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交流异步电力测功机系统及基于u k f 的软测晕模型研究 摘要 交流异步电力测功机以其结构简单、精度高、测功范围广等特点，广泛用于 齿轮或液力变速器、汽车分动箱、风机和水泵、发动机等装置转矩和输入、输出 机械功率测试。本文以其为核心，讨论了交流异步电力测功机系统的基本组成， 分析了直接测量的特点。为解决该系统直接测量方法复杂且成本高的问题，在建 立了测功电机的损耗数学模型的基础上，通过构建交流异步电力测功机的软测量 系统对转矩、转速进行间接测量，取得了一定的成果。 首先，以交流异步电力测功机为中心，全面阐述了测功原理，概述了直接测 量与间接测量的特点。为了实例分析直接测量的特点，讨论了基于摩托车发动机 的交流异步电力测功机系统的结构，并通过实验验证了系统的控制性能。 其次为了建立精确的数学模型，分析了交流异步电力测功机各种损耗，对影 响损耗的各种因素进行了研究。在此基础上，建立了考虑铁损、铜损的测功电机 数学模型。对于数学模型中的参数测定，给出了定子电流、电压等信号检测和处 理电路的设计方法以及具体的原理图，提出了等效铁损电阻的计算方案。最后， 结合测功机为非线性离散系统的特点，利用应用广泛的无轨迹卡尔曼滤波算法建 立了交流异步电力测功机系统的软测量模型对转速、转矩进行估计。 实验结果和仿真结果的对比表明，基于无轨迹卡尔曼滤波的交流电力测功机 软测量系统能对系统的转速和转矩进行有效的估计，能够满足国标的基本测试要 求。基于该方法的交流电力测功机测试系统能简化系统的结构并减少测试成本， 是交流异步电力测功机系统机械扭矩和转速测量的一种新方法。 关键词：交流异步电力测功机；数学模型；软测量技术；无轨迹卡尔曼滤波 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e ri su s e dw i d e l yi nt h em e a s u r e m e n t o ft h ei n p u tp o w e r ，o u t p u tp o w e ra n dt h et o r q u eo fg e a rw h e e lo rt o r q u ec o n v e n e r ， t r a n s f e rc a s e 、w i n dt u r b i n eo rp u m p ，e n g i n ea n ds oo n ，s i n c ei th a sas i m p l es t r u c t u r e ， g o o dp r e c i s i o n ，w i d e l yw o r k i n gr a n g e r e g a r di ta st h ec o r e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e s t r u c t u r eo ft h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e r ，a n a l y s e st h ec h a r a c t e ro f d i r e c tm e a s u r e i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo fv e r ye x p e n s i v ea n dc o m p l i c a t e do f t h ec u r r e n t l yu s e dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，p u t sf o r w a r dt h es o f = 七一s e n s i n gm e a s u r es y s t e m o ft h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rb a s e do ni t sm a t h e m a t i cm o d e lt o e s t i m a t et h et o r q u ea n ds p e e db yi n d i r e c tm e a s u r e ，a n da c h i e v e ss o m ef r u i t i nt h ef i r s t ，a f t e rd i s c u s s i n ga l b o u tt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e s t h ec h a r a c t e r so fd i r e c tm e a s u r ea n di n d i r e c tm e a s u r e i no r d e rt oa n a l y s et h ec h a r a c t e r o fd i r e c tb ya ne x a m p l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h es y s t e m ，a n dt h e n p r o v e si t sg o o dp e r f o r m a n c eb yw a yo fae x p e r i m e n t s e c o n d ，f b rt h es a k eo fa ne x a c tm o d e l ，t h el o s s e so ft h ee l e c t r i c a ld y n a m o m e t e r a r ed i s c u s s e da n dt h ef a c t o r sw h i c ha f 诧c tt h el o s sa l s oa r er e s e a r c h e d f o l l o wt h e c o n c l u s i o n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dam a t h e m a t i cm o d e lo ft h em o t o rw h i c hi n c l u d e s i r o n1 0 s s e sa n dc o p p e rl o s s e s f o rt h ep u r p o s eo fm e a s u r i n gi t sp a r a m e t e r s ，t h ed e s i g n m e t h o d sa n dp r a c t i c a lu s e dc i r c u i td i a g r a m sa r ep r e s e n t e dt od e t e c tt h ec u r r e n ta n dt h e v 0 1 t a g eo ft h es t a t o r ，b e s i d e s ，t h i sp a p e ro 虢r sas c h e m et oe v a l u a t et h ei r o nl o s s e s r e s i s t a n c e a t l a s t ， i nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a l d y n a m o m e t e ri s an o n - l i n e a ra n dd i s c r e t e s y s t e m ， t h i s p a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e s o f t s e n s i n gm e a s u r es y s t e mo ft h ea ca s y n c h r o n o u se i e c t r i c a ld y n a m o m e t e rb a s e do n t h eu n s e c u r e dk a l m a nf i l t e r ( u k f ) u s e dw i d e l y ，w h o s ep u r p o s ei st oe s t i m a t et h es p e e d a n dt h e t o r q u e b yc o m p a r i s o n w i t ht h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ， t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e s o f t s e n s i n gm e a s u r es y s t e mo ft h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rb a s e d u k fc a np r o v i d ea ne f f e c t i v ee s t i m a t ef o rt h es p e e da n dt h et o r q u e ，c a ns a t i s f yt h e b a s i cn e e do fi n d u s t r ym e a s u r e b e c a u s et h es y s t e mh a sas i n l p l ec o n s t r u c ta n dc a n r e d u c et h ec o s t ，i ti san e wt e c h n i q u et ot h es p e e da n dt o r q u em e a s u r ef o rt h ea c a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e r i l i 交流异步电力测功机系统及基于u k f 的软测量模型研究 k e yw o r d s ： a ca s y n c h r o n o u se l e c t f i c a l d y n 锄o m e t e r ； m a t h e m a t i cm o d e l ； s o f t - s e n s i n gm e a s u r e ；u n s e c u r e dk a l m a nf i l t e r i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文背景和国内外发动机测试的发展与现状 在动力机械与传动机械的制造和应用中，发动机的传动效率是反映系统产品性 能的主要指标之一。随着工业的发展，对发动机的性能人们提出了越来越高的要 求，因此作为发动机生产、检验过程中必不可少的一个环节，发动机试验越来越 重要。作为发动机试验最基本的试验平台，发动机试验台架对发动机各种性能参 数的测量和观察具有至关重要的指导意义。因此，在目前计算机控制技术迅速发 展的背景下，如何依靠先进的测试设备，运用先进的测试手段和方法，构建高精 度的计算机辅助测试( c a t ) 系统，是一项非常有意义的课题，能为提高产品性能提 供优质的数据支持，加快我国的工业化进程，经济效益比较明显。在此背景下， 以各种测功机为核心设备的发动机测试台架控制以及测试技术受到了越来越广泛 的关注【1 ，2 ，”。 测功机是对各种动力与传动机械进行性能测试的主要测试设备，主要用于齿轮 或液力变速器、汽车减速箱、风机和水泵等输入功率的测试，以及发动机等输出 功率的测试。在这些测试中，按照试验要求通过调节测功机转速改变被测设备的 载荷及转速，形成所需的各种工况，以检测被测设备的转速、转矩和传动效率等 性能指标，保证被测设备的性能。 在早期的实验台架中测功机大多采用水力测功机或电涡流测功机，其控制大多 靠手动调节完成，结构简单，使用寿命长，在我国某些内燃机厂仍在使用【4 ，5 ，6 1 。但 这种手动的操作方式形成稳定工况需要很长的时间，且操作和数据记录很不方便， 需要人手也较多。同时在测试中，由于两个系统只能将被测试设备产生的机械能全 部转化为热能消耗掉，导致测功机本体发热严重，需要额外的散热设备，造成了成 本的增加和使用的不便。此外，由于电涡流测功机和水力测功机在额定转速以下， 无法恒转矩调速，不能作为原动机驱动被测试设备来完成例如冷磨合的实验等原 因，两者的实际应用得到了很大的限制。 近年来，随着电力电子技术、传感器技术、计算机控制技术的推广和应用，电 力测功机迅速的占领了测功机的市场。与上述两种类型的测功机相比，电力测功机 属于功率传递型测功机，测试时，被测设备传递的机械能由直流电机或交流电机转 换成电能，通过负载电阻消耗或整流逆变回馈电网，不但可以降低测功机本体的发 热，还能提高测功机的测试功率。由于直流电机的调速性能好，控制简单，早期的 电力测功机大都使用直流测功机，但由于换向器的存在，直流测功机需要经常维护 交流异步电力测功机系统及基于饥 的软测量模型研究 并且不适用于高速运行的工况。 随着交流调速技木的发展，交流电机在静、动态性能上得到了显著提高，可与 直流传动相媲美，因此目前交流电力测功机成为了电力测功机的主流。与直流电力 测功机相比，交流电力测功机没有换向器，结构更为简单，测功范围更广。在国外， 各行业已经基本实现了对电力测功机的自动控制，并取得了良好的经济效益，其中 a v l 和e l i n 公司联合生产的a p a 系列交流电力测功机具有一定的代表性。a p a 系列测 功电机是摇篮式笼形异步电机，主电路为交直交系统，以计算机为中心，进行数据 采集、处理与自动控制。又如a v l 研制的p u m a 系列发动机实验系统可进行动态实验、 整车底盘实验和道路模拟实验，既缩短了产品的开发周期，又节约了开发成本，被 世界各地发动机科研和生产单位采用。 我国从上世纪7 0 年代开始，陆续有厂家开始使用和生产电力测功机【1 1 。1 9 7 2 年，天水电气传动研究所与天水柴油机厂合作，研制了d c 2 l 、d c 2 2 和k j 2 3 型交 流测功机。1 9 7 3 年，上海内燃机总厂和一机部洛阳设计院合作，研制了一批交流 测功机，装备了1 5 台的柴油机出厂试验车间，实现了出厂试验车间能量回收。8 0 年代，哈尔滨电机厂已经可以生产1 0 0 k w 的直流电力测功机。对于交流电力测功 机的研究，我国于七十年代开始进行，其中采用的测功电机均为绕线式异步电机， 但国内进行交流电力测功机研究和制造的单位还很少，导致了以交流电力测功机 为核心的高档动力与传动装置的测试设备7 0 以上的市场都被德国和奥地利的大 公司所垄断。因此开展对交流电力测功机的研究有助于我国减少对进口产品的依 赖，对促进我国工业的发展有着极大的经济价值和实际意义。 目前对交流电力测功机的研究主要集中在两个方面，一个是控制系统的设计， 第二个是交流电力测功机转矩、转速测量方式的研究。本文选取未来必成为测功 机主流的交流异步电力测功机系统为研究对象，在讨论其系统基本组成的基础上， 研究和建立了系统转矩和转速软测量模型对转矩、转速进行估计，通过实例对比 了直接测量和间接测量的优缺点。本文的研究工作和成果具备了一定的工程实际 应用价值，对简化交流异步电力测功机系统结构、降低整个系统的成本有着十分 积极的意义。 1 2 各类测功机的特点及其发展现状 测功机是与测试动力机械设备最基本的试验设备之一。从结构上看，常用的 测功机有水力测功机、电涡流测功机、直流电力测功机和交流电力测功机。其中 水力测功机、电涡流测功机为功率吸收型测功机，直流电力测功机和交流电力测 功机为功率传递型测功机。各种测功机主要性能特性对比见表1 1 。 2 硕士学位论文 1 2 1 水力测功机 水力测功机属于功率吸收型测功机，一般由以下部分组成：功率吸收部分、测 力装置部分、校正杠杆部分、控制部分和阻力油缸部分。工作时，水力测功机利用 转子在充水的定子中旋转产生的摩擦阻力来吸收发动机功率，转矩通过与可摆动的 外壳相连的测力机构测出，它是通过进、出水阀来调节水力测功机吸功腔内水量的 多少，来达到改变其制动扭矩大小的目的【_ 7 1 。 目前主要有定充量水力测功机和变充量水力测功机【8 】。定充量水力测功机的 吸收腔内始终充满具有一定压力的水，通过调节测功机的闸套开合位置( 即调节 测功机转子与定子间的工作面积) 来改变测功扭矩大小，这类测功机稳定性好， 但结构复杂。变充量水力测功机又称水涡流测功机。它是通过进、出水阀来调节 水力测功机吸功腔内水量的多少，以达到改变其制动扭矩大小的目的。变充量水 力测功机工作时水压高，噪声大，而且在转速高、制动扭矩小的区段几乎不能稳 定工作。 水力测功机的优点是吸收功率范围大、结构简单、使用维修方便、工作稳定 可靠、价格低廉等，但由于其体积大、效率低、需提供压力稳定的水源、在转矩 小的区段不能稳定工作导致其逐渐被其他测功机所代替。 1 2 - 2 电涡流测功机 电涡流测功机有盘式和柱式等不同类型，目前，盘式测功机应用较多。盘式 电涡流测功机一般由制动器、测力机构、测速装置、旋转部分( 感应盘) 、及摆动 交流异步电力测功机系统及基于u l 汀的软测量模型研究 部分( 电枢和励磁部分) 构成。其中制动器是吸收能量的核心部分，它调节原动 机的载荷，并同时吸收原动机的功将其转换为热能，由冷却水或风带走热量。工 作时，原动机拖动感应盘旋转，导致气隙磁通发生周期性变化，从而在冷却室内 产生涡流。该涡流所产生的磁场与气隙磁场相互作用产生制动转矩，装有涡流环 的电枢就通过传力臂把制动力矩传至测力装置上，从而达到测量转矩和功率的目 的【9 】o 电涡流测功机结构简单，低速转矩大、测试工艺成熟，基于其良好的控制性、 可调性以及负载稳定性，电涡流测功机较合适用于发动机的测试试验，是目前各 内燃机制造厂主要使用的测功机之一【l0 1 。但是，传统的电涡流测功器技术水平偏 低，控制精度不高。而且，与水力测功机一样，电涡流测功机属于功率吸收型测 功机，原动机产生的功率被其吸收并转化为热能消耗，也不能作为电动机驱动发 动机工作。 1 2 3 电力测功机 电力测功机系统由基本结构和普通电机类似的测功电机及其控制系统组成。 与水力测功机和电涡流测功机不同的是，电力测功机属于功率传递型测功机。当 系统工作时，电机处于发电状态，原动机产生的机械能转化电能，通过外接电阻 消耗或经整流逆变后回馈电网，实现能量的回收。由于电力测功机控制精度高， 响应速度快，在低速的工况下也能正常运行，同时，不需要笨重的水冷设备，因 此，电力测功机是测功机的发展趋势，必将逐步占据测功机的市场。电力测功机 可以分为直流电力测功机和交流电力测功机两大类，其中交流电力测功机又分为 交流同步电力测功机和交流异步电力测功机。 1 2 3 1 直流电力测功机 常用的直流电力测功机系统主要包括平衡式直流电机、控制系统、吸收消耗 电能的负载以及相关测试设备1 1 l 】。测功时，系统工作在发电状态，采用复式激励 的直流电机，被测设备驱动电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，在定子和转子 间形成磁场引力，然后通过与定子相连的测力设备测量转矩。直流测功电机的工 作特点由直流电机决定，由于其控制简单、调速平滑，性能良好，低速扭矩大， 一直在旋转机械行业测试中占据主导地位。然而，直流测功电机结构上存在换向 器和电刷，因此具有一些无法克服的固有缺点，如造价偏高，维护困难，寿命短， 单机容量和最高电压以及最高转速都受到一定的限制等等，导致直流电力测功电机 在大容量、高速测功系统中难以广泛应用【l2 1 。随着交流调速技术的发展，交流电机 的调速性能可媲美直流电机，因此直流测功机必将逐步被交流测功机取代。 4 硕士学位论文 1 2 3 2 交流电力测功机 交流电力测功机实际上就是一台交流电机，其测功原理与直流电力测功机相 同，按照电机类型的不同可以分为同步电力测功机和异步电力测功机两大类。 早期的交流电力测功机均采用绕线式转子结构，转子绕组通过集电环与外部 装置联接，结构较为复杂，不适宜在高转速情况下运行，其工作状态以同步转速 为界，高于同步转速为测功( 发电) 状态，低于同步转速为拖动( 电动) 状态。 为使测功范围扩大，测功状态希望同步转速选择低，而拖动状态则希望同步转速 选择高，使转速范围扩大【l 】。由于早期的交流调速技术受到电网频率的限制，这 一矛盾使得交流异步电力测功机的应用受到了限制，而同步方案利用开关切换控 制电路的方法解决该矛盾，取得了良好的控制效果。 随着变频技术在交流调速领域的应用，变频器的出现使得交流异步电力测功 机的供电频率可以方便的调试，因此其测功范围不再受到电网频率的限制。同时， 采用变频调速技术，异步电机不再采用绕线式转子结构，而采用结构简单、牢固 可靠、价格便宜的鼠笼式转子。相对于同步电机来说，鼠笼式结构电机取消了电 刷环结构，解决了同步电机高速性能差的缺陷，同时系统维护简单。因此，作为 一种转矩稳定、结构简单、测功范围广的测试系统，交流异步电力测功机在各动 力机械测试领域应用日趋广泛，平衡式交流异步电力测功机成为测功机技术研究 的主流【1 3 ，1 4 ，1 5 ，l6 1 。 1 3 交流异步电力测功机软测量技术 不论是在直流调速系统，还是在交流调速系统中，负载转矩都是一个十分重 要的外加扰动，并且负载转矩通常是变化的。因此在对调速系统进行设计时，必 须对这种变化加以考虑。另一方面，在电气传动系统中，能量的转换是由电机完 成的，电机通过输出电磁转矩将电能转换成机械能，驱动系统实现各种功能。由 目前通用的电机矢量控制和直接转矩控制原理可知，电机的控制性能取决于闭环 反馈的电机输出转矩。然而目前国内外广泛使用方法是通过在系统中加入传感器， 测量电机定子或输出轴上的变形，间接得到电机的输出转矩。由于传感器采用连 轴器接入，使用很不方便，因此需要改变传统的测量方法。 由测功机测功原理为转矩转速相乘得功率可知，转速和机械转矩的测量是系 统首先需要解决的问题。目前广泛使用的测功机系统中，大都采用以下两种方法 测量转矩转速：第一种是改变测功电机的硬件结构，如本文第二章中定子浮动的 平衡式电力测功机系统。第二种是在联轴器上安装扭矩仪或扭矩法兰检测转矩。 但是这两种测试方法导致了设计电机时对结构的特殊要求，增加了系统的制造成 本和体积，造成系统维护困难。 交流异步电力测功机系统及基于江的软测量模型研究 间接测量即是解决此问题的方法之一，该方法利用易于检测的参数，通过计 算来完成对难测变量的估计。软测量( s o r s e n s i n g ) 技术就是这一思想的集中体现。 软测量技术在2 0 世纪七十年代由美国学者b r o s i l l o w c b 提出，其基本思想是指通 过检测容易检测的辅助变量，利用计算机软件建立将辅助变量当做输入，主导变 量当做输出的软测量模型来推断和估计主导变量达到间接测量的目的【1 7 】。近年来， 随着软测量理论和硬件技术的发展，软测量技术受到了国内外大量学者的关注， 在诸多领域特别是化工领域得到广泛的应用。 与直接测量相比，软测量技术也是通过成熟的硬件传感器检测容易测量的辅 助变量，在此基础上，通过合适的算法确立辅助变量和主导变量之间的关系，通 过测得的数据去估计系统所需但不可测或难测的主导变量。软测量的基本结构如 图1 1 所示： 图1 1 软测量模型结构 由以上分析可以看出，将软测量方法应用于测功机转速和机械转矩的测量关 键在于需找合适的算法来建立软测量模型，来估计测功机电量输入与转速和机械 转矩之间的非线性关系。 由现代交流调速理论可知，异步电机定子电压电流和轴上转速和电磁转矩存在 着非线性关系。得到定子电压电流后，将测功机各种损耗考虑进来，可以通过算 法得到测功机的轴上机械扭矩。由于卡尔曼滤波器适合与动态数学模型结合进行 状态估计，能够同时估计不可测状态和未知参数，因此本文利用卡尔曼滤波器建 立软测量模型描述定子电压电流与转矩转速间的非线性关系。相对于扭矩和转速 的测量，电压电流量的测试成本低，且不会引起电机结构和传动系统的复杂化， 易于实现。本文在分析交流异步电力测功机的损耗数学模型基础上，将把待测的 变量转速、扭矩看做状态变量，把可测的变量电子电压、电流看做输出变量，利 用无轨迹卡尔曼滤波器( u n s e c u r e dk a l m a nf i l t e r ，u k f ) 得到测功机定子电压电 流与转速和机械扭矩的非线性关系，从而提出了交流异步电力测功机系统转速和 机械转矩测量的一种新的方法。其中交流异步电力测功机的软测量模型如图1 2 所示： 6 硕士学位论文 - 一 ，r一 l u k f 1。瞒古士 汛。l 石 丁 l 1频翠检冽9 l ， 图1 2 交流异步电力测功机的软测量模型 1 4 本文的主要研究内容 本文研究课题是以湖南大学机械工程学院承担的某所的横向课题“交流电力测 功机及其测控系统开发”为研究背景，在研究交流异步电力测功机系统组成以及 借鉴前人的研究成果的基础上，开展了软测量技术在交流异步电力测功机系统中 的应用研究。本文的主要研究内容安排如下： 第一章阐述了本文的研究背景，对国内外测功机的现状进行了概述。对于发 动机测试中的主要设备一一测功机，按类别讨论了各类测功机的基本原理、特点 和发展现状。在此基础上，考虑到直接测量的复杂性和高成本，讨论了间接测量 一一软测量技术在交流异步电力测功机系统中的应用意义，最后给出了本文的研 究内容。 第二章详细讨论了平衡式交流异步电力测功机的测功原理，然后以自行研发的 某摩托车发动机台架实验台为例，分析了该系统的控制系统组成，实例说明了直 接测量的特点。对于发动机测试中重要的速度特性实验和负荷特性实验给出了实 验结果，验证了该系统的可靠性。本章的重点在于对测试系统的分析，说明了直 接测量的特点，从而与后续章节的间接测量一一软测量技术形成对比。 第三章为过渡章节，从原理上对本文后续章节所用到的软测量技术进行了详细 讨论。从软测量技术的发展及应用出发，分析了软测量技术的应用过程，最后讨 论了软测量技术在交流调速领域的应用情况，为后续章节的研究打好了理论基础。 由于基于状态估计的软测量模型依赖系统数学模型的精度，因此第四章的目标 是建立具有高精度的测功电机数学模型，因此第四章分析了交流异步电力测功机 的各种损耗及其影响，由于机械损耗和杂散损耗对模型精度的影响程度不大，建 立了考虑铜损和铁损的异步电力测功机在三相静止坐标轴上的数学模型，并通过 坐标变换，转换为同步旋转坐标轴上的数学模型，根据矢量调速中按转子磁场定 向的原理，分析了系统中的变量关系。 第五章对软测量辅助变量测量系统进行了讨论。软测量辅助变量测量系统的目 标是获得软测量模型的辅助变量值，因此本章对其中需要测定的参数电压、电流、 频率、等效电阻值的获取进行了讨论：在硬件方面给出了电压、电流信号的测定 电路及信号处理方法，在软件方面通过傅里叶变换对所得信号进行频谱分析得到 交流异步电力测功机系统及基于m ( f 的软测量模型研究 了所需的定子电压频率值，最后借鉴前人的研究成果，计算出了等效铁损电阻值。 第六章讨论了在噪声环境下对系统状态估计的方法中应用最成功的卡尔曼滤 波算法，对其原理和特点进行了概述。结合交流异步电力测功机系统的离散非线 性的特点，建立了六阶测功机系统状态方程，选择无轨迹卡尔曼滤波对系统的转 矩、转速进行了状态估计，并通过仿真结果证明了该软测量模型的可行性。最后， 通过对模型的误差来源进行分析，对提高模型的精度明确了进一步研究的方向。 第七章总结了全文的工作，并对进一步的研究进行了展望。 硕士学位论文 第2 章交流异步电力测功机系统的基本原理及结构 交流异步电力测功机系统属于多学科交叉领域，涉及到机械、电机、电力电 子、计算机和自动控制领域的理论知识，以其为核心的交流异步电力测功机测试 系统是各种动力设备性能测试台架的重要组成，近年来得到了广泛的应用。本章 以某摩托车发动机实验台架为例，全面分析了交流异步电力测功机的测功原理和 系统组成，实例说明了直接测量的特点。 2 1 交流异步电力测功机测功原理 电力测功机可采用直流电机，也可采用交流电机。本文采用交流变频异步电 力测功方案，具有体积小，易于控制以及能量可回收等特点，是目前测功机领域 的主要研究对象。 通过测定交流测功电机或被测试机械输出轴的转速和转矩，根据如下公式可 以计算出测功系统的输出功率。 d m 挖 一一 9 5 5 0 ( 2 1 ) 其中p 表示功率( k w ) ，m 表示转矩( n m ) ，力表示转速( r m i n ) 。 由式( 2 1 ) 可知，功率测试的关键在于被测发动机的输出转矩膨和转速以这 两个关键量的检测。常见的检测方法有直接检测法和间接检测法。直接间接法是 指通过各种传感器，将转速和轴上机械转矩这一机械量转化为相应的电压或电流 信号，然后利用电工仪表进行测量，得出转矩等机械量。 在直接法中，转速测量较容易实现，目前常用的方式是使用测速电机、光电 编码器或电磁传感器等手段。这些方法都可以达到较高的精度。转矩测量相对较 为困难，常用的转矩测量方法有两种，其一是利用专用的转矩传感器，如转矩转 速仪、扭矩法兰等。但是转矩传感器通常价格昂贵，安装精度要求高，结构复杂。 另外一种常用的转矩测量方法是定子浮动法。根据电机电磁转矩平衡原理，将电 图2 1 平衡式交流异步电力测功机基本结构 9 交流异步电力测功机系统及基于江的软测量模型研究 机的定子外壳平衡浮置，测定其反向转矩即可测得电机的电磁转矩。将测得的转 速和转矩代入公式( 2 1 ) 即可得到测功机的输出功率。这种转矩测试方法所采用 的电机结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 中，f ：电机定子外壳与电机支座之间的拉力；朋r e ：作用在电机转子 上的电磁转矩；朋舾：作用在电机定子上的电磁转矩。 图2 1 定子外壳平衡浮置的平衡式电力测功机基本结构和普通电机相似，由转 子和定子构成，但与普通电机不同的是平衡式电力测功机的定子及其外壳不是固 定在基座上，而是通过定子轴承安装在电机基座上，在未安装力矩测试设备时定 子外壳可以小角度自由转动，转子通过转子轴承支撑在定子端盖上。定子外壳与 电机支座之间的拉力用拉力传感器相连接。如图2 1 所示，定子通过安装在定子与 电机基座间的拉( 压) 力传感器固定位置。在电机运转时，定子外壳所作用的转 矩作用在拉( 压) 力传感器上，通过拉( 压) 力传感器测出定子外壳所作用的转 矩大小。测定测功电机反向转矩法的方法简单、测定数据不受测功电机效率、外 界负荷、温度和测功电机参数的影响，但是导致了测功电机结构复杂，安装维护 困难。 间接检测法是指即采用容易测量的电气参数如定子电压或电流等量，利用感 应电机的基本原理和现代控制理论方法，对损耗进行分析后建立测功电机的数学 模型间接计算出转矩。由于该方法无需转速传感器、转矩传感器等机械类传感器， 故称为间接检测法。由于间接检测法使系统结构大为简化，提高了系统的可靠性， 因此受到世界各国测试控制领域科技工作者的广泛关注。本文后段采用的软测量 方法就属于间接检测法范畴。 2 2 交流异步电力测功机系统的硬件结构 交流异步电力测功机系统包括测功电机主回路和计算控制单元两大部分( 图 2 2 ) 。主回路包括被测发动机，测功电机，变频器和负载电阻等设备；变频器控制 交流异步电力测功机的加载，并吸收测功机发出的电能经负载电阻消耗掉；计算 控制单元是控制系统的核心，其功能是采集通过信号调理模块处理后的转矩、转 速和温度值，同时发出控制指令给变频器和发动机的油门控制系统。由于要完成 转速、转矩、温度等数据的高速采集、分析计算、实时控制输出、键盘监控以及 显示等诸多任务，因此，本系统采用双c p u 结构来处理信息，分为以8 0 c 1 9 6 k c 为核心的实时控制子系统和以8 9 s 5 2 为核心的人机交互子系统( 图2 2 ) 。两个子 系统通过双口r a m 进行数据交换。此外，系统利用c p l d 实现逻辑电路，完成系 统的译码，提高了系统的可靠性【1 8 】。 l o 硕士学位论文 图2 2 交流异步电力测功机系统 2 2 1 实时控制子系统 实时控制子系统是交流异步电力测功机系统的核心，它采用1 6 位的单片机 8 0 c 1 9 6 k c 为信息处理芯片，将送入系统的转矩、转速信号进行软件滤波处理，通 过p i d 运算后，分别将控制信号送入变频器和油门控制系统使系统稳定运行。 在交流异步电力测功机系统中，转矩和转速是两个关键的参数。本系统测功机 属于平衡式电力测功机，通过浮动的定子外壳与电机底座之间的拉压传感器测出 转矩。其中拉压传感器选用中航电测的波纹管单点式称重传感器，型号为h m l l 。 它的信噪比高，抗干扰能力强，适合测功机等有电磁干扰的场合使用。由于h m l l 输出的信号为0 士2 4 r i l v ，故需通过f d 一3 变送器作为前置放大器，将h m l l 输出 信号放大到5 v + 5 v ；再接反相器实现信号缓冲和硬件调零，消除传感器输出信 号和前置放大器的零漂；经过二阶巴特沃斯低通滤波器硬件滤波后，信号通过光 耦隔离电路，实现强弱电线性隔离，并使信号源的接地点与模拟输入电路之间不 共地，切断共模干扰信号的回路，防止电路部分“共地 引入共模干扰或各路之 间数据串扰( 见图2 3 ) ；最后通过1 2 位的a d 转换器a d l 6 7 4 转换为相应的数字 信号，送入8 0 c 1 9 6 k c 中进行控制算法处理。 转速的采集利用磁电式转速传感器v b z 9 2 0 0 ，该传感器是配合测速齿轮而设 计的发电型传感器。当系统工作时，安装在电机旋转轴上的测速齿轮旋转引起磁 隙变化，在v b z 9 2 0 0 中产生感应电势，从而输出与转速成正比的正弦模拟信号。 感应磁头产生的正弦模拟信号送入l m 3 2 4 构成的比较电路整形，转化为数字信号， 再经光耦隔离器件t l p 5 2 1 隔离后送施密特非门触发器7 4 h c l 4 进一步整形，最后 再送8 0 c 1 9 6 k c 外部中断输入口对转速脉冲信号进行计数，完成转速的采集。具 体检测电路如图2 4 所示。 交流异步电力测功机系统及基于u 汀的软测量模型研究 图2 3 转矩调理电路原理图 图2 4 转速检测电路原理图 2 2 2 人机交互子系统 实时控制子系统的任务是完成对转速、转矩等信号的采集处理，进行控制算法 计算，实现对系统的实时控制，而人机交互子系统的功能是对系统键盘进行监控 以及控制液晶显示屏的输出，完成人与计算机的信息交流。在发动机性能实验中， 实验目标值如速度特性实验中的转速目标值、负荷特性实验中的转矩目标值、油 门开度等，都通过数字键盘输入给定，并在液晶屏和l e d 数码管中显示。 数字键盘采用t o s h i b a 公司生产的键盘专用芯片8 2 c 7 9 ，该芯片在系统中作 为外部输入信息和信息处理芯片a t 9 8 s 5 2 的桥梁：一方面负责与8 9 s 5 2 间的通信， 存贮来自c p u 的编程命令，以此控制键盘和显示功能块工作：另一方面负责接收 键盘输入信息，通过a t 8 9 s 5 2 ，双口r a m 送入实时控制子系统。键盘控制部分电 路如图2 5 所示： 硕士学位论文 p 0 0 - 一p 0 7d b o _ 一d b 7 至l e d 数码管 o u t a o _ o u t a 3 至l e d 数码管7 o u t b 伊o l ，i b 3 键盘列扫描线： s l 俨一s l 3 键盘行扫描线 p 2 5 a o a 0 i 一r l 7 p 2 6 c s c s a l e c l k c l k r d r d r d l 豫 w r r e s e t 习四f r e s e t 烈t 0 i r q a t _ 8 9 s 5 2e p m 7 0 6 48 2 c 7 9 图2 5 键盘部分电路图 2 2 3 油门控制系统 油门控制系统主要由两个部分组成：一是执行器部分，它是由直流力矩电机和 拉线盘组成，其中直流力矩电机作为子系统的动力源，驱动拉线盘带动油门线控制 油门开度大小。在本文中直流力矩电机选用型号为1 1 0 l y 5 3 型，它的连续堵转功率 为2 9 9 7 w ，峰值堵转力矩为2 4 5n m ，连续堵转力矩为1 4 7n m 。二是调节控 制器部分，它是由三角波发生器、电压比较电路、电压调节电路及功放输出电路组 成，完成对油门开度的设定和控制。在发动机试验中，对其油门开度大小的控制要 有一定的精度。此控制是一个小功率伺服系统，其结构见图2 6 。 图2 6 直流力矩电机伺服系统 当位置设定信号( o 1 0 v ，0 1 0 v 对应油门开度0 1 0 0 ) 与位置反馈信号( 0 1 0 v ) 通过电压比较电路比较，其差值经p i 运算、限幅后，通过脉宽调制器( 即p w m 调 制器) ( 本文中为功放输出电路) 将直流电压转换为希望输出给直流力矩电机的电 枢上的方波电压，使电机正转或反转。由直流力矩电机在电位器上产生的( 0 1 0 v ) 信号作为位置反馈信号反馈给电压比较器。当反馈信号等于或接近于设定信号时， 电机停止转动，电机稳定的位置就对应当前的油门开度值。 考虑到模拟电路成本低，专用性强，响应速度快的特点，本系统采用选择模 拟电路来搭建油门控制系统，即将给定值和反馈值经电压比较电路得到差值，再 经p i 运算进行p w m 调制控制力矩电机拉动油门。其中电压比较电路采用模拟 交流异步电力测功机系统及基于u k f 的软测量模型研究 电子技术基础中的差分比例运算电路，此处不再赘述。设定值与反馈值进行差 分运算后即对该差值进行运算以得到控制值。考虑到测功机系统的控制核心是利 用9 6 单片机对发动机进行转矩控制，油门大小的控制达到一定精度即可，故该伺 服系统采用p i 调节电路。如图2 7 所示： 其中，u 6 为比例器，u 7 为积分器，u 8 为反相器，u 9 为加法器。由图可知： p1 踟= ( 1 + 二三丝) 狮+ 二一l 狮西、 墨9 7 坞2 c l l j 图2 7 模拟p i 控制电路 因此，通过反复调节r 2 1 和r 2 2 的阻值即可得到合适的比例、积分系数，从 而得到精确的油门开度。 2 3 试验结果及分析 为了检测交流异步电力测功机控制系统的控制性能，在摩托车发动机试验台上 分别进行速度特性和负荷特性试验。 速度特性是指内燃机性能指标随转速变化的关系，包含初始状态速度控制实验 和运行中速度突变时的控制实验。实验方法是在节气门开度固定时通过改变测功 机转矩来调节发动机的转速，测试某一转速下发动机的性能。按照试验要求，需 要将发动机的节气门固定在规定的位置，逐步增加转矩。但若直接将节气门打开 至规定位置，容易在功率输出轴附近造成极大震荡，对联轴器和发动电机造成极 大损伤，因此在实际试验中，逐步增大节气门到某个位置时，开始逐步地加载转 矩。为了使节气门达到规定开度的时间较短，且转速超调较小，本系统在发动机 转速达到5 0 0 r m i n 时开始进行恒转速控制。初始状态速度控制实验设定期望转速 为1 2 0 0 r m i n ，节气门开度为5 0 。当转速稳定在1 2 0 0 r m i n 后，保持发动机油门 开度不变，将转速设定值改变为1 5 0 0 r m i n 。速度特性实验结果如图2 8 所示。 1 4 硕士学位论文 图2 8 速度特性实验动态曲线图 由图可知，速度特性实验超调控制在6 0 转以内，稳定后，转速控制在了1 2 0 0 5 r m i n 以内，且能迅速跟踪给定值的变化，达到了良好的控制效果。 负荷特性实验是指内燃机转速不变，其经济性能指标随负荷变化的关系，同样 包括初始状态速度控制实验和运行中速度给定改变实验。实验方法是通过改变发 动机的节气门开度，保持测功机转矩不变以保持转速不变，然后测取发动机的负 荷和经济性能参数。与速度特性实验相同，需在节气门开度增加到使摩托车发动 机转速n 8 0 0 r m i n 时，才能逐步增加载荷。实验中，设定转速为1 2 0 0 r m i n ，测 功机电磁转矩为2 5n m 。当转速稳定在1 2 0 0 r m i n 后，保持测功电机转矩不变， 将转速设定值改变为1 0 0 0 r m i n 。负荷特性实验结果如图2 9 所示。 图2 9 负荷特性实验动态曲线图 由图可知，在转速稳定前，系统有短时小幅震荡，超调量在1 1 0 r m i n ，但很快 进入稳定状态，转速控制在1 2 0 0 5 r m i n 以内，且在转速给定值改变后，系统能 再次迅速达到稳定状态。由于本实验注重稳态情况，因此短暂、小幅的震荡是允 许的，实验结果达到了要求。 交流异步电力测功机系统及基于u ( f 的软测量模型研究 2 4 本章小结 本章以作者参与研发的某摩托车发动机试验台为例，全面阐述了交流异步电力 测功机的测功原理。在此基础之上，分析了测功机系统的硬件结构。为了验证交 流异步电力测功机系统的控制性能，本文给出了速度特性实验和负荷特性实验的 实验结果。实验结果表明，该系统具有较好的控制性能，满足动力测试与控制要 求。但相对于间接测量可采用普通结构电机而言，本系统需要采用特制的定子外 壳平衡浮置的平衡式电力测功机，增加了系统成本和体积，同时造成维护的困难。 通过本章对直接测量方法的特点进行了实例分析，从而与后续的间接测量方法一 一软测量形成对比。 1 6 硕士学位论文 第3 章软测量方法研究 通过第2 章的分析可知，传统的测功方法需要平衡式交流异步电力测功机，直 接导致了电机设计时对结构的特殊要求，增加了传动系统的复杂程度和系统的成 本。如采用软测量技术对转矩和转速进行估计的系统，则可利用普通结构电机测 功，从而对简化系统的结构，减小系统的日常维护，降低成本有着非常积极的意 义，因此，从本章开始，本文将开展交流异步电力测功机系统的软测量技术研究。 3 1 软测量技术及其发展 一切工业生产的目的都是为了获得合格的