李榮富　劉啟安

摘 要：通過需求和理論分析，得出達到高動態(tài)輪端扭力響應的設備方案。從而使動力總成整車路試轉(zhuǎn)移到臺架進行成為可能，這將可以減少道路試驗的數(shù)量，縮短驗證的時間，提高開發(fā)效率。

關鍵詞：動力總成 臺架 高動態(tài) 變頻器 輪端扭矩

1 引言

動力總成是汽車的核心部件，起到產(chǎn)生動力，傳遞動力的作用，使車輛得以運行。動力總成的開發(fā)質(zhì)量也是整個汽車行業(yè)核心競爭力的體現(xiàn)。因此，圍繞動力總成的驗證也得到格外重視。動力總成又可以分為發(fā)動機和變速器兩大部件，這兩大部件的臺架試驗都已經(jīng)比較成熟，試驗的標準有國家標準、企業(yè)標準等。但是動力總成的臺架試驗還比較單一，常常是通過動力總成整車路試來進行驗證，整車路試又受到時間、試驗場地、人員、天氣等條件的限制，不能及時的、快速的進行試驗。雖然常規(guī)的動力總成臺架已經(jīng)是比較成熟的設備，可以實現(xiàn)路譜的導入及測試，但是無法實現(xiàn)高動態(tài)的輪端響應。為了能高效的進行動力總成試驗，我們將研究在臺架上實現(xiàn)路試工況，特別是輪端扭矩工況的可行性。

2 系統(tǒng)組成

高動態(tài)輪端扭矩試驗臺與常規(guī)的動力總成臺架結構一致，包括測控系統(tǒng)，測功機系統(tǒng)，數(shù)采系統(tǒng)，以及輔助系統(tǒng)（圖1）。

3 技術方案

本臺架的目標是要實現(xiàn)輪端扭矩的高動態(tài)響應，而在測功機扭矩控制系統(tǒng)中，扭矩控制的方式如下：工控機控制系統(tǒng)發(fā)出扭矩目標指令，變頻系統(tǒng)DCU根據(jù)指令控制逆變器PWM占空比，從而改變電機線圈電流，線圈磁通量發(fā)生變化，達到改變輸出扭矩的目標;同時輸出軸扭矩法蘭采集實際扭矩值進行反饋，PID控制器根據(jù)反饋進行調(diào)整，從而形成閉環(huán)控制。這樣的控制方式無法實現(xiàn)輪端扭矩的高動態(tài)響應。因此，需要在測控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)三個方面進行動態(tài)響應提升，本文主要對這幾個系統(tǒng)進行描述。

3.1 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)即“測量”+“控制”的系統(tǒng)，依據(jù)被控對象被控參數(shù)的檢測結果，按照人們預期的目標對被控對象實施控制。主要包含四個部分：信息測量、信息處理、信息傳輸、信息控制。

同時，測控系統(tǒng)應該具備自動極性判斷、自動量程切換、自動報警、過載保護、非線性補償、多功能測試和自動巡回檢測等功能。當前的測控系統(tǒng)，以計算機及軟件為核心，可以方便的實現(xiàn)各種復雜運算和功能。隨著計算機主頻的快速提升和電子技術的迅猛發(fā)展，以及各種在線自診斷、自校準和決策等快速測控算法的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代測控系統(tǒng)的實時性大幅度提高，從而為現(xiàn)代測控系統(tǒng)在高速、遠程以至于超實時領域的廣泛應用奠定了堅實基礎。為了方便的實現(xiàn)人機交互，已經(jīng)開始應用可視化圖形編程軟件，以及圖像圖形化的結合、以及三維虛擬現(xiàn)實技術。

隨著現(xiàn)今被測發(fā)動機，變速器和動力總成復雜性提高，對自控系統(tǒng)提出了更高要求，例如數(shù)據(jù)處理階段的高數(shù)據(jù)流，更高的系統(tǒng)同步要求，深度結合測量設備和高性能接口到ECU/TCU，以及不可信數(shù)據(jù)識別等以避免重復測試和縮短測試時間。

因此，本試驗臺測控系統(tǒng)需要考慮以下主要功能模塊：

用戶管理及登錄模塊，控制參數(shù)設置模塊;PID參數(shù)設置模塊;實時曲線設置模塊;

集成CAN_DBC支持程序，滿足用戶隨意導入DBC文件，并對DBC文件進行數(shù)據(jù)讀寫，保存，記錄等功能;常規(guī)控制功能：起動、停車、復位等功能、常規(guī)運行參數(shù)手動輸入、手動旋鈕控制等點動功能;程控文件的編輯和運行，隨意設置運行各步驟的過渡時間、運行時間、扭矩、轉(zhuǎn)速等控制參數(shù);系統(tǒng)必須是開放式的，可接入符合主流通訊協(xié)議的各種測量儀器;數(shù)據(jù)處理及報表輸出模塊等。

考慮到工況控制要求實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，快速工況運算，實時輸出控制量。測控系統(tǒng)可以考慮選用NI嵌入式實時控制器CRI0，具有高精度計時、多級中斷機制、良好的實時調(diào)度機制等特點，控制系統(tǒng)響應可達到1ms。

控制軟件采用基于NI Labview平臺開發(fā)，配合實時控制器CRI0，可實現(xiàn)高速實時運算和控制能力。

數(shù)據(jù)采集采用IN高速采集模塊，配合Labview-CRI0實時控制器，可實現(xiàn)500KHz采集頻率，滿足高頻扭矩抖動實時采集要求。

3.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)

測功電機的驅(qū)動控制由電機驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)，驅(qū)動器將控制器產(chǎn)生的弱電指令信號放大到電機運行所需要的高壓、大電流等級。它由電源模塊、加載電機逆變模塊、驅(qū)動電機逆變模塊等組成。測功機與380V、50Hz交流電網(wǎng)相接，經(jīng)斷路器、主接觸器、網(wǎng)側電抗器、回饋用自藕變壓器接入電源模塊（整流/回饋單元），然后通過公共的直流母線，經(jīng)逆變模塊（逆變/整流單元）向下與電機聯(lián)接。

對于動力總成測試設備，測功機的控制方式通常有兩種：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。兩種控制的原理、特點見表1：

本臺架對扭矩的響應要求比較高，經(jīng)過測試，矢量控制方式的扭矩響應結果不太理想。在此，我們考慮采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的控制方式，該控制方式免去了矢量變化的復雜計算，不需要通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，控制結構簡單;同時該控制方式可直接對電機磁通量和轉(zhuǎn)矩進行控制，通過高速數(shù)字信號處理器與電機軟件模型相結合，可以使電機的狀態(tài)每秒鐘更新數(shù)萬次。由于電機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較被不斷的更新，逆變器的每一次開關狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應。，得到較好的扭矩響應時間。可以考慮使用ABB C880系列變頻器，該系列變頻器將DTC技術和模糊控制理論合二為一，是一款高性能的變頻器調(diào)速產(chǎn)品，可達到扭矩響應≤5ms，同時為滿足扭矩響應速率，變頻器功率應該適當選大一些。同時使用ABB的控制系統(tǒng)，無需其他附加軟件，即可支持感應電機、永磁同步電機、同步磁阻電機和感應伺服電機。

測功機的控制還有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式，通常是采用PLC或者PID控制器實現(xiàn)PID閉環(huán)控制，但這種方式從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)微積分處理用時>50ms，無法跟上扭矩直接控制系統(tǒng)，在高頻波動的工況下容易出現(xiàn)過沖和波動，不利于實現(xiàn)高頻波動輪端扭矩工況。因此，在進行高動態(tài)扭矩工況時應選用開環(huán)控制方式，其他動力總成試驗時選擇閉環(huán)控制。

3.3 測功機系統(tǒng)

本設備需要配置兩臺測功機，用以模擬車輪負載，提供輪端扭矩。由于試驗臺需要具備高的響應特性，加載測功機應選用低轉(zhuǎn)動慣量的電機，電機的模擬或真實慣量可調(diào)，具備模擬駕駛員和整車典型工況以及道路路譜的功能。能夠根據(jù)臺架控制系統(tǒng)輸入的點火開關、油門踏板、油門變化率、制動踏板、制動踏板變化率、巡航模擬等模擬駕駛員的信號，以及根據(jù)輸入的車重、車速、變速器速比、主減速比、傳動效率、迎風面積、空氣阻力系數(shù)、滾動阻力系數(shù)、輪胎半徑、坡度等參數(shù)，實現(xiàn)滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力、制動阻力等整車參數(shù)的模擬。

根據(jù)測試樣件的參數(shù)，我們選用的電機參數(shù)見表2：

測功機還應配備高精度的增量式編碼器，以便快速、精確地識別電機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)數(shù)。同時還要配備高精度且動態(tài)響應高的扭矩傳感器，與測功機的輸出軸端相連。扭矩傳感器還應具備溫度補償能力，在溫度測量范圍內(nèi)不會對扭矩測量精度產(chǎn)生影響。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以使用NI CDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點：1、高性能I/O，可以滿足各種傳感器信號調(diào)理的要求;2、靈活配置多種通道模塊可以用于溫度、電阻、電壓、電流、加速度、噪聲、頻率等各種傳感器;3、先進的數(shù)據(jù)采集技術，使用NI信號流和NI先進的數(shù)據(jù)采集技術TDMS二進制文件格式，通過同一總線讀寫更多數(shù)據(jù);4、可以方便的利用Labview的圖形化軟件，對所有模塊進行監(jiān)控。

4 輔助系統(tǒng)

本設備除了上述的幾個系統(tǒng)外還包含臺架監(jiān)控報警系統(tǒng)、變速箱機油溫控系統(tǒng)、發(fā)動機冷卻液溫控系統(tǒng)、發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)等維持動力總成正常運行的輔助系統(tǒng)。這些輔助系統(tǒng)對整個設備的動態(tài)響應無較大影響，且常規(guī)動力總成臺架已比較成熟，在此不作詳細描述。

5 結束語

理論上采用以上方案，整個系統(tǒng)扭矩響應時間約為20ms，實際響應時間還跟系統(tǒng)集成、調(diào)校有關系。由于不同的道路和試驗標準會產(chǎn)生不同的輪端扭矩，因此本方案并不能解決所有的高動態(tài)輪端扭矩模擬的問題。