要准确的得到测试时刻的车速，并要求能连续测量。光电测量是测量车速的常用方法，其基本原理如下：在驱动滚筒轴上装有光电盘，驱动滚筒每旋转一周能发出600个脉冲，而驱动滚筒的圆周长是1 m，若每秒记录的脉冲数为n，则速度计算公式如下： (3)距离测量原理 汽车的加速距离、滑行距离和制动距离的测量有很多类似之处，也是通过对驱动滚筒上的光电脉冲计数器来完成，对上述的脉冲传感器而言，每个脉冲的距离是1／600 m，通过计量脉冲数即可得到距离。4 多功能汽车底盘测功机关键技术4.1 电涡流机的控制技术 电涡流机又称电涡流测功器，是基于涡流电流（物理学上也称傅科电流）进行工作的设备。它由定子和转子两部分组成。定子部分包括定子架和装在上面的励磁线圈 。定子框架周围有孔，励磁线圈装在孔内。定子框架中心部分轮毂，借助两个滚动轴承支撑在转子轴上。转子部分包括转子轴和固定在该轴上的两个转子，两个转子分别位于定子部分的两端，转子轴可以被外力带动而自由转动。转子的内侧端面与定子的端面保持很小的间隙，该间隙电磁学上称为气隙。该转子的内侧面是十分光滑的平面，涡流电流就产生在这个光滑平面上［5］。 电涡流机的励磁绕组通入电流时，磁通经定子、涡流环、气隙、转子构成闭合磁路。当汽车驱动轮带动滚筒及电涡流机转子旋转时，由于磁通密度发生变化使转子表面产生涡流电流，该涡流电流与磁场相互作用，产生反向制动力矩，使定子绕主轴轴线摆动。该制动力矩通过杠杆传递给压力传感器，由压力传感器给出相应的电信号,经计算处理后，可得出汽车瞬时的动力参数。调节励磁电流大小，即可改变电涡流机的制动力矩，同时相应改变汽车车速，不断变化的励磁电流与车速形成闭合环，并最终实现恒速或恒力下的功率测量。 从图中可以看出电涡流机具有最大的速度和载荷范围。此外它体积小，造价低,更适合于操纵自动化。交流电机（异步电机）具有最小的速度（800～1500r／min）和载荷范围，稳定性较差，小负荷具有很硬的特性。直流电机制动装置具有很高的使用性能，操作方便，工况稳定，过渡简易且平稳，但它的试验台造价高，低速制动扭矩小 ，因而限制了应用。 本系统之所以选择电涡流机作为加载装置，是由于它的外特性及造价、可靠性、测量精度决定的。图4—1列出几种基本加载装置特征。 1—电涡流测功器；2—直流电机；3—水力测功器；4—交流电机； 目前，国产涡流机大部分为水力测功机，少量几种电涡流机也主要为水冷式的,易漏水，导致轴承机件锈蚀，容易漏磁，恒速控制精度差，且体积重量大，需要一套供水冷却循环系统及涡流机内部润滑系统，使用很不方便，在我国北方，冬季尤为不适用。更为重要的是，国产水力电涡流机几乎全部用于发动机功率测量的高转速功率吸收装置（最大功率吸收范围1500～4000 r／min），不适用于汽车底盘测功，后者最大功率吸收范围为500～1000 r／min。国际上专门生产这种低转速，大扭矩电涡流机只有西班牙的FRENELSA公司和法国的TELMA公司，他们的产品结构为风冷式。 由于测功机的扭矩和功率测量对速度和载荷范围要求要大，在考虑造价、可靠性 、测量精度的情况下我们选择了FRENELSA公司的F16—160型风冷16组电涡流机，其最大扭矩吸收转速为750 r／min，涡流机电压为DC96V，电流为35A，最大吸收扭矩为160 kg。该涡流机恒速精度高，体积重量小，结构简单，操作方便，勿需冷却水，且内置160℃热电偶，可在过热时自动断电，避免涡流机被烧坏。4.2 汽车的恒速控制技术 电涡流机的恒速控制是测功机测试精度的关键因素之一，国内大部分测功机未真正解决好这一问题。按标准规定，恒速精度应达到±2 km／h（如中国GB86—94），但由于机械系统运动惯量较大，且不同车型惯量不同，同时，存在失控死区、非线性、滞后反应等调速反馈方面的难度，使得恒速控制成为设计中的重点之一。 目前，我们通过几种途径予以解决，一是尽量采用直接传动，减小失控死区及滞后反应，同时采用数字调速和自适应控制等解决不同转动惯量的影响。此外，大转速及电流两个闭环中采用不同的采样频率以便有效的控制涡流机动态及反馈电流。测试证明可以稳定达到±0．5 km／h，是标准的1／4。 控制过程如下：汽车在开始加速时，由于运行速度与设定速度相差较大，采用经验控制算法即按一定的规律逐步增加阻力；一旦汽车运行速度接近设定速度，自适应控制开始工作。因为在启动阶段，使运行速度尽快接近设定速度是首要目的，而最后以何种方式稳定在设定速度则不在考虑之内，经验控制是简单易行且效果很好的控制方式。在运行速度接近设定速度之后，速度的稳定成为唯一目的，此时经验控制就无能为力了。汽车的实际运行工况十分复杂，其速度变化规律难以预测，因而任何预先设定参数的控制形式都不可能一直发挥最佳控制作用，其效果的优劣随运行工况而不断变化。自适应控制正是为适应类似的工况而发展起来的，它能够根据工况而调整控制参数，以实现实时最佳控制。 自适应控制算法以当前速度与设定速度之差和速度变化率两个变量为控制依据,施加阻力。具体算法如下： ΔF＝α1×ΔV＋α2×dV／dt ΔF—施加的阻力变化量； ΔV—当前速度与设定速度之差； dV／dt—速度变化率；α1、α2—控制系数。 对于不同的汽车，不同的设定速度，要达到较好的控制效果，α1和α2的取值是不一样的。自适应控制算法能根据汽车的动态特性和设定速度及其它因素，自动调节α1和α2的取值，以达到恒速的目的。4.3 排放测量 汽车在怠速状态下，不同负载状态下，不同车速状态下以及不同路况的情况下的排放都是不同的，测量到这些数据对于汽车维修保养很重要，但更为重要的是为判断汽车排放是否合格提供依据，为环保检测部门提供精确而丰富的数据材料。本测功机可以配合尾气分析仪在不同工况的条件下进行汽车排放的检测，检测标准完全符合新出台的国家标准（GB14761—1999）。 这里，我们首次在国内采用四气分析仪与测功机连接，并且在功率———扭矩曲线上同时绘制CO、CO2、HC、O2等曲线。由于CO、CO2的采样时间为15s，HC、O2更长达25s，而测功机的电涡流机的响应时间很短，约为0．025s，因此，在控制程序中如何协调二者的差别（既要作到连续采样，又要保证不同废气成份必要的反应时间）十分重要。在反复测试中，我们利用延长稳定点速度、稳定时间来解决这一问题，效果很好。5 测量结果 下面以恒速底盘测功为例，分析一下测量结果。 实验条件：起始速度60 km／h，终止速度80 km／h，速度步长5 km，恒速稳定点为5个。试验车为桑塔那轿车。 在恒速状态下配合尾气分析仪，我们进行了发动机输出功率、轮输出扭矩及功率 、传动损耗功率、CO、CO2、HC、O2等8个参数的测量，并对速度、功率、扭矩进行了实时监控，测量结果如图5—1所示。 在本试验中，轮输出功率与经验数值相符，发动机输出功率为轮输出功率与传动损耗功率之和。轮输出最大功率对应的速度为75 km／h。传动损耗功率是检验汽车驱动功率是否合格的重要参数，它直接关系到汽车的动力性能。6 结束语 多功能汽车底盘测功机是汽车运输维修业、综合性能检测站、环境保护、交通(今后在用车报废将按其动力性能及排放性能而定)等行业所必需的测试设备，具有广阔的市场前景。通过计算机控制电涡流测功器加载实现阻力模拟，可以测量不同的工况下汽车动力性能和环保性能(排放性能)，并具有修正功能，测量数据更接近汽车实际行驶时的数据。本测功机通过自适应控制算法控制车速，提高了汽车的恒速稳定性，并且实现了动力性能和环保性能的连续测量。 尽管如此，本测功机还存在有待改进的问题： (1)根据14761—1999《汽车污染物排放限值及其测试方法》，本测功机提供了3种循环下的多工况排放测量，但目前该标准暂未在用车中强制应用，因此应给用户预留一可自由编程的接口。 (2)关于传动系统损耗功率的测定，目前除了采用电机反拖的方法之外，尚未找到其它更为简单、精确的方法。本测功机采用主机惯量反拖法，经多次试验，找到了一个较好的加载电流值（约为1～2 A），测试值接近理论值（即传动损耗功率约为底盘输出功率的8%～10%）。实际上，德国的MAHA公司及西班牙的MANRESA公司都采用类似方法，因此，测出的传动损耗功率均为近似值，要测出精确的传动损耗功率值，尚需继续探索。
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