， ，

(1安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，安徽 蕪湖 241000;2江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000)

0 引 言

當今時代，隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車企業(yè)對變速性能測試的設(shè)備要求也越來越高，變速箱試驗臺作為對汽車變速性能測試的重要設(shè)備也越來越受到企業(yè)的重視[1]。針對目前常用的變速箱試驗臺能量消耗嚴重、控制效率低、可靠性差的缺點，設(shè)計了高效率、自動化測控系統(tǒng)，具有理論指導價值和實際應(yīng)用價值。ARM (Advanced RISC Machines)[2]以執(zhí)行效率高、低成本的優(yōu)點廣泛用于電子行業(yè)，以ARM為核心，設(shè)計變速箱測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

我國汽車變速箱試驗臺可分成兩類，一是能量消耗型，二是能量回饋型[3]。其中能量回饋型又分為機械傳動能量回饋、電動機交流電量輸出返回電網(wǎng)、變頻器交流電量輸出返回電網(wǎng)等三種方案[4]。機械傳動能量回饋雖然可以直接回饋，但效率低、能量損耗大、不易控制；電動機交流控制設(shè)備多，較復(fù)雜，工作可靠性差；變頻器將直流發(fā)電機的電能反饋電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)備價格高，維護成本太大。因此采用交流發(fā)電，直流能量回饋的方式，將交流發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過整流，直接回饋給直流電動機，設(shè)備簡單、可靠性高、能量損耗小。如圖1所示。

圖1 交流發(fā)電、直流能量回饋結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)由直流調(diào)速柜、被測變速箱、輸入/輸出速度、交流發(fā)電機、直流電動機、力矩傳感器、電氣設(shè)計及計算機組成。上位機采用PC機，能夠完成數(shù)據(jù)設(shè)定、采集、顯示及打?。幌挛粰C采用ARM7，對系統(tǒng)電氣設(shè)備實時監(jiān)控。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖中LPC2138是ARM7系列的控制器，對各種信號檢測，并根據(jù)上位機的設(shè)定值進行運算處理及閉環(huán)控制來控制轉(zhuǎn)矩；傳感器1是轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器，用于檢測變速箱的輸入轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩，并傳送至LPC2138電路，傳感器2用于檢測輸出轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩；勵磁電流控制是將LPC2138輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成發(fā)電機勵磁電流，控制發(fā)電機的負載轉(zhuǎn)矩大??；調(diào)速柜將電機轉(zhuǎn)速恒定在設(shè)定值，為試驗臺提供驅(qū)動力矩。

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制傳感器的選擇

采用磁電式、相位差型傳感器，未施加扭矩時，傳感器輸出2路相差180度的正弦信號，當施加扭矩時，相差發(fā)生變化，且可計算出扭矩大小。工作穩(wěn)定可靠，變速箱試驗臺的輸入扭矩為200N·m，輸出扭矩在200N·m到500N·m之間，因此選用JZ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。其技術(shù)指標為轉(zhuǎn)矩測量精度：分為0.1級和0.2級。靜?！苯佑庙来a產(chǎn)生標準力矩校準時，其測量誤差0.1級不大于額定值的±0.1%；0.2級不大于額定值的±0.2%[5]。

2.2 能源回饋單元設(shè)計

能量回饋單元電路采用雙橋并聯(lián)的變流器電路，如圖3所示。

圖3 能量回饋電路圖

直流電動機的供電電源為兩個三相整流橋并聯(lián)提供，一路是調(diào)速柜的整流輸出，另一路是發(fā)電機的整流輸出。電抗器L1和L2用來平衡兩組整流橋的相位差，使電流連續(xù)。

電抗器勵磁電流變化峰值為：

2.3 鍵盤和數(shù)碼顯示設(shè)計

鍵盤和數(shù)碼顯示電路圖如圖4所示。圖中74HC164芯片用于顯示電路的位碼和段碼；兩個4段共陰極數(shù)碼管(FJ3461AH)則用于顯示扭矩傳感器的當前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；8個按鍵用于輸入和修改參數(shù)；電阻R用于限流從而確保數(shù)碼管正常工作；工作電源由下位機ARM7LPC2138供電。

圖4 鍵盤和數(shù)碼顯示電路圖

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

變速箱測控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的采集、PC機測控、系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)和通信等?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 軟件總體設(shè)計框圖

3.1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用Visual C++進行編程設(shè)計[6]，主界面的設(shè)計原則是簡單直觀、容易操作，采用組件框架式結(jié)構(gòu)，要求能夠顯示電動機的輸入電壓與電流、給定轉(zhuǎn)矩、實際輸入輸出轉(zhuǎn)矩、給定轉(zhuǎn)速、實際輸入輸出轉(zhuǎn)速、發(fā)電機輸出電壓與電流等。運行主界面如圖6所示。

圖6 PC機運行主界面

3.2 通信程序設(shè)計

計算機與ARM通信需要編制特定程序，其通信通過串行口UART完成[7]。設(shè)定ARM每秒鐘發(fā)一次數(shù)據(jù)給PC機。發(fā)送程序框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送程序框圖

計算機給定參數(shù)C，ARM發(fā)送數(shù)據(jù)R。當ARM收到一個P時系統(tǒng)開始發(fā)出PWM波形(相當于按下啟動鍵)，收到T時停止PWM波形的發(fā)出(相當于按下停止鍵)。當一秒鐘計時到打開發(fā)送使能，并發(fā)出字母R，發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)寄存器空中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)，接收數(shù)據(jù)用接收完成中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)。

4 仿真與調(diào)試

在試驗臺中運行，首先檢測轉(zhuǎn)速、相位差和扭矩，采集100組數(shù)據(jù)，實測轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速誤差率小于0.05%，給定扭矩與實際扭矩誤差率小于1.5%；然后進行機械力矩加載調(diào)試，驗證能量回饋的比例，采集電動機不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機勵磁電流、回饋電流和調(diào)速柜輸出電流，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 機械力矩加載調(diào)試實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，當發(fā)電機勵磁電流相同時，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)電機回饋電流與調(diào)速柜輸出電流均變大，但回饋電流所占的比例變大，電機電流大部分由回饋電流提供，節(jié)能效果符合要求。

5 結(jié) 語

采用交流發(fā)電、直流能量反饋的設(shè)計思路，以ARM7為核心，用Visual C++編程開發(fā)界面，完成電動汽車變速箱測控系統(tǒng)的設(shè)計，通過實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠自動檢測，數(shù)字顯示，極大地節(jié)省人力、節(jié)約能源。

參考文獻：

[1] 李曉寧.客車變速箱研究與設(shè)計[D]. 吉林：吉林大學，2015.

[2] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 尹健，劉松凱.汽車變速箱試驗臺慣量飛輪制動機構(gòu)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2016,38(2)：123-125.

[4] 羅玉濤，俞明，陳炳坤,等.電動車制動能量再生反饋控制研究[J].機床與液壓，2002(5):162-164.

[5] 唐海松，陳亦新，倪立新.現(xiàn)代轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在電機能效測試應(yīng)用中的技術(shù)[J].電機與控制應(yīng)用，2016,43(1)：95-100.

[6] Yuke Chen,Yulong Ma,Yang Bai. Design of Automatic Control Simulation Experiment System Based on Visual C++[C]. Proceedings of 2013 International Conference on Intelligent Materials and Mechatronics: 329-333.

[7] 王建中，黃立軍.基于智能數(shù)據(jù)采集器的研究與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2017，43(6)：153-157.