周志立，王龍龍，徐立友

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

底盤測功機(jī)慣量電模擬方法的研究和實(shí)現(xiàn)

周志立，王龍龍，徐立友

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

針對(duì)傳統(tǒng)底盤測功機(jī)慣量模擬裝置存在振動(dòng)噪聲大、體積大、模擬精度不高及不能實(shí)現(xiàn)慣量無級(jí)調(diào)整等缺點(diǎn)，用加載電機(jī)代替原有的機(jī)械飛輪，分析了慣量電模擬的理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)出慣量電模擬時(shí)加載電機(jī)所需的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。分析了慣量電模擬的實(shí)現(xiàn)方法，并在DCG-10E型底盤測功機(jī)上進(jìn)行了汽車的加速性能試驗(yàn)和滑行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在采用慣量電模擬時(shí)，底盤測功機(jī)的測試精度提高了4.4%，說明慣量電模擬方法是可行的。

底盤測功機(jī)；慣量；機(jī)械飛輪；電模擬；補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩

0 引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和交通事故對(duì)人們的生命安全造成的威脅越來越大，因此，有必要通過汽車檢測技術(shù)來減小汽車對(duì)人類造成的傷害。車輛底盤測功機(jī)是一種非常重要的試驗(yàn)設(shè)備，通過道路模擬系統(tǒng)真實(shí)再現(xiàn)汽車在道路上行駛時(shí)的工況，從而能夠?qū)ζ噭?dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量[1-4]。因?yàn)樵诘妆P測功機(jī)上試驗(yàn)時(shí)汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以必須對(duì)汽車運(yùn)行過程中的慣量進(jìn)行模擬，才可以更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)汽車在道路上的行駛過程，從而提高試驗(yàn)精度[5]。

傳統(tǒng)的底盤測功機(jī)大多通過大小不等的飛輪組合來模擬汽車實(shí)際運(yùn)行過程中的慣量，機(jī)械飛輪和測功機(jī)主滾筒之間用電磁離合器連接，試驗(yàn)時(shí)底盤測功機(jī)滾筒帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，以飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力矩模擬汽車在道路上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的慣量。文獻(xiàn)[6]對(duì)機(jī)械飛輪組進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，把機(jī)械飛輪組分為粗調(diào)和精調(diào)兩組，并且基于約束方程推導(dǎo)出了慣量的配置方式。文獻(xiàn)[7]提出用撥叉來實(shí)現(xiàn)底盤測功機(jī)滾筒軸和機(jī)械飛輪相連接的方法，符合不同型號(hào)汽車對(duì)機(jī)械慣量的要求，使飛輪組的結(jié)合與分離更加容易完成。文獻(xiàn)[8]提出基于質(zhì)量倍增法的飛輪分級(jí)原則，把模擬質(zhì)量區(qū)間分為512個(gè)等級(jí)，更利于飛輪質(zhì)量和汽車質(zhì)量的匹配，提高試驗(yàn)精度。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了銷式結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)時(shí)通過銷的撥出和插入實(shí)現(xiàn)各個(gè)飛輪的組合。雖然已對(duì)汽車慣量的機(jī)械模擬做了大量的研究，但是仍然不能消除慣量機(jī)械模擬系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)。

底盤測功機(jī)慣量電模擬可以實(shí)現(xiàn)慣量的無極調(diào)整，減小測試系統(tǒng)體積和運(yùn)行噪聲，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，使操作更加方便。本文基于汽車驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)態(tài)特性相同的原理推導(dǎo)出加載電機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，用角加速度控制法控制加載電機(jī)的加載力矩，從而實(shí)現(xiàn)底盤測功機(jī)慣量電模擬。

1 慣量電模擬理論基礎(chǔ)

汽車底盤測功機(jī)使用大質(zhì)量飛輪組來模擬汽車慣量時(shí)，飛輪組的作用是阻礙滾筒轉(zhuǎn)速的變化，即在底盤測功機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生改變時(shí)形成慣性扭矩，其方向與底盤測功機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)方向剛好相反，大小為角加速度與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的乘積。控制加載電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和機(jī)械飛輪的慣性扭矩相同，使汽車在底盤測功機(jī)上和在道路上運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)特性相同，從而體現(xiàn)慣量相等，實(shí)現(xiàn)慣量電模擬。

1.1 機(jī)械模擬時(shí)飛輪組慣量的計(jì)算

車輛在道路上行進(jìn)時(shí)的功率平衡方程[10]為：

Pt=Pf+Pw+Pi+Pj，

(1)

同理，可得車輛在底盤測功機(jī)上測試時(shí)的功率平衡方程為：

(2)

其中：Jg為底盤測功機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Jf為機(jī)械飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ωg為測功機(jī)滾筒的角速度，rad/s；ωf為機(jī)械飛輪的角速度，rad/s。

車輛在測功機(jī)上運(yùn)行時(shí)，不考慮驅(qū)動(dòng)輪和底盤測功機(jī)滾筒之間的滑轉(zhuǎn)，即車輛的行駛速度和測功機(jī)滾筒的線速度相等，可得：

(3)

其中：rg為汽車測功機(jī)滾筒的半徑，m；i為機(jī)械飛輪的安裝軸與底盤測功機(jī)滾筒機(jī)之間的傳動(dòng)比。

將式(3)代入式(2)，可得：

(4)

由式(1)和式(4)可計(jì)算測功機(jī)所需飛輪組總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(5)

1.2 慣量電模擬時(shí)加載電機(jī)補(bǔ)償慣性扭矩的計(jì)算

圖1 電模擬時(shí)補(bǔ)償慣性扭矩電機(jī)轉(zhuǎn)子受力圖

不考慮底盤測功機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)各零件的彈性變形和各零件之間的摩擦，電模擬時(shí)補(bǔ)償慣性扭矩電機(jī)轉(zhuǎn)子的受力如圖1所示。圖1中：TE是模擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jf的機(jī)械飛輪時(shí)，電機(jī)需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償?shù)呐ぞ?，N·m;TD為電機(jī)軸所受驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m；ωM為加載電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rad/s；TL為電機(jī)所受的電磁扭矩，N·m；JM為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

由剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)定律得電模擬時(shí)加載電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程為:

(6)

當(dāng)在飛輪軸上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jf的機(jī)械飛輪組時(shí)，在相同的扭矩作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程為：

(7)

其中：ωfM為安裝有飛輪時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rad/s。

顯然，在相同驅(qū)動(dòng)扭矩作用下，帶有機(jī)械飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和不帶機(jī)械飛輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不相等。若要使兩者相等，電機(jī)就必需補(bǔ)償機(jī)械模擬時(shí)飛輪組的等效轉(zhuǎn)矩，則式(6)可以改為：

(8)

機(jī)械模擬系統(tǒng)和電模擬系統(tǒng)試驗(yàn)車輛的轉(zhuǎn)速變化特性必須一致，即：

(9)

聯(lián)立式(7)和式(8)可得：

(10)

2 慣量電模擬的實(shí)現(xiàn)方法

圖2 角加速度觀測器動(dòng)態(tài)圖

車輛底盤測功機(jī)慣量電模擬的實(shí)質(zhì)是對(duì)電機(jī)補(bǔ)償扭矩的準(zhǔn)確控制，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)自身有很好的線性度，所以可通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電流對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制。問題的關(guān)鍵在于根據(jù)加速度和轉(zhuǎn)速來計(jì)算電流環(huán)的輸入值，并且電流環(huán)必須具有快速的跟隨性能。基于慣量電模擬的電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖見圖3。圖3中：f(ω)為電機(jī)的負(fù)載特性；ACR(automatic current regulator)為自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器；UPE為電機(jī)及電力電子變換裝置，由于其傳遞函數(shù)的階數(shù)低，因此可以用比例積分(proportional integral,PI)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流達(dá)到實(shí)時(shí)測量扭矩的目的；電樞回路電阻R、電樞電感L、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT、反電動(dòng)勢系數(shù)KE等電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)可以通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法獲得。

圖3 電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)負(fù)載控制系統(tǒng)中ACR的參數(shù)可以根據(jù)文獻(xiàn)[13]給出的方法確定。GCO和傳統(tǒng)的操控系統(tǒng)一致，不同的是目標(biāo)模型在工作中不發(fā)生變化，因此可以在設(shè)計(jì)時(shí)，在裕度的許可界限內(nèi)把觀測器的帶寬設(shè)定為遠(yuǎn)大于電流環(huán)的帶寬，但是因?yàn)閹捥髸?huì)放大測量信號(hào)的噪聲，所以也不能設(shè)計(jì)得太大。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證底盤測功機(jī)慣量電模擬方法的可行性和準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)室的DCG-10E型車輛底盤測功機(jī)上，針對(duì)質(zhì)量為1 700 kg的某型汽車進(jìn)行了加速性能試驗(yàn)和滑行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場圖如圖4所示。并將試驗(yàn)結(jié)果與底盤測功機(jī)原有機(jī)械飛輪模擬系統(tǒng)和汽車在道路上運(yùn)行得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 加速性能試驗(yàn)

將被測試汽車驅(qū)動(dòng)輪置于底盤測功機(jī)滾筒上，發(fā)動(dòng)汽車，逐步換擋至直接擋，車速控制在38～40 km/h 保持勻速行駛至少2 s，當(dāng)車速達(dá)到40 km/h時(shí)開始記錄，然后全油門加速到最高車速的90%。記錄被試汽車在對(duì)應(yīng)時(shí)間的車速并繪制加速時(shí)間曲線，如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場圖圖5 質(zhì)量為1700kg某型汽車的加速時(shí)間曲線

由圖5可以看出：在采用慣量電模擬系統(tǒng)的底盤測功機(jī)上試驗(yàn)時(shí)的加速時(shí)間曲線，和汽車道路試驗(yàn)得到的加速時(shí)間曲線很接近，而在原有的機(jī)械慣量模擬系統(tǒng)的底盤測功機(jī)上試驗(yàn)得到的加速時(shí)間曲線與道路試驗(yàn)偏差較大。說明本文提出的慣量電模擬方法能夠更加真實(shí)地模擬汽車的道路試驗(yàn)，證明了本文提出的慣量電模擬方法的有效性和合理性。

3.2 滑行試驗(yàn)

對(duì)質(zhì)量為1 700 kg的某型汽車進(jìn)行50～0 km/h的滑行試驗(yàn)。將被測試汽車驅(qū)動(dòng)輪置于底盤測功機(jī)滾筒上，發(fā)動(dòng)汽車并加速到55 km/h時(shí)，駕駛員將變速器置于空擋，汽車開始滑行。當(dāng)車速降至50 km/h時(shí)，記錄汽車的滑行距離。為了使試驗(yàn)更準(zhǔn)確，每組試驗(yàn)分別進(jìn)行2次，求其平均值，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，滑行試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 質(zhì)量為1 700 kg某型汽車滑行試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：與在道路上進(jìn)行的滑行試驗(yàn)相比，在采用慣量電模擬系統(tǒng)的底盤測功機(jī)上進(jìn)行滑行試驗(yàn)，滑行距離的相對(duì)誤差為1.1%，而在原有機(jī)械慣量模擬系統(tǒng)的底盤測功機(jī)上進(jìn)行滑行試驗(yàn)，滑行距離的相對(duì)誤差為5.5%，慣量電模擬系統(tǒng)測試精度比機(jī)械慣量模擬系統(tǒng)提高了4.4%。說明本文提出的慣量電模擬方法可以提高底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)的試驗(yàn)精度。

4 結(jié)論

本文把慣量電模擬系統(tǒng)應(yīng)用到底盤測功機(jī)中，并在底盤測功機(jī)上進(jìn)行了汽車的加速性能試驗(yàn)和滑行試驗(yàn)。與原有機(jī)械慣量模擬系統(tǒng)相比，底盤測功機(jī)的測試精度提高了4.4%，慣量電模擬系統(tǒng)能較好地模擬汽車慣量，表明慣量電模擬系統(tǒng)有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金項(xiàng)目(YFD0701002);拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SKT2016014)

周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事車輛新型傳動(dòng)理論與控制技術(shù)等方面的研究.

2017-01-06

1672-6871(2017)06-0028-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.06.006

U270.7

A