章德平 莫易敏 趙木青

武漢理工大學，武漢，430070

0 引言

對于汽車而言，燃油消耗量大小主要取決于發(fā)動機系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的技術(shù)狀況［1］。驅(qū)動橋位于汽車傳動系統(tǒng)的末端，其基本功用是增大由傳動系統(tǒng)上游部件傳遞過來的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩分配給驅(qū)動橋輸出端兩側(cè)的驅(qū)動車輪，并使驅(qū)動車輪具有汽車行駛所必需的差速功能，同時還要承受各種外來作用力［2］。傳動效率是評價汽車驅(qū)動橋系統(tǒng)工作性能的一項重要指標，對汽車驅(qū)動橋的使用性能乃至整車的燃油經(jīng)濟性都有很大影響。對汽車驅(qū)動橋傳動效率進行準確測量，不僅有利于深入開展驅(qū)動橋的優(yōu)化研究，而且可以為整個傳動系統(tǒng)的動力匹配提供有力的數(shù)據(jù)支持。要進行汽車驅(qū)動橋傳動效率的測試分析，就需要一個具有很強針對性的測試平臺。利用專門的試驗臺架模擬驅(qū)動橋?qū)嶋H工況進行傳動效率測試，具有價格低廉和可控性強等特點，自然成為了汽車驅(qū)動橋傳動效率測試的最理想選擇。

1 試驗臺總體設計

汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗臺的基本原理就是通過分別測量汽車驅(qū)動橋測試樣件的輸入功率和輸出功率，進而根據(jù)相應數(shù)學模型計算出汽車驅(qū)動橋系統(tǒng)的傳動效率。驅(qū)動橋傳動效率測試原理大致如下：以驅(qū)動電機作為動力源對驅(qū)動橋測試樣件進行拖動，驅(qū)動橋測試樣件輸出端兩側(cè)都有一臺加載電機進行模擬加載；驅(qū)動電機和加載電機均可以工作在電動和發(fā)電兩種狀態(tài)，測試過程中驅(qū)動電機以變頻調(diào)速的電動機方式模擬發(fā)動機工作，可以吸收直流母線能量；加載電機吸收驅(qū)動橋測試樣件機械能以發(fā)電機方式模擬工作負載，將機械能轉(zhuǎn)化為電能并通過直流母線反饋給輸入電機，實現(xiàn)能量閉環(huán)。

在驅(qū)動電機與驅(qū)動橋測試樣件輸入端之間設有扭矩法蘭，可以測得輸入扭矩；在加載電機和驅(qū)動橋測試樣件輸出端之間均設置扭矩法蘭，可以測量輸出扭矩；至于輸入端轉(zhuǎn)速和兩側(cè)輸出端轉(zhuǎn)速，由于驅(qū)動電機和加載電機內(nèi)部均自帶旋轉(zhuǎn)編碼器，故可直接獲取。將測得的輸入輸出扭矩參數(shù)、輸入輸出轉(zhuǎn)速參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理就能得到系統(tǒng)輸入功率、輸出功率及傳動效率。汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗臺布置如圖1所示。

圖1 汽車驅(qū)動橋效率試驗臺布置圖

2 測控系統(tǒng)的設計

試驗臺測控系統(tǒng)采用工控機和PLC主從式結(jié)構(gòu)［3］。如圖2所示，工控機作為上位機負責人機交互以及控制信號的產(chǎn)生，PLC作為下位機接收工控機的命令對電機進行控制并定時采集傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，兩者可以通過標準接口進行相互通信，PLC通過通信模塊將系統(tǒng)所需的扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)以信號形式分別發(fā)送給各個異步電機的變頻控制系統(tǒng)，由變頻控制系統(tǒng)改變異步電機的工作特性，各個異步電機工作時的扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)的實時數(shù)據(jù)又會及時地傳遞回PLC，經(jīng)過PLC的分析處理，可以實現(xiàn)與工控機的數(shù)據(jù)交流，進而控制各個電機運行。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 變頻控制系統(tǒng)

所有電機變頻控制均采取直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），由于直接轉(zhuǎn)矩控制沒有采用解耦的方式，所以在算法上并不存在旋轉(zhuǎn)坐標變換，通過簡單檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值進行比較，根據(jù)所得差值就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制［4］。試驗臺所用的交流變頻控制系統(tǒng)為具有明確定義功能和接口的ABB最新一代全數(shù)字變頻器控制裝置ACS800，其最大的優(yōu)點就是采用了通用技術(shù)，具有廣泛的適應性。變頻控制系統(tǒng)可以分成兩個基本部分：轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和速度控制環(huán)。

2.1.1轉(zhuǎn)矩控制環(huán)

異步電機的直流母線電壓和定子電流以及逆變器的開關(guān)狀態(tài)由相應檢測單元進行檢測之后，相應信息流入自適應電機模型。在DTC傳動運行之前，自適應電機模型在電機辨識的過程中收集數(shù)據(jù)，這個過程被稱為自動辨識。通過自動辨識過程，電機模型可以進行精確計算并輸出描述電機實際轉(zhuǎn)矩和磁通狀態(tài)的控制信號，同時也輸出電機軸的轉(zhuǎn)速［5］。描述電機實際轉(zhuǎn)矩和磁通狀態(tài)的控制信號進入比較器后每隔25ms就與給定值進行一次比較，通過計算得出的轉(zhuǎn)矩和磁通狀態(tài)信號隨即被輸送到優(yōu)化脈沖選擇器，優(yōu)化脈沖選擇器內(nèi)部使用的數(shù)字信號處理器與專用集成電路硬件一起來確定逆變器的開關(guān)邏輯。轉(zhuǎn)矩控制框圖見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)矩控制框圖

為獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩波動被限制在一定的容差范圍內(nèi)，所有控制信號通過高速光纖來傳輸，極大地提高了處理速度，每隔25ms逆變器的半導體開關(guān)裝置收到一個脈沖來控制功率器件的通斷或保持，以保證電機轉(zhuǎn)矩的精確性。

2.1.2速度控制環(huán)

轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能直接影響速度控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能［6］。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通常是由速度控制器根據(jù)給定速度與實際速度的偏差產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩信號，實際速度通常是借助速度傳感器來獲取的，但系統(tǒng)引入速度傳感器增加了系統(tǒng)的復雜性及成本，因此無速度傳感器技術(shù)就成為一種更理想的選擇。本試驗臺速度控制以自適應理論為基礎，通過選擇合適的參數(shù)自適應律，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)建了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)［7］。

具體速度控制過程如下：在轉(zhuǎn)矩給定控制器的內(nèi)部，速度控制輸出信號為轉(zhuǎn)矩限幅和直流母線電壓所限制；當使用外部轉(zhuǎn)矩信號進行速度控制時，從轉(zhuǎn)矩給定控制器輸出的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定進入轉(zhuǎn)矩比較器；當使用外部轉(zhuǎn)速信號進行速度控制時，外部速度給定信號與電機模型輸出的實際速度進行比較，偏差信號進入PID調(diào)節(jié)器和加速補償器，速度控制器的輸出為PID調(diào)節(jié)器輸出值和加速補償器輸出值之和。速度控制框圖見圖4。

圖4 速度控制框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗過程中對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行持續(xù)采集是試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務［8］。采集任務是由布置在相關(guān)位置的各種傳感器實現(xiàn)的，通過這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到PLC上，再由PLC對收集來的所有數(shù)據(jù)進行處理。

相應傳感器所采集到的扭矩或轉(zhuǎn)速參數(shù)，通過轉(zhuǎn)換模塊輸入PLC分析處理之后，由通信模塊反饋給變頻控制系統(tǒng)，就可以調(diào)整異步電機的扭矩或轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對扭矩或轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。在測試過程中還需要對潤滑油溫度、橋殼溫度、室溫、大氣壓力、濕度等數(shù)據(jù)等參數(shù)進行監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況及時進行報警。

2.3 電封閉系統(tǒng)

汽車試驗臺大體可分為開放式和封閉式兩大類。開放式試驗臺結(jié)構(gòu)簡單，但其輸入功率除維持系統(tǒng)運轉(zhuǎn)外，其余全部被加載裝置以熱能形式消耗掉，運行成本較高，故不宜進行大功率加載試驗。封閉式試驗臺具有功率回收功能，動力源發(fā)出的功率可以部分反饋回來，具有能耗低的優(yōu)點，因此適合較大功率的長時間運轉(zhuǎn)試驗。

封閉式試驗臺又可以分為機械封閉式和電封閉式兩大類［9］。機械封閉式試驗臺機械結(jié)構(gòu)非常復雜，試驗過程中加載的變化和扭矩的準確控制等功能都不易實現(xiàn)，且試驗性能不夠穩(wěn)定，通用性較差。電封閉式試驗臺在進行加載的同時還可以實現(xiàn)發(fā)電的功能，發(fā)出的電通過閉環(huán)系統(tǒng)提供給電動機或反饋給電網(wǎng)，以降低試驗能耗，電封閉式試驗臺具有能源利用效率高和能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)加載等優(yōu)點。

電封閉式試驗臺又可進一步細分為交流電能反饋式和直流電能反饋式兩類。交流電能反饋式試驗臺通過閉環(huán)系統(tǒng)將電能反饋回電網(wǎng)循環(huán)利用，對電氣設備運行的同步同相要求較高，從而導致電氣設備復雜，工作可靠性差，且容易對公共電網(wǎng)造成污染。直流電能反饋式試驗臺則不存在此問題，電機發(fā)出的電不送回電網(wǎng)，而是送回到電動機，電氣設備簡單，工作可靠性高［10］。

綜合各種因素，本文所設計的試驗臺采用基于直流母線的電封閉結(jié)構(gòu)形式，即將一臺驅(qū)動電機和兩臺加載電機變頻系統(tǒng)的直流母線互聯(lián)，三臺電機可分別工作在電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)兩種模式。當試驗臺進行驅(qū)動橋正向扭矩加載時，驅(qū)動電機工作在電動狀態(tài)，整流單元將電網(wǎng)中送來的交流電轉(zhuǎn)化成直流電供給直流母線，驅(qū)動電機通過逆變器從直流母線上獲取電能驅(qū)動測試橋樣件運轉(zhuǎn)；而此時加載電機工作在發(fā)電狀態(tài)，將驅(qū)動電機經(jīng)測試樣件送來的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并將這部分電能進行逆變回饋至直流母線。由于外部電網(wǎng)到直流母線間的能量傳輸只是單向傳輸，故避免了電機發(fā)電對公共電網(wǎng)造成污染。電封閉系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗臺電封閉系統(tǒng)原理圖

由于采用了采用電封閉結(jié)構(gòu)，故能量可以在上述封閉系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)流動，形成能量封閉系統(tǒng)。在實際測試過程中，由于存在能量損耗，故系統(tǒng)需要從外界補充部分能量來彌補能量損耗。為了防止由于電樞并聯(lián)使發(fā)電機也處于電動狀態(tài)，電動機與發(fā)電機的電樞回路要用單向?qū)ǖ亩O管隔離開。從能量的角度來看，外界只需要供應上述能量循環(huán)過程中由于機械摩擦和電子元件損耗而消耗掉的這部分功率就可以使系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)最大程度地利用能量的目標。

3 軟件結(jié)構(gòu)設計

作為中央監(jiān)控計算機，工控機中安裝了控制軟件，控制軟件界面如圖6所示?？刂栖浖O計是試驗臺控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)設計方案，軟件設計必須兼顧控制功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)總體布局的需要，既要能實現(xiàn)各模塊的控制任務，又要便于實現(xiàn)系統(tǒng)的機電一體化控制。目前控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是豐富軟件功能、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性和智能性，并有利于系統(tǒng)功能的擴展［11］。

汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗臺軟件系統(tǒng)采用VC＋＋作為開發(fā)工具，采用模塊化設計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)設置及數(shù)據(jù)實時顯示等功能，界面直觀，操作便捷。如圖7所示，該軟件系統(tǒng)主要功能模塊如下：

圖6 控制軟件界面圖

圖7 軟件系統(tǒng)功能模塊圖

（5）數(shù)據(jù)處理模塊。對測試得到的扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)進行處理，得到對應的系統(tǒng)效率值。

（6）文件管理模塊。用于對各種圖表、圖形文件的保存、讀取和刪除。

4 試驗臺測試應用

（1）控制參數(shù)輸入模塊。具有開放的載荷譜編輯功能，可按照一定格式設置進行連續(xù)效率測試試驗的一系列包含加載負荷－輸入轉(zhuǎn)速－持續(xù)時間的試驗節(jié)點，即可在自動試驗模式下，按照設定的試驗程序自動完成全部試驗循環(huán)。

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊。將測試過程中扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行記錄并存儲下來，輸出數(shù)據(jù)報表。

（3）數(shù)據(jù)動態(tài)顯示模塊。以實時數(shù)據(jù)或趨勢曲線的形式顯示當前驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速及扭矩、加載電機的轉(zhuǎn)速及扭矩、被測驅(qū)動橋樣件內(nèi)齒輪潤滑油溫度等狀態(tài)信息。

（4）報警監(jiān)控模塊?？稍O定轉(zhuǎn)速、扭矩、油溫、驅(qū)動橋測試樣件安裝基板振動量等試驗參數(shù)的報警上限，對試驗過程中的各項試驗參數(shù)進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時可以按照報警分級處理設置對各種故障狀態(tài)執(zhí)行相應的處理程序。

現(xiàn)以某型號驅(qū)動橋為例，進行該驅(qū)動橋系統(tǒng)傳動效率的測試。

試驗1 保持加載電機的負載為400N·m，將驅(qū)動橋測試樣件輸入轉(zhuǎn)速由300r／min逐漸增大到2700r／min，具體測定結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當加載電機的負載為恒定值時，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，系統(tǒng)功率損失的增大主要來自于攪油功率損失和齒輪嚙合功率損失的同時增大；雖然系統(tǒng)功率損失絕對值是增大的，但系統(tǒng)輸入功率也是增大的且幅度更大，因此系統(tǒng)負載恒定時，驅(qū)動橋的傳動效率隨輸入轉(zhuǎn)速的增大而相應增大。

試驗2 保持測試的輸入轉(zhuǎn)速為2700r／min，將加載電機的負載由100N·m逐漸增大到1kN·m，具體測定結(jié)果見表2。

表1 試驗1測試結(jié)果

表2 試驗2測試結(jié)果

由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當輸入轉(zhuǎn)速為恒定值時，隨著加載電機負載的增大，攪油功率損失基本不變化，系統(tǒng)功率損失的增大主要來自于齒輪嚙合功率損失的增大；雖然系統(tǒng)功率損失絕對值是增大的，但系統(tǒng)輸入功率也是增大的且幅度更大，因此，當系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速恒定時，驅(qū)動橋的傳動效率隨著負載增大而相應增大。

5 結(jié)語

實際測試結(jié)果表明：該試驗臺結(jié)構(gòu)合理，操作方便，使用范圍廣，運行時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，總體能耗較小，完全能滿足現(xiàn)實工作中的測試要求。

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