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摘要：本文介紹采用Rockwell AB公司的1336系列變頻器、SLC500型PLC和DeviceNet總線構(gòu)成的交流底盤測功機(jī)電控系統(tǒng)。1336系列變頻器的優(yōu)良特性滿足了底盤測功機(jī)高精度轉(zhuǎn)矩控制的要求，整機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品的水平。
關(guān)鍵詞：底盤測功機(jī) 交流測功機(jī) 變頻器 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制 DeviceNet 摩托車
作者：趙素鄭
作者個(gè)人信息：
單位：中國兵器裝備集團(tuán)摩托車檢測技術(shù)研究所
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作者簡介
趙素鄭： 男，1952年8月出生，高級(jí)工程師。1979年畢業(yè)于西安交通大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)。主要研究方向是測功機(jī)、車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)檢測試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備研發(fā)。有兩項(xiàng)測功機(jī)方面的中國專利。
ACD系列交流底盤測功機(jī)的電控系統(tǒng)
底盤測功機(jī)是汽車、摩托車行業(yè)重要的試驗(yàn)設(shè)備。以前一直要從國外全套進(jìn)口。我所從2000年開始進(jìn)行研制，經(jīng)過幾年的努力，現(xiàn)已形成多種規(guī)格的ACD系列交流底盤測功機(jī)商品，推向市場后受到用戶的歡迎和好評(píng)。這里介紹我們開發(fā)的，以1336變頻器、SLC500系列PLC、DeviceNet總線為主要部件的交流底盤測功機(jī)電控系統(tǒng)，以期得到同行的指正。
一 底盤測功機(jī)的基本原理
底盤測功機(jī)的基本結(jié)構(gòu)請(qǐng)參看圖1。試驗(yàn)?zāi)ν熊嚨暮筝喎旁谝粋�(gè)大轉(zhuǎn)鼓上，用轉(zhuǎn)鼓的表面代替路面，相對(duì)于車輛作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)鼓軸端與測功機(jī)同軸相聯(lián)，構(gòu)成測功機(jī)—轉(zhuǎn)鼓機(jī)組。試驗(yàn)時(shí)測功機(jī)給轉(zhuǎn)鼓施加阻轉(zhuǎn)矩來模擬車輛在道路行駛時(shí)的阻力。摩托車前輪用“前輪夾持器”夾住，保證車輛前后不能移動(dòng)左右不會(huì)傾倒。試驗(yàn)車輛的正前方安放一個(gè)風(fēng)機(jī)，用于冷卻車輛。冷卻風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速要求嚴(yán)格跟蹤車速（轉(zhuǎn)鼓表面線速度），其電控也是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，通常由底盤測功機(jī)生產(chǎn)廠商配套提供。
試驗(yàn)時(shí)車輛后輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓-測功機(jī)旋轉(zhuǎn)。測功機(jī)提供阻轉(zhuǎn)矩，使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)受到的阻力等效于同等工況下在道路試驗(yàn)中受到的阻力；風(fēng)機(jī)的風(fēng)速跟蹤車速，使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)（還有傳動(dòng)箱、輪胎等）的冷卻條件與道路試驗(yàn)等效。這樣車輛就可以在底盤測功機(jī)上模擬道路行駛。系統(tǒng)還配備了對(duì)速度、時(shí)間、距離、溫度、壓力、油耗等項(xiàng)目的測量環(huán)節(jié)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，駕駛員在顯示器的提示下按照試驗(yàn)要求駕駛車輛，這樣就可以在底盤測功機(jī)上進(jìn)行車輛的性能試驗(yàn)了。例如加速性能、最高車速、燃油消耗、工況排放（要另配排氣分析儀）等項(xiàng)目試驗(yàn)。與室外道路試驗(yàn)相比，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行車輛試驗(yàn)具有安全、高效和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。
汽車用底盤測功機(jī)原理相同，也是驅(qū)動(dòng)輪放在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行試驗(yàn)。只是轉(zhuǎn)鼓寬，測功機(jī)功率大一些。
用于加載的測功機(jī)是最重要的部件。測功機(jī)（包括其控制系統(tǒng)）的形式、性能、精度直接決定了整套設(shè)備的性能和精度。可供利用的測功機(jī)主要有3種：電渦流測功機(jī)、直流測功機(jī)和交流測功機(jī)。從1960年代到1990年代直流測功機(jī)是電力測功機(jī)的主流。1990年代中期以后隨著變頻器技術(shù)的成熟與進(jìn)步，交流測功機(jī)逐步取代直流測功機(jī)發(fā)展成為電力測功機(jī)的主流。
二 變頻器的選型
底盤測功機(jī)是一種試驗(yàn)設(shè)備，要求的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度比一般生產(chǎn)設(shè)備高得多，因此其電控系統(tǒng)對(duì)變頻器的要求也比一般的生產(chǎn)設(shè)備嚴(yán)格得多，主要體現(xiàn)在：
1四象限運(yùn)行 測功機(jī)既能提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（電動(dòng)運(yùn)行）又能提供阻轉(zhuǎn)矩（發(fā)電運(yùn)行），而且絕大部分時(shí)間運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。測功機(jī)發(fā)出的電通過變頻器回饋電網(wǎng)。
2 高精度轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制 底盤測功機(jī)通常有三種運(yùn)行模式：
2.1 ASR(Auto Speed Regulate ) 轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。調(diào)速范圍＞200:1，精度優(yōu)于0.1%。
2.2 ATR(Auto Torque Regulate ) 轉(zhuǎn)矩自動(dòng)控制。轉(zhuǎn)矩調(diào)整范圍＞500:1 精度 0.5%
2.3 ALR(Auto Load Regulate ) 自動(dòng)道路負(fù)荷控制。每一車輛的行駛阻力是車輛慣性質(zhì)量、行駛速度、加速度、爬坡坡度角等變量的函數(shù)。測功機(jī)要按照設(shè)定的函數(shù)關(guān)系實(shí)時(shí)控制測功機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩，使車輛在底盤測功機(jī)上試驗(yàn)與在道路行駛試驗(yàn)效果一樣。
我們分析怎樣用變頻器來實(shí)現(xiàn)上面3種運(yùn)行模式：
ASR模式，對(duì)于工程型變頻器，只要加上編碼器反饋形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，很容易滿足要求。
ATR模式，精度要求太高，現(xiàn)有的各種變頻器，無論是矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）還是磁場定向技術(shù)（Force），用直接控制轉(zhuǎn)矩的方法都達(dá)不到0.5%的精度。各變頻器廠商給出的轉(zhuǎn)矩控制精度指標(biāo)大體是：有編碼器反饋2%，無編碼器反饋5%。這樣精度對(duì)于大部分生產(chǎn)機(jī)械或許夠了，對(duì)于測功機(jī)還不行。要滿足測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制精度要求，必須使用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
ALR模式是ATR的擴(kuò)展，要另外用一個(gè)稱作“道路阻力設(shè)定器”的單元來完成速度的實(shí)時(shí)測量和行駛阻力的計(jì)算，算出的結(jié)果作為轉(zhuǎn)矩指令下達(dá)給變頻器，變頻器控制測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。
3 上述3種模式能在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中平穩(wěn)切換。
4 電磁干擾要小。底盤測功機(jī)電控系統(tǒng)里至少要有2臺(tái)變頻器，而且要向電網(wǎng)回饋電能。極易對(duì)周圍的電器造成干擾。實(shí)驗(yàn)室周圍往往有許多其他儀器、試驗(yàn)設(shè)備。因此變頻器的電磁兼容性一定要好。
我們根據(jù)上面的要求在市場上初選了4個(gè)品牌變頻器，經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)查分析后選用了Lockwell AB公司的1336系列變頻器。
三 系統(tǒng)構(gòu)成
參看圖2 。這是一個(gè)雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。主回路中使用了整流回饋單元1336Regen；可將直流母線上的電能回饋電網(wǎng)，以保證測功機(jī)四象限運(yùn)行。對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制要求嚴(yán)格的測功機(jī)變頻器選用了具有Force技術(shù)的1336Impact，風(fēng)機(jī)變頻器只有轉(zhuǎn)速控制，用了1336PlusⅡ。
整流回饋單元Regen設(shè)定在DCbus工作模式，測功機(jī)變頻器Impact和風(fēng)機(jī)變頻器PlusⅡ與Regen共用直流母線，由Regen供/饋電。這樣的結(jié)構(gòu)使測功機(jī)發(fā)出的電可以經(jīng)過變頻器直流母線直接送到風(fēng)機(jī)變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
底盤測功機(jī)系統(tǒng)中的雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)有這樣一些特點(diǎn)：
1底盤測功機(jī)在正常做車輛試驗(yàn)時(shí)，測功機(jī)總是提供阻轉(zhuǎn)矩處于發(fā)電狀態(tài)，風(fēng)機(jī)電機(jī)總是提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩處于電動(dòng)狀態(tài)；
2風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（成比例）跟蹤測功機(jī)轉(zhuǎn)速；
3兩臺(tái)電機(jī)有共同的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比；
4兩臺(tái)電機(jī)的額定功率處于同一量級(jí)：（摩托車用）測功機(jī)22-55kW，風(fēng)機(jī)電機(jī)30-55kW。
對(duì)于這樣的雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)而言，兩個(gè)電機(jī)共用直流母線無疑是最佳的方案。測功機(jī)發(fā)出的電功率大于/小于風(fēng)機(jī)電機(jī)耗電功率時(shí)，只有差額部分通過整流回饋單元Regen自動(dòng)向電網(wǎng)回饋/索取，電能大部分在系統(tǒng)內(nèi)部通過直流母線交換，使整個(gè)系統(tǒng)與電網(wǎng)之間電能交換功率降至最小，對(duì)電網(wǎng)的污染也降至最低。眾所周知工作在PWM狀態(tài)下的變流器對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成污染，向電網(wǎng)饋電比從電網(wǎng)用電污染更甚。我們實(shí)際測量了不同情況下系統(tǒng)直流母線的流向，進(jìn)行摩托車試驗(yàn)時(shí)，一般總是測功機(jī)發(fā)電功率小于風(fēng)機(jī)電機(jī)耗電功率，向電網(wǎng)饋電的機(jī)會(huì)不多。當(dāng)測功機(jī)和風(fēng)機(jī)在高速大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)整個(gè)設(shè)備的進(jìn)線電流卻不大，這種現(xiàn)象引起客戶的關(guān)注繼而得到好評(píng)。
測功機(jī)是一種動(dòng)態(tài)控制、測量動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，安裝有高精度的轉(zhuǎn)角編碼器和轉(zhuǎn)矩測量裝置。為實(shí)現(xiàn)ASR轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行方式，在Impact上加裝了編碼器接口板L7E，測功機(jī)的編碼器通過L7E接入Impact構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，輕輕松松達(dá)到0.05%的調(diào)速精度。
再來看轉(zhuǎn)矩控制，變頻器里顯示的“轉(zhuǎn)矩”是根據(jù)電壓、電流、相位等電參數(shù)算出來的的“電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩”，與測功機(jī)實(shí)測出的“機(jī)械軸轉(zhuǎn)矩”相比，精度差得遠(yuǎn)，達(dá)不到千分之幾的精度。再者無論變頻器內(nèi)部各種控制環(huán)節(jié)如何復(fù)雜，從“變頻器-測功機(jī)”系統(tǒng)總體上看直接轉(zhuǎn)矩控制方式是“開環(huán)”的。因此直接利用變頻器轉(zhuǎn)矩控制功能是達(dá)不到測功機(jī)ATR工作方式精度要求的。測功機(jī)控制系統(tǒng)必需構(gòu)成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，并且轉(zhuǎn)矩大小必須是用力學(xué)方法測量出來的機(jī)械軸轉(zhuǎn)矩。而不是用電參數(shù)算出來的電磁轉(zhuǎn)矩。
從自動(dòng)控制理論我們知道構(gòu)成閉環(huán)控制必須要有測量、反饋、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等幾個(gè)環(huán)節(jié)。測功機(jī)本體上已經(jīng)安裝了高精度轉(zhuǎn)矩測量裝置，執(zhí)行器就是變頻器和測功機(jī)，現(xiàn)在只缺少進(jìn)行比較計(jì)算的調(diào)節(jié)器。可以用運(yùn)算放大器構(gòu)成硬件PID調(diào)節(jié)器，這是早期測功機(jī)控制系統(tǒng)的典型做法；也可以用計(jì)算機(jī)構(gòu)成數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，用軟件來實(shí)現(xiàn)，這種方法對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，容易與其它子系統(tǒng)爭奪系統(tǒng)資源，導(dǎo)致可靠性不高。我們?yōu)檗D(zhuǎn)矩閉環(huán)問題頗費(fèi)了一番心思，最后利用Impact內(nèi)部的Ptrim功能構(gòu)成了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。測功機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過Impact的Analog Input 1端口接入變頻器作為反饋信號(hào)，變頻器里的Ptrim環(huán)節(jié)包含一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，用作轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，通過設(shè)置、鏈接相關(guān)Parameter構(gòu)成了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。這樣比前面說的方法簡單、可靠、效果好。測功機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度達(dá)到了0.5%，測功機(jī)動(dòng)態(tài)特性良好，充分展示了交流測功機(jī)精度高和響應(yīng)速度快的優(yōu)良特性，為整套底盤測功機(jī)的高技術(shù)指標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
底盤測功機(jī)是一種復(fù)雜的、自動(dòng)化程度很高的設(shè)備，計(jì)算機(jī)、變頻器、PLC之間傳輸?shù)男畔⒉簧佟，F(xiàn)在我們用AB公司的SLC500系列PLC做底層測量和控制，諸如互鎖、報(bào)警等均由PLC管理。試驗(yàn)車輛的溫度、轉(zhuǎn)速等一些測量工作由Flex IO模塊擔(dān)當(dāng)。PLC、變頻器、Flex IO通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)互連，主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)線與PLC相連，這樣就組成了一個(gè)小小的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，各種指令、信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。與我們?cè)缙诘腎O單線傳輸方式相比，使用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的測功機(jī)設(shè)備的特點(diǎn)是：
１設(shè)備內(nèi)部連接電纜大大減少，現(xiàn)場安裝工作快捷。
２傳輸?shù)男畔⒘看罅恕?/DIV>
３傳輸?shù)闹噶睢⑿畔⒕雀吡恕Ｔ瓉鞩O方式下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩指令經(jīng)由計(jì)算機(jī)算出后要經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換成模擬電壓接入到變頻器的Analog Input端口，再由變頻器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能進(jìn)行計(jì)算控制。本來計(jì)算機(jī)和變頻器里用的都是數(shù)字量，中間傳輸環(huán)節(jié)這么AD、DA的轉(zhuǎn)換兩次不但費(fèi)事還人為的降低了精度加進(jìn)了失真。
4 信號(hào)抗干擾能力提高了，原來的一些模擬信號(hào)線（例如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩指令）容易受到變頻器等外界干擾，現(xiàn)在用網(wǎng)絡(luò)傳輸，外界干擾影響少多了。
５ 造價(jià)提高了。DeviceNet需要通過PLC里的Scaner實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和變頻器的信息傳輸，而低檔的PLC沒有Scaner 這就限制了用戶只能使用較為高檔的PLC；另外DeviceNet的原裝電纜、接頭價(jià)格不菲，這些都導(dǎo)致了成本的上升。
四 使用效果
底盤測功機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和可靠性主要取決于測功機(jī)-轉(zhuǎn)鼓機(jī)組和電控系統(tǒng)。對(duì)此我們采取的措施是：
測功機(jī)-轉(zhuǎn)鼓機(jī)組 采用我所具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利產(chǎn)品“外風(fēng)冷全封閉式交流電力測功機(jī)”。精心設(shè)計(jì)制造的機(jī)械結(jié)構(gòu)加上裝有高精度光電編碼器（轉(zhuǎn)速傳感器）和0.02級(jí)力傳感器（轉(zhuǎn)矩傳感器），從根本上保證了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測量精度。
電控系統(tǒng) 以Lockwel AB公司的產(chǎn)品（1336系列變頻器、SLC500系列PLC、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)）為基礎(chǔ)件，構(gòu)成完善可靠的控制環(huán)節(jié)。
1336Impact變頻器的優(yōu)良性能（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度）和豐富功能令人滿意，所需要的功能變頻器里幾乎都給準(zhǔn)備好了，其精度大可完全放心。如果要建立一個(gè)復(fù)雜的高精度的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，只要認(rèn)真學(xué)習(xí)其原理，合理設(shè)置通道、建立信號(hào)鏈接，調(diào)整好信號(hào)通道的滿度系數(shù)、偏移量、通道帶寬等參數(shù)，就可望達(dá)到所期望的效果。
以Lockwell AB公司器件為主的ACD系列交流底盤測功機(jī)具有優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)和良好的可靠性，自主研發(fā)的測功機(jī)與1336Impact變頻器配合良好，相得益彰，整套設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)（轉(zhuǎn)矩靜校、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制精度、速度控制精度等）達(dá)到了工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品的水平。
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