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联系多功能汽车底盘测功机（二）
发布时间：2007-12-16 11:55:53点击率：
技术类别：机械技巧
4 多功能汽车底盘测功机关键技术
4.1 电涡流机的控制技术
电涡流机又称电涡流测功器，是基于涡流电流（物理学上也称傅科电流）进行工作的设备。它由定子和转子两部分组成。定子部分包括定子架和装在上面的励磁线圈 。定子框架周围有孔，励磁线圈装在孔内。定子框架中心部分轮毂，借助两个滚动轴承支撑在转子轴上。转子部分包括转子轴和固定在该轴上的两个转子，两个转子分别位于定子部分的两端，转子轴可以被外力带动而自由转动。转子的内侧端面与定子的端面保持很小的间隙，该间隙电磁学上称为气隙。该转子的内侧面是十分光滑的平面，涡流电流就产生在这个光滑平面上。
电涡流机的励磁绕组通入电流时，磁通经定子、涡流环、气隙、转子构成闭合磁路。当汽车驱动轮带动滚筒及电涡流机转子旋转时，由于磁通密度发生变化使转子表面产生涡流电流，该涡流电流与磁场相互作用，产生反向制动力矩，使定子绕主轴轴线摆动。该制动力矩通过杠杆传递给压力传感器，由压力传感器给出相应的电信号,经计算处理后，可得出汽车瞬时的动力参数。调节励磁电流大小，即可改变电涡流机的制动力矩，同时相应改变汽车车速，不断变化的励磁电流与车速形成闭合环，并 终实现恒速或恒力下的功率测量。
从图中可以看出电涡流机具有 大的速度和载荷范围。此外它体积小，造价低,更适合于操纵自动化。交流电机（异步电机）具有 小的速度（800～1500r／min）和载荷范围，稳定性较差，小负荷具有很硬的特性。直流电机制动装置具有很高的使用性能，操作方便，工况稳定，过渡简易且平稳，但它的试验台造价高，低速制动扭矩小 ，因而限制了应用。
本系统之所以选择电涡流机作为加载装置，是由于它的外特性及造价、可靠性、测量精度决定的。图4—1列出几种基本加载装置特征。
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1—电涡流测功器；2—直流电机；3—水力测功器；4—交流电机；
目前，国产涡流机大部分为水力测功机，少量几种电涡流机也主要为水冷式的,易漏水，导致轴承机件锈蚀，容易漏磁，恒速控制精度差，且体积重量大，需要一套供水冷却循环系统及涡流机内部润滑系统，使用很不方便，在我国北方，冬季尤为不适用。更为重要的是，国产水力电涡流机几乎全部用于发动机功率测量的高转速功率吸收装置（ 大功率吸收范围1500～4000 r／min），不适用于汽车底盘测功，后者 大功率吸收范围为500～1000 r／min。国际上专门生产这种低转速，大扭矩电涡流机只有西班牙的FRENELSA公司和法国的TELMA公司，他们的产品结构为风冷式。
由于测功机的扭矩和功率测量对速度和载荷范围要求要大，在考虑造价、可靠性 、测量精度的情况下我们选择了FRENELSA公司的F16—160型风冷16组电涡流机，其 大扭矩吸收转速为750 r／min，涡流机电压为DC96V，电流为3 ， 大吸收扭矩为160 kg。该涡流机恒速精度高，体积重量小，结构简单，操作方便，勿需冷却水，且内置160℃热电偶，可在过热时自动断电，避免涡流机被烧坏。
4.2 汽车的恒速控制技术
电涡流机的恒速控制是测功机测试精度的关键因素之一，国内大部分测功机未真正解决好这一问题。按标准规定，恒速精度应达到±2 km／h（如中国GB86—94），但由于机械系统运动惯量较大，且不同车型惯量不同，同时，存在失控死区、非线性、滞后反应等调速反馈方面的难度，使得恒速控制成为设计中的重点之一。
目前，我们通过几种途径予以解决，一是尽量采用直接传动，减小失控死区及滞后反应，同时采用数字调速和自适应控制等解决不同转动惯量的影响。此外，大转速及电流两个闭环中采用不同的采样频率以便有效的控制涡流机动态及反馈电流。测试证明可以稳定达到±0．5 km／h，是标准的1／4。
控制过程如下：汽车在开始加速时，由于运行速度与设定速度相差较大，采用经验控制算法即按一定的规律逐步增加阻力；一旦汽车运行速度接近设定速度，自适应控制开始工作。因为在启动阶段，使运行速度尽快接近设定速度是首要目的，而 以何种方式稳定在设定速度则不在考虑之内，经验控制是简单易行且效果很好的控制方式。在运行速度接近设定速度之后，速度的稳定成为 目的，此时经验控制就无能为力了。汽车的实际运行工况十分复杂，其速度变化规律难以预测，因而任何预先设定参数的控制形式都不可能一直发挥 控制作用，其效果的优劣随运行工况而不断变化。自适应控制正是为适应类似的工况而发展起来的，它能够根据工况而调整控制参数，以实现实时 控制。
自适应控制算法以当前速度与设定速度之差和速度变化率两个变量为控制依据,施加阻力。具体算法如下：
ΔF＝α1×ΔV＋α2×dV／dt
ΔF—施加的阻力变化量；
ΔV—当前速度与设定速度之差；
dV／dt—速度变化率；α1、α2—控制系数。
对于不同的汽车，不同的设定速度，要达到较好的控制效果，α1和α2的取值是不一样的。自适应控制算法能根据汽车的动态特性和设定速度及其它因素，自动调节α1和α2的取值，以达到恒速的目的。
4.3 排放测量
汽车在怠速状态下，不同负载状态下，不同车速状态下以及不同路况的情况下的排放都是不同的，测量到这些数据对于汽车维修保养很重要，但更为重要的是为判断汽车排放是否合格提供依据，为环保检测部门提供精确而丰富的数据材料。本测功机可以配合尾气分析仪在不同工况的条件下进行汽车排放的检测，检测标准完全符合新出台的国家标准（GB14761—1999）。
这里，我们 在国内采用四气分析仪与测功机连接，并且在功率———扭矩曲线上同时绘制CO、CO2、HC、O2等曲线。由于CO、CO2的采样时间为15s，HC、O2更长达25s，而测功机的电涡流机的响应时间很短，约为0．025s，因此，在控制程序中如何协调二者的差别（既要作到连续采样，又要保证不同废气成份必要的反应时间）十分重要。在反复测试中，我们利用延长稳定点速度、稳定时间来解决这一问题，效果很好。
5 测量结果
下面以恒速底盘测功为例，分析一下测量结果。
实验条件：起始速度60 km／h，终止速度80 km／h，速度步长5 km，恒速稳定点为5个。试验车为桑塔那轿车。
在恒速状态下配合尾气分析仪，我们进行了发动机输出功率、轮输出扭矩及功率 、传动损耗功率、CO、CO2、HC、O2等8个参数的测量，并对速度、功率、扭矩进行了实时监控，测量结果如图5—1所示。
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在本试验中，轮输出功率与经验数值相符，发动机输出功率为轮输出功率与传动损耗功率之和。轮输出 大功率对应的速度为75 km／h。传动损耗功率是检验汽车驱动功率是否合格的重要参数，它直接关系到汽车的动力性能。
6 结束语
多功能汽车底盘测功机是汽车运输维修业、综合性能检测站、环境保护、交通(今后在用车报废将按其动力性能及排放性能而定)等行业所必需的测试设备，具有广阔的市场前景。通过计算机控制电涡流测功器加载实现阻力模拟，可以测量不同的工况下汽车动力性能和环保性能(排放性能)，并具有修正功能，测量数据更接近汽车实际行驶时的数据。本测功机通过自适应控制算法控制车速，提高了汽车的恒速稳定性，并且实现了动力性能和环保性能的连续测量。
尽管如此，本测功机还存在有待改进的问题：
(1)根据14761—1999《汽车污染物排放限值及其测试方法》，本测功机提供了3种循环下的多工况排放测量，但目前该标准暂未在用车中强制应用，因此应给用户预留一可自由编程的接口。
(2)关于传动系统损耗功率的测定，目前除了采用电机反拖的方法之外，尚未找到其它更为简单、精确的方法。本测功机采用主机惯量反拖法，经多次试验，找到了一个较好的加载电流值（约为1～2 A），测试值接近理论值（即传动损耗功率约为底盘输出功率的8%～10%）。实际上，德国的MAHA公司及西班牙的MANRESA公司都采用类似方法，因此，测出的传动损耗功率均为近似值，要测出精确的传动损耗功率值，尚需继续探索。
4.1 电涡流机的控制技术
电涡流机又称电涡流测功器，是基于涡流电流（物理学上也称傅科电流）进行工作的设备。它由定子和转子两部分组成。定子部分包括定子架和装在上面的励磁线圈 。定子框架周围有孔，励磁线圈装在孔内。定子框架中心部分轮毂，借助两个滚动轴承支撑在转子轴上。转子部分包括转子轴和固定在该轴上的两个转子，两个转子分别位于定子部分的两端，转子轴可以被外力带动而自由转动。转子的内侧端面与定子的端面保持很小的间隙，该间隙电磁学上称为气隙。该转子的内侧面是十分光滑的平面，涡流电流就产生在这个光滑平面上。
电涡流机的励磁绕组通入电流时，磁通经定子、涡流环、气隙、转子构成闭合磁路。当汽车驱动轮带动滚筒及电涡流机转子旋转时，由于磁通密度发生变化使转子表面产生涡流电流，该涡流电流与磁场相互作用，产生反向制动力矩，使定子绕主轴轴线摆动。该制动力矩通过杠杆传递给压力传感器，由压力传感器给出相应的电信号,经计算处理后，可得出汽车瞬时的动力参数。调节励磁电流大小，即可改变电涡流机的制动力矩，同时相应改变汽车车速，不断变化的励磁电流与车速形成闭合环，并 终实现恒速或恒力下的功率测量。
从图中可以看出电涡流机具有 大的速度和载荷范围。此外它体积小，造价低,更适合于操纵自动化。交流电机（异步电机）具有 小的速度（800～1500r／min）和载荷范围，稳定性较差，小负荷具有很硬的特性。直流电机制动装置具有很高的使用性能，操作方便，工况稳定，过渡简易且平稳，但它的试验台造价高，低速制动扭矩小 ，因而限制了应用。
本系统之所以选择电涡流机作为加载装置，是由于它的外特性及造价、可靠性、测量精度决定的。图4—1列出几种基本加载装置特征。
1—电涡流测功器；2—直流电机；3—水力测功器；4—交流电机；
目前，国产涡流机大部分为水力测功机，少量几种电涡流机也主要为水冷式的,易漏水，导致轴承机件锈蚀，容易漏磁，恒速控制精度差，且体积重量大，需要一套供水冷却循环系统及涡流机内部润滑系统，使用很不方便，在我国北方，冬季尤为不适用。更为重要的是，国产水力电涡流机几乎全部用于发动机功率测量的高转速功率吸收装置（ 大功率吸收范围1500～4000 r／min），不适用于汽车底盘测功，后者 大功率吸收范围为500～1000 r／min。国际上专门生产这种低转速，大扭矩电涡流机只有西班牙的FRENELSA公司和法国的TELMA公司，他们的产品结构为风冷式。
由于测功机的扭矩和功率测量对速度和载荷范围要求要大，在考虑造价、可靠性 、测量精度的情况下我们选择了FRENELSA公司的F16—160型风冷16组电涡流机，其 大扭矩吸收转速为750 r／min，涡流机电压为DC96V，电流为3 ， 大吸收扭矩为160 kg。该涡流机恒速精度高，体积重量小，结构简单，操作方便，勿需冷却水，且内置160℃热电偶，可在过热时自动断电，避免涡流机被烧坏。
4.2 汽车的恒速控制技术
电涡流机的恒速控制是测功机测试精度的关键因素之一，国内大部分测功机未真正解决好这一问题。按标准规定，恒速精度应达到±2 km／h（如中国GB86—94），但由于机械系统运动惯量较大，且不同车型惯量不同，同时，存在失控死区、非线性、滞后反应等调速反馈方面的难度，使得恒速控制成为设计中的重点之一。
目前，我们通过几种途径予以解决，一是尽量采用直接传动，减小失控死区及滞后反应，同时采用数字调速和自适应控制等解决不同转动惯量的影响。此外，大转速及电流两个闭环中采用不同的采样频率以便有效的控制涡流机动态及反馈电流。测试证明可以稳定达到±0．5 km／h，是标准的1／4。
控制过程如下：汽车在开始加速时，由于运行速度与设定速度相差较大，采用经验控制算法即按一定的规律逐步增加阻力；一旦汽车运行速度接近设定速度，自适应控制开始工作。因为在启动阶段，使运行速度尽快接近设定速度是首要目的，而 以何种方式稳定在设定速度则不在考虑之内，经验控制是简单易行且效果很好的控制方式。在运行速度接近设定速度之后，速度的稳定成为 目的，此时经验控制就无能为力了。汽车的实际运行工况十分复杂，其速度变化规律难以预测，因而任何预先设定参数的控制形式都不可能一直发挥 控制作用，其效果的优劣随运行工况而不断变化。自适应控制正是为适应类似的工况而发展起来的，它能够根据工况而调整控制参数，以实现实时 控制。
自适应控制算法以当前速度与设定速度之差和速度变化率两个变量为控制依据,施加阻力。具体算法如下：
ΔF＝α1×ΔV＋α2×dV／dt
ΔF—施加的阻力变化量；
ΔV—当前速度与设定速度之差；
dV／dt—速度变化率；α1、α2—控制系数。
对于不同的汽车，不同的设定速度，要达到较好的控制效果，α1和α2的取值是不一样的。自适应控制算法能根据汽车的动态特性和设定速度及其它因素，自动调节α1和α2的取值，以达到恒速的目的。
4.3 排放测量
汽车在怠速状态下，不同负载状态下，不同车速状态下以及不同路况的情况下的排放都是不同的，测量到这些数据对于汽车维修保养很重要，但更为重要的是为判断汽车排放是否合格提供依据，为环保检测部门提供精确而丰富的数据材料。本测功机可以配合尾气分析仪在不同工况的条件下进行汽车排放的检测，检测标准完全符合新出台的国家标准（GB14761—1999）。
这里，我们 在国内采用四气分析仪与测功机连接，并且在功率———扭矩曲线上同时绘制CO、CO2、HC、O2等曲线。由于CO、CO2的采样时间为15s，HC、O2更长达25s，而测功机的电涡流机的响应时间很短，约为0．025s，因此，在控制程序中如何协调二者的差别（既要作到连续采样，又要保证不同废气成份必要的反应时间）十分重要。在反复测试中，我们利用延长稳定点速度、稳定时间来解决这一问题，效果很好。
5 测量结果
下面以恒速底盘测功为例，分析一下测量结果。
实验条件：起始速度60 km／h，终止速度80 km／h，速度步长5 km，恒速稳定点为5个。试验车为桑塔那轿车。
在恒速状态下配合尾气分析仪，我们进行了发动机输出功率、轮输出扭矩及功率 、传动损耗功率、CO、CO2、HC、O2等8个参数的测量，并对速度、功率、扭矩进行了实时监控，测量结果如图5—1所示。
在本试验中，轮输出功率与经验数值相符，发动机输出功率为轮输出功率与传动损耗功率之和。轮输出 大功率对应的速度为75 km／h。传动损耗功率是检验汽车驱动功率是否合格的重要参数，它直接关系到汽车的动力性能。
6 结束语
多功能汽车底盘测功机是汽车运输维修业、综合性能检测站、环境保护、交通(今后在用车报废将按其动力性能及排放性能而定)等行业所必需的测试设备，具有广阔的市场前景。通过计算机控制电涡流测功器加载实现阻力模拟，可以测量不同的工况下汽车动力性能和环保性能(排放性能)，并具有修正功能，测量数据更接近汽车实际行驶时的数据。本测功机通过自适应控制算法控制车速，提高了汽车的恒速稳定性，并且实现了动力性能和环保性能的连续测量。
尽管如此，本测功机还存在有待改进的问题：
(1)根据14761—1999《汽车污染物排放限值及其测试方法》，本测功机提供了3种循环下的多工况排放测量，但目前该标准暂未在用车中强制应用，因此应给用户预留一可自由编程的接口。
(2)关于传动系统损耗功率的测定，目前除了采用电机反拖的方法之外，尚未找到其它更为简单、精确的方法。本测功机采用主机惯量反拖法，经多次试验，找到了一个较好的加载电流值（约为1～2 A），测试值接近理论值（即传动损耗功率约为底盘输出功率的8%～10%）。实际上，德国的MAHA公司及西班牙的MANRESA公司都采用类似方法，因此，测出的传动损耗功率均为近似值，要测出精确的传动损耗功率值，尚需继续探索。
上一个：液压系统泄漏的危害及控制
下一个：多功能汽车底盘测功机（一）
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