高动态轮端扭矩试验台架的设计

李荣富　刘启安

摘 要：通过需求和理论分析，得出达到高动态轮端扭力响应的设备方案。从而使动力总成整车路试转移到台架进行成为可能，这将可以减少道路试验的数量，缩短验证的时间，提高开发效率。

关键词：动力总成 台架 高动态 变频器 轮端扭矩

1 引言

动力总成是汽车的核心部件，起到产生动力，传递动力的作用，使车辆得以运行。动力总成的开发质量也是整个汽车行业核心竞争力的体现。因此，围绕动力总成的验证也得到格外重视。动力总成又可以分为发动机和变速器两大部件，这两大部件的台架试验都已经比较成熟，试验的标准有国家标准、企业标准等。但是动力总成的台架试验还比较单一，常常是通过动力总成整车路试来进行验证，整车路试又受到时间、试验场地、人员、天气等条件的限制，不能及时的、快速的进行试验。虽然常规的动力总成台架已经是比较成熟的设备，可以实现路谱的导入及测试，但是无法实现高动态的轮端响应。为了能高效的进行动力总成试验，我们将研究在台架上实现路试工况，特别是轮端扭矩工况的可行性。

2 系统组成

高动态轮端扭矩试验台与常规的动力总成台架结构一致，包括测控系统，测功机系统，数采系统，以及辅助系统（图1）。

3 技术方案

本台架的目标是要实现轮端扭矩的高动态响应，而在测功机扭矩控制系统中，扭矩控制的方式如下：工控机控制系统发出扭矩目标指令，变频系统DCU根据指令控制逆变器PWM占空比，从而改变电机线圈电流，线圈磁通量发生变化，达到改变输出扭矩的目标;同时输出轴扭矩法兰采集实际扭矩值进行反馈，PID控制器根据反馈进行调整，从而形成闭环控制。这样的控制方式无法实现轮端扭矩的高动态响应。因此，需要在测控系统、变频系统、闭环系统三个方面进行动态响应提升，本文主要对这几个系统进行描述。

3.1 测控系统

测控系统即“测量”+“控制”的系统，依据被控对象被控参数的检测结果，按照人们预期的目标对被控对象实施控制。主要包含四个部分：信息测量、信息处理、信息传输、信息控制。

同时，测控系统应该具备自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测等功能。当前的测控系统，以计算机及软件为核心，可以方便的实现各种复杂运算和功能。随着计算机主频的快速提升和电子技术的迅猛发展，以及各种在线自诊断、自校准和决策等快速测控算法的不断涌现，现代测控系统的实时性大幅度提高，从而为现代测控系统在高速、远程以至于超实时领域的广泛应用奠定了坚实基础。为了方便的实现人机交互，已经开始应用可视化图形编程软件，以及图像图形化的结合、以及三维虚拟现实技术。

随着现今被测发动机，变速器和动力总成复杂性提高，对自控系统提出了更高要求，例如数据处理阶段的高数据流，更高的系统同步要求，深度结合测量设备和高性能接口到ECU/TCU，以及不可信数据识别等以避免重复测试和缩短测试时间。

因此，本试验台测控系统需要考虑以下主要功能模块：

用户管理及登录模块，控制参数设置模块;PID参数设置模块;实时曲线设置模块;

集成CAN_DBC支持程序，满足用户随意导入DBC文件，并对DBC文件进行数据读写，保存，记录等功能;常规控制功能：起动、停车、复位等功能、常规运行参数手动输入、手动旋钮控制等点动功能;程控文件的编辑和运行，随意设置运行各步骤的过渡时间、运行时间、扭矩、转速等控制参数;系统必须是开放式的，可接入符合主流通讯协议的各种测量仪器;数据處理及报表输出模块等。

考虑到工况控制要求实现高速数据采集，快速工况运算，实时输出控制量。测控系统可以考虑选用NI嵌入式实时控制器CRI0，具有高精度计时、多级中断机制、良好的实时调度机制等特点，控制系统响应可达到1ms。

控制软件采用基于NI Labview平台开发，配合实时控制器CRI0，可实现高速实时运算和控制能力。

数据采集采用IN高速采集模块，配合Labview-CRI0实时控制器，可实现500KHz采集频率，满足高频扭矩抖动实时采集要求。

3.2 变频驱动系统

测功电机的驱动控制由电机驱动系统实现，驱动器将控制器产生的弱电指令信号放大到电机运行所需要的高压、大电流等级。它由电源模块、加载电机逆变模块、驱动电机逆变模块等组成。测功机与380V、50Hz交流电网相接，经断路器、主接触器、网侧电抗器、回馈用自藕变压器接入电源模块（整流/回馈单元），然后通过公共的直流母线，经逆变模块（逆变/整流单元）向下与电机联接。

对于动力总成测试设备，测功机的控制方式通常有两种：矢量控制和直接转矩控制（DTC）。两种控制的原理、特点见表1：

本台架对扭矩的响应要求比较高，经过测试，矢量控制方式的扭矩响应结果不太理想。在此，我们考虑采用直接转矩控制（DTC）的控制方式，该控制方式免去了矢量变化的复杂计算，不需要通常的PWM脉宽调制信号发生器，控制结构简单;同时该控制方式可直接对电机磁通量和转矩进行控制，通过高速数字信号处理器与电机软件模型相结合，可以使电机的状态每秒钟更新数万次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较被不断的更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。，得到较好的扭矩响应时间。可以考虑使用ABB C880系列变频器，该系列变频器将DTC技术和模糊控制理论合二为一，是一款高性能的变频器调速产品，可达到扭矩响应≤5ms，同时为满足扭矩响应速率，变频器功率应该适当选大一些。同时使用ABB的控制系统，无需其他附加软件，即可支持感应电机、永磁同步电机、同步磁阻电机和感应伺服电机。

测功机的控制还有开环和闭环两种形式，通常是采用PLC或者PID控制器实现PID闭环控制，但这种方式从数据采集到数据微积分处理用时>50ms，无法跟上扭矩直接控制系统，在高频波动的工况下容易出现过冲和波动，不利于实现高频波动轮端扭矩工况。因此，在进行高动态扭矩工况时应选用开环控制方式，其他动力总成试验时选择闭环控制。

3.3 测功机系统

本设备需要配置两台测功机，用以模拟车轮负载，提供轮端扭矩。由于试验台需要具备高的响应特性，加载测功机应选用低转动惯量的电机，电机的模拟或真实惯量可调，具备模拟驾驶员和整车典型工况以及道路路谱的功能。能够根据台架控制系统输入的点火开关、油门踏板、油门变化率、制动踏板、制动踏板变化率、巡航模拟等模拟驾驶员的信号，以及根据输入的车重、车速、变速器速比、主减速比、传动效率、迎风面积、空气阻力系数、滚动阻力系数、轮胎半径、坡度等参数，实现滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力、制动阻力等整车参数的模拟。

根据测试样件的参数，我们选用的电机参数见表2：

测功机还应配备高精度的增量式编码器，以便快速、精确地识别电机的转向及转数。同时还要配备高精度且动态响应高的扭矩传感器，与测功机的输出轴端相连。扭矩传感器还应具备温度补偿能力，在温度测量范围内不会对扭矩测量精度产生影响。

3.4 数据采集系统

数据采集系统可以使用NI CDAQ模块化数据采集系统，该系统的特点：1、高性能I/O，可以满足各种传感器信号调理的要求;2、灵活配置多种通道模块可以用于温度、电阻、电压、电流、加速度、噪声、频率等各种传感器;3、先进的数据采集技术，使用NI信号流和NI先进的数据采集技术TDMS二进制文件格式，通过同一总线读写更多数据;4、可以方便的利用Labview的图形化软件，对所有模块进行监控。

4 辅助系统

本设备除了上述的几个系统外还包含台架监控报警系统、变速箱机油温控系统、发动机冷却液温控系统、发动机燃油供给系统等维持动力总成正常运行的辅助系统。这些辅助系统对整个设备的动态响应无较大影响，且常规动力总成台架已比较成熟，在此不作详细描述。

5 结束语

理论上采用以上方案，整个系统扭矩响应时间约为20ms，实际响应时间还跟系统集成、调校有关系。由于不同的道路和试验标准会产生不同的轮端扭矩，因此本方案并不能解决所有的高动态轮端扭矩模拟的问题。