趙奇平，朱斑斕，蔡曉霞

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

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基于simulink的變速器試驗(yàn)臺(tái)電慣量模擬研究

趙奇平，朱斑斕，蔡曉霞

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

摘 要：傳統(tǒng)的變速器試驗(yàn)臺(tái)慣量模擬用的是機(jī)械慣量盤(pán)，但是機(jī)械式慣量模擬有著機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝調(diào)整困難等問(wèn)題。文章從汽車行駛阻力入手分析變速器負(fù)載，通過(guò)電慣量模擬理論分析、異步電機(jī)矢量控制設(shè)計(jì)基于電慣量模擬的變速器試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)?；贛ATLAB/simulink仿真平臺(tái)對(duì)其模型進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明使用異步電機(jī)進(jìn)行慣量模擬，既可達(dá)到變速器試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載模擬要求，又能解決傳統(tǒng)機(jī)械式慣量盤(pán)安裝困難、不能無(wú)極慣量模擬的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：變速器試驗(yàn)臺(tái)；電慣量；simulink；汽車行駛阻力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.049

朱斑斕，研究生在讀。就讀于武漢理工大學(xué)。主要研究方向：車輛檢測(cè)技術(shù)，機(jī)電一體化測(cè)試裝備。

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-149-04

引言

在變速器試驗(yàn)中，加載試驗(yàn)是基于模擬變速器實(shí)際工況條件進(jìn)行的，輸入端模擬汽車變速器的驅(qū)動(dòng)扭矩，輸出端模擬汽車在道路行駛的負(fù)載情況，所以實(shí)際工況模擬的關(guān)鍵之一就是負(fù)載的模擬。在模擬汽車的加速和減速過(guò)程中，由于慣性產(chǎn)生的加速阻力會(huì)給變速器輸出軸帶來(lái)阻礙其速度變化的載荷，故而變速器試驗(yàn)臺(tái)上慣量的模擬加載尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)主要采用機(jī)械慣量盤(pán)模擬汽車慣量，其優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確體現(xiàn)汽車慣量，并且成本低。但是其存在著不可忽視的缺點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，容易引起振動(dòng)；模擬不同的負(fù)載要換不同的飛輪組，安裝調(diào)整困難；且試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，只能測(cè)試某一特定工況。電慣量模擬的概念最初是在制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)的研制上提出的[1-2]。電慣量模擬在國(guó)內(nèi)外的研究廣泛，但研究適用于變速器試驗(yàn)臺(tái)的很少。目前應(yīng)用于變速器試驗(yàn)臺(tái)的研究都是用直流電動(dòng)機(jī)模擬汽車慣量[3]，成本高導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用不廣泛。本文基于電慣量模擬，通過(guò)異步電機(jī)矢量控制方法實(shí)現(xiàn)變速器試驗(yàn)臺(tái)電慣量的模擬加載。通過(guò)MATLAB/simulink仿真EMT電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式變速器的升檔加速過(guò)程，以此來(lái)驗(yàn)證電慣量模擬方式的可靠性。

1、電慣量模擬加載理論模型

根據(jù)汽車行駛阻力分析[1]，變速器輸出軸上的負(fù)載力矩需要計(jì)算的阻力有四個(gè)，滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速阻力。其中滾動(dòng)阻力、坡度阻力由道路情況決定，空氣阻力與汽車速度有關(guān)。加速阻力是汽車在加速、減速時(shí)，由汽車慣性而產(chǎn)生的阻礙汽車運(yùn)動(dòng)的阻力，直接影響加速性能。一般在機(jī)械式慣量變速器試驗(yàn)臺(tái)中直接由飛輪模擬加速阻力。但在電機(jī)模擬試驗(yàn)中，加速度觀測(cè)難并且準(zhǔn)確度低，所以本文建立電慣量模擬模型，通過(guò)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)這部分的模擬加載。

因此，本試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行變速器負(fù)載力矩模擬時(shí)，分成加速阻力矩和其他行駛阻力矩兩部分。在模擬一段具體工況時(shí)，汽車參數(shù)和道路參數(shù)都是確定的，行駛阻力矩的計(jì)算中只有汽車行駛車速一個(gè)變量，可寫(xiě)為：

式中，u為汽車行駛速度，m/s；

（1）被模擬系統(tǒng)

以汽車行駛過(guò)程中變速器輸出軸為受力對(duì)象，分析其受力如圖1所示。

圖1　變速器輸出軸受力分析

假設(shè)動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速器輸出轉(zhuǎn)矩為T(mén)1，汽車行駛過(guò)程中受到的（不包括加速阻力）行駛阻力折算在變速器的轉(zhuǎn)矩為則變速器輸出軸的動(dòng)力學(xué)模型為：

（2）模擬系統(tǒng)

忽略傳動(dòng)軸及相關(guān)零部件的彈性變形與摩擦，加載電機(jī)工作時(shí)，變速器試驗(yàn)臺(tái)電慣量模擬系統(tǒng)受力分析如圖2。

圖2　變速器試驗(yàn)臺(tái)電慣量模擬系統(tǒng)受力示意圖

用加載電機(jī)模擬汽車的負(fù)載時(shí)，由于為加載電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm遠(yuǎn)小于被模擬汽車的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jf，導(dǎo)致系統(tǒng)需要加載電機(jī)輸出一個(gè)電慣量模擬轉(zhuǎn)矩TJ做補(bǔ)償，其關(guān)系為：

式中，Jm為加載電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωm為加載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

模擬目的是使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與實(shí)際汽車行駛速度變化一致，即角加速度保持一致，令得到加載電機(jī)需要補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)慣性轉(zhuǎn)矩為：

2、電慣量模擬加載系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

電模擬慣量的控制的關(guān)鍵是控制電模擬電機(jī)的動(dòng)作。按照變速器試驗(yàn)臺(tái)的負(fù)載計(jì)算方法，需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分的模擬加載控制：1）工控機(jī)根據(jù)輸入的汽車行駛參數(shù)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算出需要加載的行駛阻力矩，并由傳感器實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制；2）根據(jù)汽車參數(shù)計(jì)算被模擬的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后依照電慣量模擬的數(shù)學(xué)模型計(jì)算模擬慣量對(duì)應(yīng)的電慣量模擬轉(zhuǎn)矩。將行駛阻力矩和電慣量模擬轉(zhuǎn)矩之和作為電機(jī)伺服環(huán)路的目標(biāo)扭矩，即加載電機(jī)需要輸出的轉(zhuǎn)矩。如圖3所示為變速器試驗(yàn)臺(tái)電慣量模擬加載控制的總體方案。

圖3　變速器試驗(yàn)臺(tái)電慣量模擬加載控制方案

3、異步電機(jī)矢量控制的基本原理

矢量控制具體變換原理是：將異步電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的定子交流電流通過(guò)3/2坐標(biāo)變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流iα、iβ，再通過(guò)VR變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流im、it。變換后im相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，it相當(dāng)于電樞電流，然后可用控制直流電機(jī)的控制方法，求得所需的電流控制量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制，其矢量控制變換結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[4]。

圖4　矢量控制原理結(jié)構(gòu)示意圖

4、仿真模型的建立與分析

（1）異步電機(jī)矢量控制仿真模型

如圖5所示，其中3s/2r為封裝好的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和磁鏈觀測(cè)模塊的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建異步電機(jī)的矢量計(jì)算模塊。輸入為三相電流iABC和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速速rω，輸出為轉(zhuǎn)子磁鏈大小ψ、轉(zhuǎn)子磁鏈方向角θ和電磁轉(zhuǎn)矩Te，整體封裝為矢量計(jì)算模塊VC calculation。

圖5　矢量計(jì)算模塊模型VC calculation

按照矢量控制基本原理，建立如圖6所示矢量控制模塊，其中，speed controller為封裝好的PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，torque controller為封裝好的PI轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，ACR為封裝好的電流滯環(huán)控制器。將此模塊封裝命名為矢量控制模塊Vector Control。

圖6　矢量控制模塊Vector Control

將以上模塊合并，得到基于Matlab/Simulink的異步電機(jī)矢量控制的仿真模型，如圖7。

圖7　異步電機(jī)矢量控制仿真模型

（2）電慣量變速器試驗(yàn)臺(tái)加載控制仿真模型

由電慣量模擬加載控制過(guò)程，可得如圖8所示電慣量模擬加載模型。

圖8　電慣量模擬加載模型

將所有模塊合并，得到基于Matlab/Simulink的電慣量試驗(yàn)臺(tái)加載部分仿真模型，如圖9。

圖9　電慣量試驗(yàn)臺(tái)加載部分仿真模型

（3）仿真結(jié)果分析

依據(jù)被試EMT變速器的參數(shù)，以及汽車行駛參數(shù)設(shè)置本文模型中的相關(guān)參數(shù)。

由于本文側(cè)重研究電慣量加載模擬，驅(qū)動(dòng)模擬不屬于研究范圍之內(nèi)，因此變速器輸入轉(zhuǎn)矩直接由信號(hào)發(fā)生器定義。加速升檔是汽車正常行駛的典型工況之一，本文仿真分析變速器試驗(yàn)臺(tái)升檔加速過(guò)程。在仿真時(shí)間150s內(nèi)，從1檔升到5檔的加速過(guò)程，根據(jù)變速器1～5檔速比，在30s、60s、90s、120s處換擋。變速器速比時(shí)序和輸入軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)如圖10。

圖10　變速器速比及輸入軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)

根據(jù)變速器的模型，得到變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩信號(hào)如圖11。

圖11　變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)

將此轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)1T輸入到電慣量變速器試驗(yàn)臺(tái)加載仿真模型中，得到變速器輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速如圖12所示。

圖12　變速器輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速

分析以上仿真可知，變速器升檔加速過(guò)程中輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速趨勢(shì)基本一致，在換檔過(guò)程中，輸出軸轉(zhuǎn)速的變化較小，而輸入軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生了劇烈變化。這是在換檔的瞬間，由于輸出軸上電慣量模擬加載電機(jī)始終輸出慣性扭矩阻礙轉(zhuǎn)速變化，所以輸出軸轉(zhuǎn)速的變化較?。欢鴮?duì)于輸入軸，由于變速器速比瞬間變小，負(fù)載折算到輸入側(cè)的扭矩變大，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速在該扭矩作用下迅速下降。但是折算到車速，則該誤差可以忽略不計(jì)，仿真結(jié)果表明電慣量模擬加載是可行的。

5、結(jié)論

本文基于汽車慣量的異步電機(jī)模擬，建立了變速器加載系統(tǒng)的MATLAB/simulink模型，并對(duì)其進(jìn)行了EMT變速器升檔加速過(guò)程仿真。實(shí)踐證明，在一定誤差范圍內(nèi)，模型能夠較好地模擬變速器負(fù)載。

參考文獻(xiàn)

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Simulation research on electrical inertia of the transmission test bench

Zhao Qiping, Zhu Banlan, Cai Xiaoxia
（Wuhan University Of Technology, Hubei Wuhan 430070)

Abstract：The traditional transmission test-bed inertia simulation using the mechanical flywheel, but the mechanical structure of the flywheel is complicated and difficult for install.Therefore, this paper through analysis of the Transmission load with automobile driving resistance, and through the electrical inertia simulation theory and the vector control of asynchronous motor , to design the loading system of the transmission test bench.Based on MATLAB/simulink, the model of the electrical inertia loading system of the transmission test-bed is built.The results show that using asynchronous motor to simulate the inertia, can meet the requirements of transmission test-bed load simulation.

Keywords:The transmission test bench; electrical inertia; simulink; driving resistance

作者簡(jiǎn)介：趙奇平，教授，碩士生導(dǎo)師。就職于武漢理工大學(xué)。主要研究方向：車輛檢測(cè)技術(shù)，機(jī)電一體化測(cè)試裝備。

中圖分類號(hào)：U462.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-149-04