湖南大學碩士學位論文交流異步電力測功機系統的設計與建模姓名：趙杰申請學位級別：碩士專業：機械電子工程指導教師：張桂香20090420碩上學位論文摘 要隨著摩托車應用的日益廣泛，人們對摩托車發動機的排放等性能要求日趨嚴格，而摩托車發動機的性能試驗是其生產、維修和研究中不可缺少的一個環節。發動機實驗臺架是進行發動機性能試驗的主要設備，是其它測試設備的基礎。本文重點闡述了基于摩托車發動機的交流異步電力測功機控制系統的仿真和研究。本文先介紹了基于摩托車發動機的交流異步電力測功機系統的基本工作原理，分析了測功原理及系統各主要轉矩量之間的關系，討論了測功機穩定運行的條件，為測功機系統的建立奠定了理論基礎；然后從以下幾方面對系統進行闡述：在硬件設計方面，本文介紹了基于摩托車發動機的交流異步電力測功機系統的設計，闡述了雙CPU系統的工作原理，設計了實時控制子系統和人機交互子系統，分析了雙口RAM的工作原理。在此基礎上，設計了基于模擬電路的油門控制器控制電路，并對調試過程進行了分析。在軟件設計上，設計了基于LabVIEW的人機交互上位機程序，根據交流異步電力測功機系統的控制要求，設計了主程序流程圖；根據LabVIEW軟件編寫的特點，對上位機程序分模塊進行闡述。通過串口通訊對數據進行采集，利用中值濾波對數據進行處理，利用報表的方式對數據進行存儲和圖表顯示。在仿真方面，對測功機各個模型進行分析，在此基礎上建立了測功機系統的數學模型，并利用Simulink建立了測功機系統的仿真模型，采用傳統PID、單神經元PID、改良的單神經元PID算法對系統進行仿真，得到仿真曲線。將仿真結果進行比較和分析，選擇適合于本系統的控制算法，通過仿真曲線與實驗結果的分析比較驗證仿真模型的正確性。本文詳略分明，對測功機系統進行了綜合的闡述。最終試驗證明，本系統仿真模型的正確性和系統的設計能滿足發動機臺架試驗的要求。關鍵詞：油f-1控制器；發動機測試；交流電力測功機：速度特性；負荷特性：雙CPU；單神經元PID交流異步電力測功機系統的設計與建模AbstractWith the widespread application of motorcycle，the requirement for dischargeand other performance of motorcycle is becoming stricter and stricterThe motorcycleengine performance testing is an important step in manufacture，maintenance andresearchThe motorcycle engine testing table is a main equipment for engineperformance testing，and a foundation of other testing equipmentsThis article focuseson simulation and research based on asynchronous exchange of motorcycle enginedynamometer power control systemFirstly,this article introduces the basic principles of the system，the operatingprinciple and the relations among the main torques of the system and discusses thestability conditions of the systemAll of the above lay a solid theoretical foundationfor the systemS set upSecondly，this article elaborates the system from the followingaspectsFrom the aspect of hardware designing，this article introduces the design of thesystem，elaborates the operating principle of the dualCPU system，suggests a designmethod to the man-machine interface，and explains the working principle of dualportRAMAfter that，this article makes a detailed description of the design of theaccelerator control system and analyzes the debugging processFrom the aspect of software designing，this article focuses on the host computerprogram design based on the Labview,lists the main program flow chart，and makes adetail classification description introduction to modularization of software designCollects data through the serial ports communication，processes data through themedian filtering，and storages and charts data through statementsFrom the aspect of simulation，this article sets up mathematical model fordynamometer system on the basis of analysis of various modelsThe simulation wasset up through SimulinkThis article USeS a certain kind of method to make asimulation of the system，and then the simulation curve is obtainedAt last，comparingthe simulation results to experimental results，verifies the correctness of themathematical modelIt has a guide sense to the system controllingThis article makes a comprehensive elaboration to the dynamometer systemTheexperimental results verifies the simulation modelS correctness and the design of thesystem can achieve the requirement of the engine testing碩士學位論文geywords：throttle controller；engine testing；AC Power Dynamometer；speed characteristics；load characteristics；Dual CPU；single neuron PIDIV碩上學位論文附表索引表61變頻調速電機仿真電氣參數48表62錢江125發動機的性能參數52X湖南大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。儲始易襲、 -一 吼。7年歲月昭日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密口，在 年解密后適用本授權書。2、不保密口。(請在以上相應方框內打“”)作者簽導師簽日期：日期： 倦傍月月一r卜年年叩7碩士學位論文第1章 緒 論11本文背景和國內外發動機測試的發展與現狀隨著人們經濟收入的不斷提高，摩托車作為方便快捷的交通工具，日益受到人們的青睞，需求量增加的同時也促進了中國摩托車行業的迅速發展。1993年我國的摩托車產量已達至EJ3341萬輛，超過日本當年產量，首次產量位居世界第一【l】；1995年產量為7866萬輛，超過日本歷史的最高水平；1996年我國的摩托車產量突破1000萬輛大關。但與此同時摩托車排放的廢氣污染物對環境的污染也越來越被政府和人們所重視，世界各國對摩托車廢氣排放限制也越來越嚴格。為適應摩托車產品廢氣排放在新形勢和未來形勢條件下的要求，改進和完善各種排放是法規驗證需要的試驗手段。發動機試驗是發動機生產、維修和研究中不可缺少的一個環節，在設計和生產過程中，許多重要的性能參數都是通過發動機試驗的方法獲取，利用測得的性能數據，繪制出各種特性曲線，對發動機整機運行狀態與調整方向進行詳細地了解，從而對改進發動機設計具有重要的指導意義【2】。發動機實驗臺架是進行發動機性能試驗的主要設備，是其它測試設備的基礎。它主要對發動機進行轉速、扭矩測試和各種性能試驗，也可以用于其它原動機和電機、齒輪箱、油泵油嘴調速器等零部件的性能試驗、耐久試驗。因此廣泛應用于企業、科研機構、大專院校實驗室。早期的發動機試驗臺架大多采用水力測功機作為耗能裝置，其負荷的調整完全靠手動調節完成；轉矩的測量是借助于加載磅錘的偏轉所形成的力矩，由偏轉的指針在表盤上對應的讀數來反映轉矩的大小，用這種完全手動的操作方式形成穩定工況需要很長的時間，且操作和數據記錄很不方便，需要人手也較多。在計算機技術和電子技術廣泛應用之前，大多數內燃機生產廠家和科研機構進行發動機測試試驗時，測試參數都是采用人工記錄，并由人工進行數據處理，再由人工整理成數據表格，然后進行試驗曲線繪制。這樣的測試手段必然導致試驗和開發周期較長，人工環節較多而導致原始數據記錄和數據處理誤差較大等缺點，很難滿足發動機自動化測試和研究的要求13J。90年代，國外發動機行業在市場競爭和環境保護的雙重壓力下，產品綜合技術水平有了很大提高。一方面發動機的研制開發對測試技術提出了更高的要求；反過來，測試水平的提高又為研制開發高性能發動機提供了可靠的技術保證。因此，許多國外發動機廠商和研究機構都非常重視發展和完善各種先進的測試技術。近年來，發動機測試技術與現代動力工程技術的發展相適應，產生了飛速發展。隨著電子技術、傳感器技術、計算機技術和控制技術的推廣與應用，以前采交流異步電力測功機系統的設計與建模用人工采集處理測試數據、手工繪制曲線和人工操作控制發動機及能耗裝置等測試技術手段正被計算機自動測控系統所代替，測量和控制精度、可靠性、穩定性和靈活性都有了很大提高。從早期利用測功機進行手動的單一項目的測試，到目前完善的自動測試系統，發動機試驗臺架在不斷地應用科技發展的新成果。現代的發動機測試臺架集數學、自動控制、信號處理、人工智能、電子技術等各種現代科學技術于一體，其解決的主要問題是：(1)發動機的運行參數監測與控制；(2)測功機阻力矩的實時控制；(3)測控參數的高速采集；(4)測試數據的分析及圖形處理等。日本淵野公司ESF100型發動機臺架試驗系統，采用計算機集成控制，能夠對各種測試參數進行實時采集，并且能夠實現數據處理、特性曲線繪制等功能；同時，采用MC技術的發動機臺架試驗系統使用高速交換以太網構成的現場信息總成，通過數據分布處理技術，實現了多個測控系統數據的實時監控與集中處理，并能完成數據庫的實時建立與管理，使系統可擴展性與升級能力得到了很大程度的提高【4j。在國外，發動機測試設備的主要生產廠家有：日本小野測器，奧地利AVL，策爾納等。目前國際上應用廣泛的是奧地利AVL公司的產品【551。AVL的發動機測試設備種類齊全，適用范圍廣，測試精度高，技術先進，是國外內燃機測試行業的首選設備。但是它也毫不例外的具有進口設備的通?。簝r格昂貴，因此目前在國內使用較少15J。12國內外測功機及其控制技術的發展和現狀測功機是發動機測試的重要設備，作為發動機測試系統中的能耗裝置，它不僅用來吸收被測發動機輸出的功，而且通過控制測功機可以改變發動機的負荷及轉速，形成所需的測試工況，以測定發動機實際使用的各種運行狀態下的性能指標。因此，測功機檢測和控制技術的發展對發動機測試顯得尤為重要。國內外發動機試驗臺架常用的測功機可分為水力測功機、電渦流測功機、直流電力測功機和交流電力測功機等。121水力測功機水力測功機因其單位轉動慣量的扭矩吸收能力強，長期以來成為大功率內燃機試驗優先采用的設備。目前主要有定充量水力測功機和變充量水力測功機。定充量水力測功機的吸收腔內始終充滿具有一定壓力的水，通過調節測功機的閘套開合位置(即調節測功機轉子與定子間的工作面積)來改變測功扭矩大小，這類測功機穩定性好，但結構復雜。變充量水力測功機又稱水渦流測功機。它是通過進、出水閥來調節水力測功機吸功腔內水量的多少，以達到改變其制動扭矩大小的目碩士學位論文的。變充量水力測功機工作時水壓高，噪聲大，而且在轉速高、制動扭矩小的區段幾乎不能穩定工作。目前，主要采取如下措施解決其工作不穩定的問題：采用閉環控制發動機的油門或風門來控制發動機的轉速；采用閉環控制測功機水門來控制測功機的制動扭矩；采用水力測功機的工作介質與冷卻介質分離的方法(雙介質法)。把前兩種方法結合起來，采用雙閉環控制測功系統轉速和扭矩是當今世界水力測功機的先進控制方法【541。目前，國內杭州奕科機電已開發出WE系列水渦流測功機產品。122電渦流測功機電渦流測功機利用渦電流效應吸收發動機輸出轉矩和功率，具有低慣量、高精度、高穩定性、結構簡單等特點，適用于操作控制的自動化，并且功率范圍也較寬，轉速較高，響應速度較快，測試工藝比較成熟，是目前各內燃機制造廠主要使用的測功機之一【6l?；谄淞己玫目刂菩?、可調性以及負載穩定性，電渦流測功機較合適用于發動機的開發和試驗。此外，它也適用于發動機零部件的開發研究試驗，汽車風阻、變速器、后輪軸的模擬試驗及完整的傳動系統模擬實驗等。但是，傳統的電渦流測功器吸收功率較小，技術水平偏低，自動調節系統動態結構中“恒流控制”和“恒速控制”兩個調節閉環共用一只調節器，導致恒轉矩控制和恒轉速控制達不到精度要求。而且，與水力測功機一樣，電渦流測功機只能吸收原動機的功，將其全部轉化為熱能消耗而不能回收，也不能作為電動機驅動發動機工作。由于其性能的限制，使得其精度的提高和實際應用受到限制。123電力測功機電力測功機的基本結構和普通電機相似，由轉子和定子構成，但與普通電機不同的是這種電力測功機的定子及其外殼不是固定在機座上，而是可以自由擺動。轉子通過軸承支撐在定子外殼上，定子外殼通過滾動軸承浮動的支撐在支座上，定子外殼與電機底座之間用拉壓傳感器相連接。由于定子用軸承浮動支撐，所以拉壓傳感器產生的轉矩與定子上所作用的轉矩平衡，其大小由拉壓傳感器測出，故也稱為平衡式電力測功機，它分為直流電力測功機和交流電力測功機。1231直流電力測功機直流電力測功機采用復式激勵的直流電機，利用電樞繞組切割磁力線而產生感應電動勢的原理，根據在不同電磁力作用下所產生大小不同、與轉向相反的制動力矩來控制測功機的運行狀態。直流測功電機由于控制簡單、調速平滑，性能良好，一直占據主導地位。然而，直流測功電機結構上存在機械換向器和電刷，因此具有一些無法克服的固有缺點，如造價偏高，維護困難，壽命短，單機容量交流異步電力測功機系統的設計與建模和最高電壓以及最高轉速都受到一定的限制等等，導致直流電力測功電機在大容量、高速測功系統中難以廣泛應用。1232交流電力測功機交流電力測功機按照電機類型的不同又可以分為同步電力測功機和異步電力測功機兩大類【7J。交流同步電力測功機系統原理如圖11所示。同步方案測功電機采用繞線式異步電機。由發動機直接驅動測功電機在發電機狀態下運行，K1、K3斷開K2閉合，提供直流勵磁電流給測功機轉子，作同步發電機運行方式，定子發電產生電能由電阻負載消耗或由整流、逆變系統回饋電網。在K2斷開，K1、K3閉合時，測功機可作為具有啟動電阻R的三相繞線式異步電動機運行，可用于發動機冷磨合試驗。交流同步測功機轉矩控制可以通過調節勵磁電流和負載電阻來實現，測功機本體發熱較低，功率范圍較大，操作簡單，使用方便。由于具有電刷、滑環及其繞線式的轉子結構，測功機運行速度受到限制。被測發動機 測功電機 整流器 逆變器圖11交流同步電力測功機系統原理圖交流異步電力測功機系統原理如圖12所示：倒饋逆燹圖12交流異步電力測功機系統原理圖異步方案測功機采用鼠籠式交流異步電機，定子三相繞組和三相變頻電源連接，當三相變頻電源驅動電機轉子的轉速與轉向與被測動力機械相同時，被測機械輸出接近空載。當三相變頻電源降低頻率，旋轉磁場同步轉速低于測功機轉子轉速時，測功機工作于發電機狀態，產生的電磁轉矩方向與被測機械輸出轉矩方向相反，即向被測試機械施加負載。此時，測功機將被測試機械輸出的能量轉換碩士學位論文成電能，通過輸出給大功率電阻消耗或者回饋電網【8J。在國外研制或生產的電力測功機系統中，以AVL公司的APA系列、德國SCHENCK公司的HT、LI系列產品為代表，基本實現了測功機系統的自動控制，有較好的綜合性能，并取得了良好的經濟效益，但價格昂貴，在國內的應用不多【9】。與各類水力測功機及電渦測功機相比，交流電力測功機測功范圍寬，而且可在測定原動機性能參數的同時，還以發電的形式回收能量，電能回收率可達8010】；與水力測功機相比，它節約了水資源及相應的配套設備，試驗場地干凈，對環境無污染，轉矩控制響應迅速而且測量精度高；與直流電力測功機相比，也無需經常保養，空間小、成本低。另外，平衡式交流電力測功機還可以作電動機運行來拖動發動機，實現發動機電起動、冷磨合、摩擦功率和機械損失測量。近幾年來隨著電機控制技術和電力電子技術的發展，交流傳動系統在動、靜態性能上得到了顯著提高，因此對交流測功機的研究成為主流趨勢。，目前，交流測功機并已廣泛用于發動機、汽車底盤、電動汽車、電機性能試驗、電機MS曲線試驗、液力變矩器、動力換檔變速箱、液力變速器總成、汽車變速箱、船用齒輪箱、減速器和其它傳動裝置的功率和效率測試，為各種動力機械及傳動裝置的研究開發開辟了新的應用領域。在國外研制或生產的交流電力測功機中，由AVL和ELIN公司聯合生產的APA系列測功電機具有一定的代表性，它是搖籃式籠形異步電機，主電路為交直交系統，以計算機為中心，進行數據采集、處理與工況自控。另外，還有德國申克、西門子、日本小野測功器等公司的產品。上述公司的電力測功機基本實現了自動控制，有較好的綜合性能，并取得了良好的經濟效益，但價格昂貴。我國從70年代開始研究交流電力測功機，在此之前測功機多從國外進口。1974年，湖南大學開始研究交流電力測功機，在異步方案的基礎上研究成功“同步方案”測功機，先后研制成功15KW、28KW、40KW、160KW等規格的交流電力測功機。近年來與湘潭電機廠合作，研制了交流變頻電力測功機和雙饋電力測功機。湖南大學研制的CYl 10、CYl60系列交流變頻異步電力測功機通過了鑒定，并已申請專利。這些在低成本高性能的測功機及其測控系統領域所做的研究，對我國減少對進口產品的依賴，發展民族汽車工業具有極大的經濟價值和實際意義【5J。13本文涉及的基本問題和研究對策本文交流電力測功機系統由若干功能模塊組成，其基本組成包括：交流電力測功機、耗能負載電阻、各種傳感器、信號調理模塊、油門控制器、直流力矩電機、變頻器、單片機控制模塊(AD輸入、DA輸出、IO模塊)等。電力測功機作為發動機的負載，測功時在發電狀態運行，所產生的電能由負載電阻消耗。測功機系統是一個復雜的多模塊系統，需要進行研究和深入探討的問題和理論有很多，本交流異步電力測功機系統的設計與建模文針對測功機系統研究中的以下幾個部分展開論文的撰寫：重點介紹了測功機的工作原理，系統整體數學模型的建立和仿真驗證，簡要介紹了系統的組成和硬件軟件的有關設計，詳細地闡述了油門控制器的方案選擇和基于模擬電路方案的設計與調試，給出了交流電力測功機系統的上位機程序的編寫方法并對系統的實驗與仿真結果進行了分析。 131電力測功機系統以及油門控制器的設計測功機系統要對數據進行采集和處理必須設計相應的硬件與軟件系統，測功機測試及控制系統硬件主要包括：轉矩、轉速、溫度、電壓與電流等傳感器及相應的信號調理電路、單片機控制板各模塊，鍵盤和LCD屏以及油門控制器及其執行機構等。本文根據實際應用對系統的硬件設計進行了有重點性的介紹，詳細的介紹了雙CPU系統的工作原理，對油門控制器的設計方案進行比較，選擇了模擬電路搭建油門控制器的方法并對最終的設計方案進行了詳細的闡述。本文中采用LabVIEW編寫電力測功機系統上位機程序，上位機程序通過與單片機進行通訊控制試驗的過程，實現操作人員對試驗過程的交互式的控制，通過前面板對試驗的數據進行實時顯示并同時進行監測，一旦數據異常則進行報警提示并同時終止有危險的實驗步驟的繼續運行，對試驗的數據進行采集濾波并保存。整個程序采用模塊化設計，對實驗的各種相關信息進行保存，極大的方便了實驗過程和結果查詢。132電力測功機系統的原理、數學模型與仿真驗證在進行測功系統控制研究時，首先要認識被控系統各部分的運動規律、各量之間的因果關系或定量關系以便于分析、設計。因此，必須建立系統主要物理量變化規律的數學模型。本文首先分析了測功系統工作的原理，圍繞測功電機運行時定、轉子上各轉矩之間的定量關系進行了詳細的討論，在此基礎上進一步對測功電機模型進行了深入的研究，尋求出測功系統轉速、轉矩控制方案。交流電力測功機系統由若干功能模塊組成，包括變頻器、摩托車發動機、電力測功機、油門控制器等。各個模塊在輸入條件發生改變的情況下，模塊的輸出值呈現有一定規律卻非線性的變化，為了更深入了解系統各個模塊之間輸入輸出量的關系以及對他們采用控制算法后系統輸入輸出量的變化，觀測系統的整體響應以及對系統測量數據的影響，在對系統的數學模型進行分析和有針對的簡化的基礎上，建立系統各個模塊的數學模型，利用Simulink建立系統的整體仿真模型，通過給定輸入信號與相應的控制算法對系統進行仿真，得到系統相關參數的曲線，為實際控制方案的選擇提供一定的理論依據。碩十學位論文14本文的課題來源及主要內容安排本文研究課題是以湖南大學機械與汽車工程學院承擔的北方發動機研究所的橫向課題“交流電力測功機及其測控系統開發”為研究背景，具有實際的工程背景和應用價值。根據作者的開發實踐與心得，從該系統的技術理論基礎、軟件和硬件開發等方面進行全面陳述。本文下面的結構和主要研究內容安排如下：第一章闡述了本文的研究背景、國內外發動機測試的發展和現狀，以及本文研究的現實意義；討論了發動機測試中最主要的設備測功機，以及其控制技術在國內外的發展和研究狀況，重點討論了本文研究的交流電力測功機的特點、測功方案和系統工作原理。最后，對本文研究的主要內容、難點以及研究對策等方面詳細地進行了總體概述，提出了本文的研究背景、意義和課題來源。第二章詳細討論了測功系統工作原理，詳細分析了測功系統內部各轉矩量之間的關系，研究了系統的測功原理，提出了通過測量轉矩和轉速的間接測量系統功率的方法。然后根據情況對系統的工作穩定性進行了說明，介紹了發動機測試系統的速度特性實驗和負荷特性試驗的具體內容和控制要求，為后續章節的研究打好理論基礎。第三章對測功機系統相應的硬件與軟件系統進行了介紹，測功機測試及控制系統硬件主要包括：轉矩、轉速、溫度、電壓與電流等傳感器及相應的信號調理電路、單片機控制板各模塊，鍵盤和LCD屏等。本文給出了雙CPU控制系統的硬件組成，針對控制系統實驗的需要，給出了系統的軟件結構，同時對系統中關鍵的部分進行了詳細的闡述，對硬件設計中的一些問題進行了說明。第四章介紹了油門控制器的設計。油門控制器是由直流力矩電機和控制電路組成，油門控制器在系統中的作用十分重要，它的穩定性決定了整個系統的性能和實驗結果的好壞。它的波動會直接影響油量的進給，進而對發動機的輸出功率產生影響，導致實驗數據的波動。油門控制器的設計原則就是要保證它的穩定性，在給定了控制量以后能在最短的時間內達到控制的要求而且在沒有新的給定量出現的時候能一直保持該值不發生變化。油門控制器的設計核心就在于控制直流力矩電機的控制電路，本文中給出了控制電路的各個模塊和對其工作原理進行了闡述，給出了調試的過程。第五章介紹了電力測功機的上位機程序的設計。重點介紹了系統的主程序模塊，給出了主程序的控制流程。對初始化模塊、實驗主界面模塊、數據采集模塊、報表生成模塊的設計做了詳細的說明，對系統的通訊安全性問題進行了研究。同時對系統采集數據的處理和保存也進行了說明。第六章介紹了交流電力測功機系統數學模型，針對數學模型根據系統的實現情況進行了推導和有針對的簡化，利用Simulink建立了系統的仿真模型，包括交交流異步電力測功機系統的設計與建模流電力測功機的仿真模型、變頻器的仿真模型、發動機的仿真模型以及根據交流電力測功機系統的工作原理，將各個仿真模型的輸入輸出量聯系起來，根據發動機性能測試的要求和系統工作的實際情況，選擇了適當的控制算法對系統的控制量進行控制，建立了整個系統的仿真模型。根據對系統的仿真進行控制，得到了系統仿真的數據曲線，通過對仿真曲線的各種控制算法的分析與比較選擇最適合測功機系統的控制算法，通過仿真曲線與實驗得到的數據曲線進行比較，驗證了數學模型正確性。第七章在系統軟硬件滿足實驗條件和交流異步電力測功機系統的仿真模型建立好的基礎上，進行了系統的速度特性和轉速特性的試驗和仿真，對實驗和仿真的結果進行比較和分析，驗證數學模型的正確性和選擇更好的控制算法。碩士學位論文第2章交流異步電力測功系統的基本原理交流電力測功機系統屬于多學科交叉領域，涉及到機械、電機、電力電子、計算機和自動控制領域的理論和知識。本章以摩托車發動機實驗臺架為例，根據發動機性能測試的要求，將重點闡述測功系統的測功原理、測功電機運行時穩態轉矩分析、電力測功機系統工作穩定性分析以及發動機性能測試內容與要求。21交流異步測功機系統測功原理交流電力測功機作發動機的負載測功運行時實際上是一個處在發電狀態下的交流異步電機，它吸收被測發動機發出的功，將發動機輸出的機械能轉變成電能，通過控制測功電機來改變發動機的負荷及轉速。由于發動機自身的結構決定無法直接測出發動機的轉矩，因此通常以測功電機轉速和軸上的轉矩作為被測量，來間接測量發動機的輸出轉矩和功率。當測功電機作電動機運行時，可作為繞線式異步電動機驅動發動機啟動、冷磨合及測定機械損失。一般采用的測功方法有測定電功率法和轉速轉矩測定法兩種。測定電功率法由于測功效率易受外界負荷、轉速、溫度等的影響和電機參數受頻率、溫度變化影響較大，另再加上各種損耗，導致測定的電功率變化很大，必須采用曲線校正的方法，使得該方法的試驗工作復雜化、試驗結果不準確，因此應用較少。轉速轉矩測定法就是通過測量電機或被測試機械的轉速和轉矩，根據如下公式計算得到輸出功率【11】。如用P表示發動機輸出的有效功率(Kw)，MP表示有效輸出轉矩(NM)，以表示轉速(rmin)，則三者之間的關系為 尸：業(21)9550 、 。式(21)說明：有效功率尸是通過測定某工況下被測發動機的輸出轉矩MP和轉速療計算得到的。因此，交流異步電力測功機軸上的加載轉矩M，和軸上轉速刀是以其為基本組成的功率測試系統中兩個關鍵的檢測量。這種轉矩測試的方法結構示意圖如圖21所示。圖21轉速轉矩測定法示意圖交流異步電力測功機系統的設計與建模圖21中符號代表的意義如下：F：電機定子外殼與電機支座之間的拉力；M。E：作用在電機轉子上的電磁轉矩：M。F：作用在電機定子上的電磁轉矩。如圖所示，平衡式交流異步電力測功機結構由轉子和定子構成，但與普通電機不同的是定子及其外殼不是固定在機座上，而是可以自由擺動，是平衡浮置的。轉子是通過軸承支撐在定子外殼上的，而定子外殼通過滾動軸承浮動地支撐在支座上，定子外殼與電機底座之間則用拉力傳感器相連接。由于定子用軸承浮動支撐，因此拉力傳感器就可間接測出定子上所作用的轉矩即交流異步電力測功機的反向轉矩，該反向轉矩即為被測試設備的輸出轉矩。由于該測試方法簡單、測定的數據不易受其他因素影響，因此測定的數據比較可靠。211測功(即發電)運行穩態轉矩分析如前所述，測功電機是通過測定浮置發電機定子外殼的反向轉矩來測得發動機輸出轉矩和輸出功率。當測功電機運行在發電狀態時，假定測功電機轉子按順時針方向旋轉，則作用在平衡式測功電機定、轉子上的轉矩分別如圖22(a)、(b)所示?？袃?沁、Nr巡 一(a) (b)圖22平衡式電力測功機測功運行時的轉矩關系圖22中的符號代表的意義如下：MD：拉壓傳感器作用在定子外殼上的平衡轉矩，即測得的轉矩；MF：電刷與滑環之間的的摩擦轉矩；MP：發動機的輸出轉矩，即發動機作用在電機轉子上的機械轉矩：M礦：電機轉子轉動時，冷卻風在轉子表面形成的風摩擦阻轉矩；膨。E：作用在電機轉子上的電磁轉矩；M瓶：作用在電機定子上的電磁轉矩；碩士學位論文MR。：作用在電機轉子軸承上的阻轉矩；M。R：作用在電機定子軸承上的阻轉矩；平衡式電力測功機在測功(發電)狀態運行時，由于氣隙磁場的作用在定子和轉子上形成一對大小相等、方向相反的電磁轉矩，即 M腰=M腰 (22)當被測發動機以順時針方向轉矩MP拖動平衡式電力測功機轉子旋轉時，作用在轉子上的轉矩如圖22(b)所示。此時，測功電機轉子側，作用在電機轉子上的電磁轉矩M魁、電刷與滑環之間傳遞給轉子的摩擦轉矩MF、冷卻風在轉子表面形成的風摩擦轉矩M礦以及轉子軸承的轉矩肘船都是阻轉矩，因此方向與原動機轉矩M，方向相反，轉子力矩平衡方程式為M口=M肛+MF+M+M胎 (23)即M勝=MPM，一M矽一M肋 (24)對于測功電機定子側，作用在定子上的轉矩如圖22(a)所示。由于氣隙磁場的作用帶動定子有隨轉子同向旋轉的趨勢，因此可知作用在電機定子上的電磁轉矩M盟、電刷與滑環之間傳遞給定子的摩擦轉矩MP、轉子軸承傳遞給定子的摩擦轉矩M咫都是驅動轉矩；而且當轉子旋轉時帶動冷卻風順時針同向旋轉，必然對定子產生一個同方向的作用力矩，其大小為整個風摩擦轉矩的一小部分，用aM矽表示(口為遠小于l的系數)；同時，定子側還存在示功測力系統的平衡轉矩MD及定子軸承的阻轉矩M冊，其方向為逆時針。因此，定子力矩平衡方程式為MD+M船=M逝+MF+M船+aM (25)即M SE=MD+M明一M FM髓一aM咿 Qq由式(22)、式(24)、式(26)可得MJP=MD+M船+(1一a)M矽 (27)式(27)中(1-a)M彤表示風摩擦阻力矩M曠的一部分，這部分轉矩不是以機械轉矩的形式作用在定子上。因此，由式(27)可知：當平衡式電力測功機運行在測功(發電)狀態時，由原動機的被測轉矩MP與示功測力系統測得的平衡轉矩MD、定子軸承的阻轉矩M船和未傳遞給定子的風摩擦阻力矩(1一a)M妒等三部分轉矩之和平衡，其中平衡轉矩MD為主要部分。212拖動(即電動)運行穩態轉矩分析同理，當測功電機在拖動(即電動)狀態運行時，測功機定、轉子上轉矩的組成與測功(發電)狀態運行時的情況相似，只是各轉矩的方向和平衡情況不同。圖23交流異步電力測功機系統的設計與建模表示了電力測功機在拖動狀態運行時的轉矩平衡狀況，圖中各變量的含義與圖22相同。7厲 氯r口巡 一(a) (b)圖23平衡式電力測功機電動機運行時的轉矩關系根據上述分析，同樣可以得到圖23所示的轉矩及其方向，子側轉矩平衡方程為M RE=MP+MF 4-MW+M髓對于圖23(a)中所示的定子側的轉矩平衡方程有由圖23(b)得出轉(28)M娓=MD+刪諱r+M F+M憩+M s8 Q9)同理，由于氣隙磁場在定、轉子上產生的電磁轉矩大小相等，即M艘=M盟，故MP=MD+M船一(1一a)M矽 (210)由式(210)可以看出：當電力測功機作拖動狀態運行時，被測發動機處于被拖動狀態，其軸上的轉矩MP為阻轉矩，大小等于示功測力系統在定子上測得的轉矩Mn與定子軸承的阻力矩M船之和減去沒有傳遞給定子的風摩擦阻力矩(1一a)M。將式(27)和(210)合并得M尸=MD+材船(1一a)M緲 (211)上式中，“+”表示電力測功機處于測功(發電)狀態，“一”表示其處于拖動(電動)狀態。當采取如下一些措施：如盡量降低測功機外殼的不平衡度，采用靜摩擦小的滾動軸承，定子軸承由于僅起支撐作用可以使用液體潤滑油而不用潤滑脂，以減小定子外殼微動時的摩擦力矩等，都可以盡可能的減小測功電機的損耗轉矩必冊、肘矽。當測功機處于轉動狀態時，由于輕微的機械振動使定子支座滾動軸承的滾珠產生微小跳動，此時在潤滑油的作用下使得定子軸承的靜摩擦力矩M。R專o，導致M冊可以忽略不計。囚此，式(211)n-I表示為MP=MD(1一a)M (212)碩上學位論文令眠=(1一ct)M，稱為測功電機的空載損耗轉矩，則式(212)可表示為MP=MDMo (213)上式中，“+”表示電力測功機處于測功(發電)狀態，“一”表示其處于拖動(電動)狀態。由式(213)可知，當測功電機的轉子軸與被測發動機驅動軸分離，并且使測功電機運行在電動狀態時，MP=0，則作用在傳感器上的轉矩(即此時測功電機測得的轉矩)Mj大小等于沒有傳遞給定子的風摩擦阻轉矩，即M二=Mo=(1一ot)M礦 (214)利用測功電機運行在電動狀態空轉的這一特點可以測定不同轉速下的(1一a)M緲的大小(即風摩擦阻力曲線)，準確地對電力測功機進行動態標定。式(21)、式(211)、式(212)、式(214)分別表示了平衡式電力測功機測功、測量轉矩以及測功機轉矩標定的基本原理。22電力測功機系統工作穩定性分析對上述兩種工作狀態下電力測功機的轉矩分析可知：在某一轉速下，測功電機定、轉子上轉矩平衡是其穩定運行的條件，稱這種運行工況為測功機的穩定工況U21。測功機在平衡工況時的穩定程度是衡量測功機性能的一項重要指標，它是指當被測發動機和測功機的調節機構不動而輸出轉矩與阻轉矩之間的平衡發生破壞時，測功機自行進行載荷調整，使其轉速能迅速返回原平衡位置以等速運轉的能力。測功機能否穩定工作取決于測功機扭矩特性(M一刀曲線)與發動機速度特性的匹配。測功運行時，發動機作為原動機，測功機為從動機；電動運行時，情形相反。由式(23)、式(28)可知：電力測功機系統中與發動機轉矩平衡的主要是電磁轉矩，且電磁轉矩的變化可以反映發動機轉矩的變化趨勢；由式(213)、式(214)可知：示功測力系統測得的轉矩MD主要反映了發動機的轉矩變化，同時，也間接地反映了電磁轉矩的變化情況。因此，測功電機電磁轉矩響應特性對系統的穩定運行起到決定性的作用。在此，以MP表示發動機的輸出轉矩，M。表示測功機的電磁轉矩。當MP、M，(測功運行時為阻轉矩，電動運行時為驅動轉矩)出現瞬時變化和波動時，測功機的轉速也會隨之出現波動，此時能否恢復到原穩定工況或者進入另外一個穩定工況，則取決于測功機和發動機各自轉矩的動態響應特性【l 31。221測功運行工作穩定性分析測功電機測功運行時，若要保證其穩定地工作，則必須使測功機的電磁轉矩M。特性的動態響應(即M。對轉速刀的變化率)高于被測試發動機的轉矩MP特性的動態響應(即MP對轉速n的變化率)，即交流異步電力測功機系統的設計與建模M生dm立(絲絲)p din,、dn dn(a)穩定工況dM,dMedh dh(215)(b)不穩定工況 (c)不穩定或半穩定工況圖24測功機作測功運行時系統工作穩定性分析在圖24(a)中，當測功機與發動機在轉速玎穩定時，在4點M。=M劓。如果此時電磁阻轉矩M。暫時增大或者發動機驅動轉矩MP暫時減小，則A點的穩定工況被破壞，使轉速力降低，當n降低至時，由于此時MPM。，于是轉速又上升至么點使M。=MP。，重新恢復原穩定工況；反之，當電磁阻轉矩M。暫時減小或者發動機驅動轉矩M，暫時增大，彳點的穩定工況也將被破壞，使轉速刀上升，當刀升高至靠：時，由于此時MPM。致使轉速上升，此時M。也逐漸增大，M：慢慢減小，當療=n：時，M=M蹦，轉矩在彳重新建立新的平衡狀態，即系統可以進入另一個穩定工況點工作。在圖24(b)中，當測功機與發動機在B點工作時，雖然在B點處轉矩可以平衡，但只要M，或M，稍微變化，或者發動機轉入另一轉矩曲線工作，則轉速不是不斷上升(甚至“飛車”)就是逐漸下降至停機，即無法收斂于穩定工況點B，無法恢復到原平衡狀態，此工況稱為不穩定工況。在圖24(c)所示，當測功機與發動機轉矩曲線斜率相近且相差不大時，理論上來說系統可以穩定在C點，但實際上兩者轉矩稍有變化，都將會使轉速變化很大，致使平衡狀態恢復很慢，保持穩定運行的時間也很短(即所謂的“游車”現象)，這樣也無法滿足工作要求，所以稱這種情況為不穩定或半穩定工況。由以上三種工作狀況的分析可知：當電力測功機出于測功(發電)狀態時，測功機的轉矩特性M。=(刀)隨轉速n的增加上升越快，發動機的轉矩特性MP=廠(門)下碩士學位論文降越陡，當轉矩瞬時發生變化或者進入另一工作點時，則測功機建立轉矩平衡的時間越短，即進入穩定工況越快，系統的穩定性越好。222拖動運行工作穩定性分析測功機拖動運行時，將作為繞線式異步電動機工作，其M一刀曲線如圖25所示。作為異步電動機狀態運行時，測功機具有較硬的機械特性，即此時作為測功機負荷的發動機轉矩變化時，測功機的轉速變化不大，即望蘭較小，此時測功機d療的轉矩動態響應小于機械負載轉矩的動態響應，即一dMe盟 6)dh dh因此，測功機運行在拖動(即電動)狀態時，易處于穩定工況。式(215)、(216)即為“測功機發動機”測功系統穩定運行的條件。矩)圖25電動運行系統工作穩定性分析23發動機性能測試內容與要求發動機機臺架試驗內容十分廣泛，包括新產品或強化、改進、變型、轉廠生產的內燃機性能及耐久可靠性試驗；產品出廠前的性能調整及定期抽查試驗等。我國于1974年曾制定內燃機臺架試驗方法(GBll0574)，1984年又頒布了汽車發動機試驗方法的標準(JBn374484)?？偟膩碚f，內燃機性能測試主要包括功率標定、內燃機的負荷特性、內燃機的速度特性、萬有特性、調速特性和煙度特性等，其中比較重要的有負荷特性、速度特性。下面重點介紹負荷特性和速度特性。231負荷特性負荷特性是指內燃機轉速不變，示，則這種曲線稱為負荷特性曲線。其經濟性指標隨負荷變化的關系，以曲線表這種特性測試中，通常通過改變發動機的節交流異步電力測功機系統的設計與建模氣門開度(汽油機)或每循環的供油量(柴油機)，同時調節測功機負荷(轉矩)以保持轉速不變，然后測取發動機的負荷和經濟性能參數。在負荷特性試驗中，電力測功機處于恒轉矩工作方式，發動機處于恒轉速工作方式。改變負荷時，因為測功機轉矩隨轉速變化不大，所以轉速雖然波動，但是轉矩能很快穩定在設定值附近，而發動機的油門位置由設定轉速值與反饋的實際轉速比較，差值作為轉速控制器的輸入，經控制算法運算后輸出控制信號給油門驅動執行電機改變油門位置，油門位置的改變使轉速再次回到設定值。如圖26所示，當調節勵磁電流從f，變為f，即測功機轉矩由M。變為M。，時，通過調節油門位置到口，即可使轉速穩定在設定值n。測功機恒轉矩、發動機恒轉速運行圖26負荷特性試驗中測功機一發動機調節情況232速度特性速度特性是指內燃機性能指標隨轉速變化的關系，即發動機節氣門開度(汽油機)或油量調節機構固定(柴油機)時，其有效功率。、轉矩M、油耗率、每小時耗油量Gr等隨轉速變化的關系，此時通常只調整測功機來改變發動機的轉速。速度特性可分為外特性和部分速度特性，前者指發動機節氣門全開或供油機構固定在額定功率循環供油量位置時，測得的速度特性，它代表該機在使用過程中允許的最高性能，所有內燃機均需做額定功率速度特性試驗；后者指節氣門部分開啟或供油機構固定在額定功率循環供油量位置以下時所測得的速度特性。在速度特性試驗中，電力測功機在每個穩態測試點處于恒轉速工作方式，發動機處于恒油門位置工作方式。如圖27所示，當發動機的轉速從設定值變為擰，時，轉速外環控制器時勵磁電流從f，變為f，：，即測功機轉矩由M。變到M們，使測功系統重新穩定在轉速設定值點。碩士學位論文24本章小結測功機恒轉速、發動機恒油門位置運行圖27速度特性試驗中測功機一發動機調節情況本章在第一章對測功系統進行全面概述的基礎上，詳細地研究了測功系統的工作原理， 測功系統穩態運行時的轉矩分析，分情況對測功機系統的工作穩定性進行了說明，給出了發動機性能測試的內容，為后續章節的研究奠定基礎。交流異步電力測功機系統的設計與建模第3章交流異步電力測功機系統的設計31控制系統組成交流異步電力測功機系統采用雙CPU結構，分別采用80C196KCt23】和89S52。其中80C196KC主要進行數據的采集和算法的計算處理，單片機AT89S52主要處理鍵盤管理和液晶顯示終端管理【4u；在控制板上，留有JTAG編程接口和PWM接口，便于在線編程和進一步的電機控制工作。整個系統框圖見圖31，包括測功電機主回路和計算控制單元兩大部分。主回路包括被測發動機，測功電機，變頻器和負載電阻等設備；變頻器控制交流異步電力測功機的加載，并吸收測功機發出的電能經負載電阻消耗掉；計算控制單元是控制系統的核心，其功能是采集通過信號調理模塊處理后的轉矩、轉速和溫度值，同時發出控制指令給變頻器和發動機的油門控制系統。圖31交流異步電力測功機系統交流異步電力測功機控制系統包括圖31中的信號調理模塊和計算控制單元，主要完成轉速、轉矩、溫度等數據的高速采集、分析計算、實時控制輸出、鍵盤監控以及顯示等任務。控制系統框圖見圖32。整個系統分為以高性能80C196KC為核心的實時控制予系統和以89S52為核心的人機交互子系統。其中，實時控制子系統的任務是完成對轉速、轉矩等信號的高速采集處理，進行控制算法計算，實施系統的實時控制，而人機交互子系統的功能是對系統鍵盤進行監控以及控制液晶顯示屏的輸出1421。兩個系統通過雙口RAM芯片IDTl30進行數據交換。此外，系統使用CPLD(圖32的GALl6V8)實現邏輯電路，完成系統的譯碼，不僅減少芯片的使用數量，還大大提高了系統的可靠性【431。碩士學位論文32實時控制子系統圖32控制系統框圖圖32中80C196KC及其左半部分為實時控制子系統。實時控制子系統利用80C196KC提供的高速輸出HSO和內部定時器T1配合形成轉矩、轉速反饋信號的精確等間隔采樣，數字濾波后利用80C196KC的外設事務服務器(PTS)塊傳輸模式將數據保存到雙口RAM中供人機交互子系統使用。PTS類似于DMA操作，采用微代碼硬件中斷處理，可大大減少80C196KC響應中斷的時間30l。此外，系統還充分利用了80C1 96KC提供的內部AD轉換器，來定時采集發動機的缸蓋溫度。321轉矩檢測及其處理模塊本系統測功機屬于平衡式電力測功機，通過浮動的定子外殼與電機底座之間的拉壓傳感器測出轉矩。拉壓傳感器選用中航電測的波紋管單點式稱重傳感器，型號為HMll。它的信噪比高，抗干擾能力強，適合有電磁干擾的場合使用。AD轉換器選擇12位的ADl674，輸入電壓范圍0士10V或0-士5V，單雙極性可選。因HMll輸出電壓為0-士24mV，為適應ADl674輸入電壓要求，需要將HMll的微弱信號放大。由于存在交流電力測功機電磁干擾、發動機振動、環境氣候變化、電源及電器器件等干擾源，本系統選用儀表放大器AD620作為前置放大器，將HMll輸出信號放大到5V+5V；再接反相器實現信號緩沖和硬件調零，消除傳感器輸出信號和前置放大器的零漂；經過二階巴特沃斯低通濾波器硬件濾波后，信號通過光耦隔離電路，實現強弱電線性隔離，并使信號源的接地點與模擬輸入電路之間不共地，切斷共模干擾信號的回路，防止電路部分“共地”引入共模干擾或各路之間數據串擾。原理如圖33所示。交流異步電力測功機系統的設計與建模圖33轉矩調理電路原理圖圖33中去耦電容C3防止干擾和振蕩的發生；二極管D1、D2起限幅作用，防止尖峰電壓的出現。此外，由于實時控制子系統主要工作于8位總線寬度下，而ADl674采用12位并行輸出模式，因此系統設計時利用80C196KC的數據總線動態配置功能，通過GALl6V8譯碼使80C196KC在讀程序時置數據總線為8位方式，而讀AD轉換結果時置數據總線為12位方式，這樣一次就可以讀走AD轉換結果。在硬件上保證了高速采樣的可行性和可靠性。322轉速檢測及其處理模塊轉速傳感器選用磁阻式磁電傳感器，它結構簡單，安裝精度要求較低，無需配備電源，且輸出脈沖信號，不易受干擾。具體轉速檢測電路如圖34所示。感應磁頭產生的交變模擬信號經過LM324構成的比較電路整形處理轉化為數字信號，再由光耦器件TLP521隔離后送施密特非門觸發器74HCl4進一步整形，最后再送80C196KC外部中斷輸入口完成轉速脈沖信號的采集。圖34 E2PROM的擴展系統中有些重要的參數如PID參數、控制周期等需要保存并防止掉電丟失，碩士學位論文本系統采用ATMEL公司E2PROM芯片AT28BV256。該芯片可快速讀取，并具有字節和頁兩種寫模式。在頁寫模式中， E2PROM存貯器的內部定時器控制時序，可在一個內部編程周期內寫入一頁數據，其頁容量為256字節，并提供數據保護功能，具有卓越的抗干擾能力。33人機交互子系統圖32中的右半部分即為人機交互子系統。人機交互子系統的鍵盤監控、參數顯示任務實時性要求不高，因此采用89S52作為核心處理芯片。在發動機的性能試驗中，需要輸入各個控制的目標值，如恒轉速試驗的轉速目標值，恒轉矩試驗中的轉矩目標值、節氣門開度的給定值等。如果采用模擬器件作為給定器件，則必須在信號進入控制板前進行AD轉換，從而增加了成本；另外，由于模擬器件長期運行會產生溫漂，造成反饋信號刖D采樣的偏移，從而對控制造成影響，因此在系統中采用數字鍵盤方式對控制量進行給定。鍵盤包括“0-9”數字鍵和“確認”，“上翻”，“下翻”，“取消”，“設置”，“控制鍵”等功能鍵共16個鍵。89S52通過TOSHIBA公司生產的可編程顯示接口芯片82C79自動完成鍵盤的掃描輸入。82C79能自動清除按鍵抖動，并實現多鍵同時按下的保護；顯示部分按掃描方式工作，可以連接8位或16位LED顯示。由于采用液晶模塊顯示參數，故沒有使用82C79驅動LED的功能。89S52通過中斷與82C79進行通信，因為82C79產生中斷信號為上升的跳變脈沖，而89S52的中斷觸發為下降的跳變脈沖，所以信號需接反向后才能相連。具體連線圖如圖35所示鵠 鵠 鵲 揣 精焉 晶 鵠 鼎 精螞 峨 鵠 鵠 嗡圖35鍵盤電路連線圖由于實時控制子系統忙于信號采集、分析計算和實時控制，不可能直接和人機交互子系統進行通信，因此系統采用雙口RAM來緩存傳輸的數據。人機交互子系統將從鍵盤收到的給定數據和表示控制模式的控制字放入雙口RAM，實時控制子系統只需從雙口RAM的另一側將數據取走；實時控制子系統將運算處理后的轉矩、轉速、功率和溫度放入雙口RAM，人機交互子系統從雙口RAM的另一側取交流異步電力測功機系統的設計與建模走數據，并通過串口將數據發往液晶進行顯示，從而減輕了實時控制子系統CPU的負擔，提高了系統的可靠性。本系統選用IDT公司的IDT713044】作為共享緩存，IDT71 30是1Kx8雙口靜態RAM，它的時序與本系統的兩個核心芯片(即80C196KC和89S52)兼容，特別適合于大量數據高速傳送。IDT7130將RAM和總線仲裁電路集成在一片芯片上，既簡化了應用電路結構，又提高了系統的可靠性；它的左右兩個端口各有自己一套控制線、地址線和IO數據線，兩端CPU可以獨立地讀寫雙口RAM的任意單元，具有速度快、方式簡單等優點， 對左右兩端的任意CPU而言， 雙口RAM等效于它的外部RAM。當兩側的CPU同時存取雙口RAM的同一單元時，就產生了爭用，會出現寫入值或讀出值不是期望值的混亂狀態。IDT713024】的片內總線仲裁電路具有BUSY和胛兩種總線仲裁方式。運用BUSY標志的硬件仲裁方式要求CPU能插入等待狀態，而人機接口子系統的核心芯片89S52不具有這種功能，因此本系統采用胛標志的中斷方案。具體連線如圖36所示。AD0-AD7 嗣74LS373諍 AOLALA0-a7月 叫74L$373 H 期OW：7It R I00i07L OOA；07DB-D15 -正fp 叁 鴛P上O融I臃 叫l卜+殘CEL l磊 +0時，比較放大器I輸出脈沖正半波寬度大于負半波寬度，如圖49(b)所示。當U30時，比較放大器I輸出脈沖正半波寬度小于負半波寬度，如圖49(c)所示。因ICL8038芯片組成的三角波線性相當好，在放大器前不需增添一偏移電壓，輸出脈沖的寬度就可正比于控制電壓U3，實現電壓一脈沖的轉換。L L斟二U f4236功放驅動電路入 。 It圖49脈寬調制原理圖當脈寬調制電路輸出的方波平均電壓為正時，Q1，Q3導通，力矩電機接到正電源上，電機正轉。當脈寬調制電路輸出的方波平均電壓為負，Q3、Q 4導通，力矩電機接到負電源上，電機反轉。當比較器輸出的正、負半波相等時，電機不轉。即改變脈寬調制器控制電壓的大小和極性即能調節電機的轉速和方向。在設計時，開關管應選擇截止頻率高的晶體管，同時具有足夠大的耗散功率和集電極最大允許電流。此外因開關電路為雙極性電路，所以大功率晶體管承受的反向電壓較高，為電源電壓的兩倍，現Q1、Q2分別選為2N2955及2N3055比較合適。圖410中穩壓管D1、D3可以起到開放延遲作用，抗拒小于Uw的干擾信號，以免引起Q3、Q4的誤動作。D2、D5為電機的續流二極管，用以防止電樞的自感電勢將大功率晶體管擊穿。圖410功放驅動電路424調試中出現的主要問題及解決方法干擾問題：油門控制系統是交流電力測功機系統的一個子系統，在正常投入試驗時，干擾源的途徑很多，噪聲干擾尤為常見：電路上要增加RC濾波，效果較好。另外油門控制器的信號傳輸線一般較長，為防止高頻磁場的干擾，信號線必須絞交流異步電力測功機系統的設計與建模合且帶屏蔽，屏蔽層需接地。電源變壓器設計時，要采用雙層屏蔽，即在原、副邊繞組上設置接地的屏蔽層，使干擾電流只在兩屏蔽層流過。電壓穩定性問題：系統的電壓是系統的關鍵，在電壓設計的調試的過程中發現系統的+15V電壓矛I+10V電壓按照設定的電路能很輕松得到的，但是一15V的電壓值卻一直在20V左右波動，在排除穩壓器7915損壞的情況后在7915的輸入輸出點接1K電阻后，電壓值立即穩定在了1 5V左右，無明顯波動。分析原因是穩壓器需要有一定的負載對電壓進行調節。但是電阻阻值不能過大，否則影響系統的功耗。矩形波問題：由于控制基準電壓U3的實際輸入范圍為010V，而三角波的幅值通過計算為5V左右，這就存在一個問題，當基準電壓的值在510V之間時，脈寬調制電路的輸出將不再是一個矩形波，而是比較器的基準電壓值15V。因此要調整U3的值在三角波的幅值內，應在系統的實際電路中通過兩個阻值相等的電阻對U3進行分壓，得到輸入范圍為05V的基準電壓，以確保矩形波的產生。在脈寬調制電路中，開始使用的是放大器LM324，輸入三角波和基準電壓后得到的波形不是一個標準的矩形波而是一個梯形波，分析原因則是因為將運放器當成了比較器使用，運放器工作在非線性區域的響應速度沒有比較器快，所以矩形波的翻轉上下翻轉有一定的延時，造成了斜波的出現。后改用LM339比較器后，矩形波接近于理想狀態。43實驗結果分析系統加載時對本控制器進行了標定，結果如下：U1 200V 400V 500V 800V 1000VUout 201V 396V 495V 789V 989VU1為系統輸入的控制量電壓，Uout為系統對直流力矩電機的驅動電壓的有效值，與油門開度直接對應。從表中可看出最大誤差為100mV，即精度達1FS。測得滿行程反應速度(O一100)dx于3秒，工作電流為250mA，沖擊電流為500mA，性能參數完全滿足發動機臺架試驗要求。44本章小結本章闡述了油門控制器在系統中的重要作用，分析了油門控制器的工作原理，給出了油門控制器的控制方案，通過對幾種油門控制器設計方案的比較，選擇了適合于測功系統的基于模擬電路的油門控制器的設計方案，并詳細地對油門控制器的設計電路進行了說明，對調試過程中產生的問題以及其原因進行了分析，給出了油門控制器的實驗結果，滿足現有的異步測功機的系統要求。碩士學位論文第5章 交流異步測功機系統的上位機程序設計51虛擬儀器技術及其開發平臺虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。圖51反映了常見的虛擬儀器方案。圖51虛擬儀器示意圖與傳統電子儀器相比，虛擬儀器的特點可概括如下【33】：(1)融合計算機強大的硬件資源，突破了傳統儀器在數據處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統儀器的功能；(2)虛擬儀器以軟件取代了部分硬件，用軟件實現了數據讀取，可以對測試數據實時進行分析處理、顯示，突破了傳統儀器只能用硬件實現這些功能的方式，而且具有傳統儀器很難實現的數據編輯、存儲、打印曲線及圖表等功能，增強了儀器間數據交換及信息綜合、自動分析判斷的能力。因此，VI技術使得儀器系統的研制過程變得簡單，成本降低，應用先進的理論和算法可增加系統的靈活性，利用圖形用戶界面(OUI)技術還能實現界面友好、人機交互；(3)提高測控系統地精度。在傳統儀器中，信號每經過一次硬件處理都會引入誤差，虛擬儀器由于減少了硬件的使用，因而克服了硬件固有的溫漂等缺點，減少了測量誤差，實現了較高精度的測試和控制；(4)基于計算機網絡技術和接口技術，VI系統具有方便、靈活地互聯能力，廣泛支持諸于CAN、FieldBus等各種工業總線標準。因此，VI技術可方便實現測量、控制過程的網絡化，使其開放性、兼容性和可擴展性大大增強，使得虛擬儀器的開發變得更為方便，縮短了開發周期。與傳統儀器一樣，虛擬儀器也是由三大功能模塊構成：信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果顯示與輸出。虛擬儀器的硬件構成有多種方案，其基本體系結構如圖52所示。電力測功機控制系統軟件交流異步電力測功機系統的設計與建模開發工具選用的是美國NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW，它是NI公司以虛擬儀器概念為基礎開發的，其中包含了很多數值分析和信號處理的模塊，具有強大的調試、查錯的功能。支持多種數據采集卡，支持DLL、CIN等形式的外部代碼調用。由于發動機測功系統要求測量的參數多，精度要求高，可擴展性強，用戶可以定義和擴展參數，因此本文采用虛擬儀器技術研制電力測功機系統，不僅可以大大減少各種控制按鈕和功能開關，使系統的功能更加靈活，而且提高了系統的可靠性和抗干擾能力，保證系統的精度和穩定性【34,35】。計算機技術與虛擬儀器技術在發動機測功系統中的應用，對提高測功系統的測試與控制水平具有特別重要的意義，在發動機測試領域具有廣闊的應用前景。(自動測試與控制系統應用程序)工控機I作站(裝有LabV IEW、LabW indowsCV I或其他虛擬儀器開發軟件)一 、一 k、 ，儀器驅動程序令參 今 今 今 今數據 G PIB 串 其及圖 接口 行 他像采 卡 V 口 計集卡 X 儀 算今 令 I 器 機吲舊G PIB I儀 l 硬器 P 件L 板C 卡參 參 -1-下-1-$測 控 對 象自動測控系統軟件結構自動測控系統硬件結構圖52虛擬儀器系統的體系結構本系統采用LabVIEW開發平臺，在LabVIEW虛擬儀器開發平臺上，利用其豐富的函數庫、強大的接口功能，可以方便地設計應用程序。本系統是建立在Windows操作系統上的應用軟件，選用LabVIEW作為開發工具，利用LabVIEW提供的串口通訊模塊與電路板進行串口通訊，對試驗的過程進行指導，對試驗的結果數據進行采集和存儲。l、J砸士學位論文52程序模塊的劃分在對系統測試軟件進行設計時，根據測試軟件所要實現的功能以及LabVIEW的特點，將程序劃分為以下幾個模塊：主程序模塊、初始化模塊、數據采集處理模塊、顯示模塊、數據存儲模塊、判斷模塊。其中，轉速調節模塊和判斷模塊是電機測試過程的專用模塊。由于LabVIEW的編程方式是基于數據流和多線程的方式進行的，所以各個功能模塊之間有的是并行運行的，有的是串行運行的，因此，通過在主程序模塊中調用其它子程序模塊，按照試驗的要求對各個模塊進行依次調用，新調用的子程序操作模板遮住先前的主程序操作界面只有當新調用的子程序操作完畢，才能繼續對主程序界面進行操作，這樣就保證了程序調用的順序性和程序執行的邏輯性，依次才能完成系統的整個測試過程。521電力測功機系統的主程序模塊利用LabVlEW作為主程序界面的開發工具，以人機接口友好、功能實用、重要參數顯示明確為原則，開發出電力鋇4功機控制系統主界面如圖5 3所示。測功軟件運行時，首先出現的時主程序界面，通過選擇界面上的按鈕調用不同的子程序進入不同的操作界面。一開始試驗。點擊設置按鈕，進入設置界面，對系統的各種參數和試驗條件進行輸入然后再進入測試試驗界面進行具體的試驗操作，根據實際的試驗操作流程，確定了如下的電力測功機控制系統主程序流程圖如圖54所示。圖53電力剝功機的主程序界面交流異步電力測功機系統的設計與建模圖54電力測功機控制系統主程序流程圖36碩也論文522系統試驗界面的設計系統軟件的試驗界面是測試人員和測試系統交互的界面，良好的用戶界面能簡化用戶的操作，使用戶對系統的操作與功能一日了然。LabVIEW為設計者提供一個設計虛擬面板(也就是人機界面)的控制模板，控制模板里面有豐富的控件和圖標。所以用LabVIEW設計的人機界面豐富多彩而簡單了然。電機測試界面如圖5 5所示。界面上有一個示波器，用來顯示測試轉速的實時波形。將轉速控制點和油門開度等試驗重要的參數放在界面上，方便實驗操作人員對試驗過程的掌握和便捷操作。面板上實時顯示重要的試驗數據，以及在左下角對試驗相關參數進行報警顯示燈處理，右下角有操作按鈕，對實驗過程進行操作，按鈕之問實現互鎖。以避免誤操作對系統造成不必要的損壞。電，毋 I翳圃 特咀 萄啊 轉速控制鍘功機 1啦盈2皿曩田口 3由_4皿曩圈5帕曩6缸啊圃 7缸曝田油門開度田口 1 ooI*zt一mq t 4fi*ltt女#t姒4交流異步電力利功機系統的設計與建模中的COM口、轉矩標定、油門標定、PID設置操作通過串口通訊將相關的數據傳遞給單片機，對實驗進行初始化。不是每一次開始試驗都要進入初始化模塊，當我們確定我們的各種試驗參數都已經輸入正確，試驗配置也準備就緒我們就可以直接進入試驗操作界面進行試驗。耋ii簍i琴”+”+E*痹B*女標定所有證j在主狂序tB口生覯圖56電力測功機初始化設置界面5 2 4數據采集模塊的設計5 241通訊模塊的設計測功機系統的數據處理是對系統的各種數據進行采集并進行實時顯示的過程。對數據進行實時顯示就必須對數據進行實時采樣并及時更新儲存數據的變量并通過數字量或者波形圖進行顯示。為了保證實時性，本系統軟件通過利用Labview提供的串口通訊模塊與單片機進行通訊，通過基于事件觸發響應的查詢式處理，通訊模塊基本上能實時將采集到的數據及時的保存在存儲變量中，在前面板中顯示出來，通過與單片機建立相對合理的通訊協議，來完成數據的實時顯示。在通訊協議的設討中，為了保證通訊的可靠性采用了應答式通訊【“I。以采集速度通訊協議的設計為例，上位機向測功機系統發送字符S，單片機在接受串口數據s后，回復坤加上當前采集的速度值，上位機只有在確認接收到，后才可以將后面串口接收到的數據作為轉速存儲到變量里面，通過前面板顯示出來。如果沒有接受到字符坤，上位機將上次采樣得到的轉速做為這次的采樣值，而不對接受到的數據進行處理。在通訊協議中，為了確保通訊的可靠性，除了建立好的通訊協議以外信息校驗也很關鍵，本程序中采用了CRC信息校驗的方法，主機和從機應用校驗碼進行發送和接收信息，判斷信息是否正確。計算步驟如下t381：(1)預置1個16位的寄存器為十六進制FFFF(即全為1)，稱此寄存器為CRC寄存器。(2)把第一個8位二進制數據(通信信息幀的第一個字節)與16位的CRC寄存器的低8位相異或， 把結果放于CRC寄存器。匍圉碩士學位論文(3)把CRC寄存器的內容右移一位(朝低位)用O填補最高位， 并檢查右移后的移出位。(4)如果移出位為0， 重復第3步(再次右移一位)； 如果移出位為l，CRC寄存器與多項式A001(1010 0000 0000 0001)進行異或。(5)重復步驟3和步驟4， 直到右移8次， 這樣整個8位數據全部進行了處理。(6)重復步驟2到步驟5， 進行通信信息幀下一個字節的處理。(7)將該通信信息幀所有字節按上述步驟計算完成后， 得到的16位CRC寄存器的高、低字節進行交換。(8)最后得到的CRC寄存器內容即為CRC碼。圖57 CRC校驗的LABVIEW程序實現5242采集數據的處理通過串口通訊采集到的數據，在上位機中進行濾波處理以后才在前面板上顯示出來，軟件濾波的方式有很多種，如平均值濾波、中位值濾波、限幅濾波法等。本系統采用中值平均濾波法，就是將采集到的數據數組進行順序排列，然后選取中間值，將中間值組成一個新的數組，求其平均值。將平均值做為系統的數據輸出。具體程序見圖58。此法對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。缺點就是比較浪費系統的內存，影響系統的響應速度。交流異步電力測功機系統的設計與建模圖58采集數據的濾波處理函數525報表處理模塊的設計LabVIEW Report Generation工具包通過ActiveX技術將Microsoft Word和Excel與LabVIEW集成開發環境結合起來，用于快速生成專業的報告，從而高效地表示出各種測試數據和結果。用戶可以移植、修改現有的報告模板，并使用標準的labview功能，擴展該工具包的報告生成功能；通過運行由VBA編寫的宏代碼還可以進一步自定義修改報告生成過程并自動生成報告【371。由于本系統采用Excel輸出報表，所以本文主要介紹Excel格式報表的生成方法。首先新建一個Excel文檔，為此在LabVIEW的Functions Report Generation模板中選擇New Reportvi，將其放置在框圖程序中，設置report type屬性為Excel，當程序運行時LabVlEW利用ActiveX技術調用Microsoft Excel自動化服務器，從而達到控$1JExc