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HLJITD60 底盘 测功机 设计

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SY-025-BY-1毕业设计（论文）题目审定表指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称HLJITD60底盘测功机设计课题适用专业车辆工程课题类型Z 课题简介：（主要内容、意义、现有条件、预期成果及表现形式。）一、主要内容：（1）建立车辆行驶仿真数学模型（2）设计滚筒机构、动力吸收装置、控制与测量系统和辅助装置，附加飞轮系统（3）测试程序设计，基于NI公司labview软件；二、意义：使用底盘测功机对节能车整车进行综合试验，消除了无需研究的因素，显著缩短了试验周期，在某些方面可获得精度更高、更全面的试验结果，缩短试验周期，降低研制的风险和成本，对节能车的设计及优化具有十分重要的指导意义。三、现有条件：Labview编程软件，PCI6251数据采集卡， CAD绘图软件。四、表现形式：设计图纸（合0号图纸2张）；设计说明书（2万字左右）；相关外文翻译（1篇2千字左右）；测试程序 指导教师签字： 年 月 日教研室意见1选题与专业培养目标的符合度好较好一般较差2对学生能力培养及全面训练的程度好较好一般较差3选题与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度好较好一般较差4论文选题的理论意义或实际价值好较好一般较差5课题预计工作量较大适中较小6课题预计难易程度较难一般较易 教研室主任签字： 年 月 日系（部）教学指导委员会意见： 负责人签字： 年 月 日注：课题类型填写 W.科研项目；X.生产（社会）实际；Y.实验室建设；Z.其它。SY-025-BY-5毕业设计（论文）中期检查表填表日期2010年 4 月 20日迄今已进行 8 周剩余 8 周学生姓名崔士杰院系汽车与交通工程学院专业、班级车辆B07-2班指导教师姓名崔宏耀职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称HLJITD60底盘测功机设计学生填写毕业设计（论文）工作进度已完成主要内容待完成主要内容1. 确定整体的设计方案；完成资料的收集；2. 完成对机械系统的结构设计；3. 软件方面已完成对Labview的初步学习。4. 完成部分图纸的绘制；1. 设计说明书整理；2. 测控系统软件设计；3. 剩余图纸的绘制。存在问题及努力方向 部分结构未能有合适的设计或选材，有待进一步优化。学生签字： 指导教师意 见 指导教师签字： 年 月 日教研室意 见教研室主任签字： 年 月 日 本科学生毕业设计HLJITD60底盘测功机设计院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程07-2班 学生姓名： 崔士杰 指导教师： 崔宏耀 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of HLJITD60 Chassis DynamometerCandidate：Cui ShijieSpecialty：Vehicle EngineeringClass： 07-2Supervisor：Associate Prof. Cui HongyaoHeilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要底盘测功机是一种不解体检验车辆性能的研发检测设备，采用现代电测和计算机技术，仿真模拟各种路面行驶阻力，能很好的改善试验人员的试验环境,消除了试验重复性，显著缩短了试验周期，在某些方面可获得精度更高、更全面和更深入的试验结果。本设计的主要目的是开发适用于节油车性能测试的底盘测功机，为节油车的开发研究提供试验平台。文章首先介绍了背景及其意义、底盘测功机的发展情况及其主要工作方向；在此基础上对底盘测功机的结构进行了设计，分析节油车路面阻力, 建立了底盘测功机动力学模型；选择了交流发电机作为底盘测功机的加载装置，并建立了交流电力测功机的控制模型，设计了底盘测功机的测量和控制系统：脉宽调制(PWM)系统，该系统为底盘测功机提供制动力，以确保正确加载，模拟道路工况。设计基于PID的阻力加载智能控制算法，通过PID来改善控制系统的快速性和降低超调量，降低控制系统的稳态误差。最后对底盘测功机的测控软件进行了设计。以先进的测试理念“软件即仪器”为指导，软件的设计结合高内聚低耦合的开发思想，基于NI公司GUI高级编程工具LabVIEW设计软件平台，针对测功机对象开发各子模块。其子模块可以方便移植应用到其他的领域中。并且界面美观，对话性强，操作方便，能很好的对系统进行实时监控以及各性能参数的显示。 关键词：底盘测功机；LabVIEW；节油车；交流发电机；PID控制 ABSTRACTChassis dynamometer，a test equipment without disassembly, adopt technology of modern electrical measurement and computer to simulate all the driving resistance . It can improve the pilots test environmentThe method can eliminate no needing research factors，shorten notability the trial period，and can acquire more accurate，more entire and more in-depth test result in some aspectsAnd the designs aim is to develop Fuel-efficient car chassis dynamometer and service for the research and development the Fuel-efficient carIn the paper, the background and its significance, the test technology and its development，the source of the program，research aims and the direction of the program are introduced firstlyOn the basis，the author establishes dynamical model of chassis dynamometer and analyses chassis dynamometer road resistance simulated loading principle ,designs the construction of chassis dynamometer, and selects AC motor as the load equipment，and establishes、the control model of AC electronic dynamometer, and establishes the measurement and control system：PWM system，this system offered the chassis dynamometer braking force，to make sure loading correctly and simulate the road conditionThe intelligent system based was designed for simulation ofloading resistanceThough PID control to improve the system speed and reduce the overshoot， to reduce the steady error ofthe systemFinally, desiens the software of chassis dynamometer, based on the advanced test concept “software is apparatus”, software follows the design principle of low poly high couplingMeasure & Control system platform is designed based on GUI advanced programming toolsNI LabVIEW Beautiful interface，strong dialogue，convenient operation，complete realtime monitoring system，show engine erformance parameters.Key words: chassis dynamometer; LabVIEW ;Fuel-efficient car; AC motor; PID controlII目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.2底盘测功机发展现状、趋势及应用21.3HLJITD60底盘测功机研究目的和意义31.4中国节能竞技大赛及节油车介绍31.5设计的主要内容5第2章 底盘测功机的结构设计62.1底盘测功机概述62.1.1底盘测功机的基本结构62.1.2底盘测功机的工作原理72.2HLJITD60底盘测功机总体布置82.3滚筒装置设计82.3.1滚筒参数选择与校核82.3.2滚筒轴承的选择与校核92.4加载装置的选型102.4.1测功机的类别102.4.2 各类测功机的比较122.4.3加载装置的最终选型132.4.4交流异步测功机测功原理142.5 升速器设计152.5.1传动比的计算152.5.2计算传动装置的运动和动力参数152.5.3 齿轮参数的计算与校核162.5.4 轴的设计与校核182.5.5轴承的选择与校核212.6 惯性模拟装置设计222.6.1 汽车功率平衡方程222.6.2惯性飞轮系统参数的确定23 2.7 其它装置的设计与选择232.7.1夹紧装置的设计232.7.2风机的选择232.8 本章小结24第3章 底盘测功机测试系统硬件设计253.1 测试系统硬件设计基本原则253.2 测试系统硬件总体设计253.2.1测试系统结构组成253.2.2工作原理253.3数据采集单元273.4励磁电流控制装置283.5 传感器的选择293.5.1传感器的选择原则293.5.2速度传感器的选择293.5.3拉压传感器的选择303.6 本章小结32第4章 底盘测功机阻力模拟334.1 设计所需使用的节油车参数的确定334.1.1车轮转动惯量的测量334.1.2节油车车身迎风面积的计算344.2节油车在道路上的行驶阻力分析344.2.1节油车的驱动力344.2.2节油车行驶阻力354.2.3节油车道路行驶方程的建立364.2.4A、B、C 待定系数的确定方法364.3节油车在底盘测功机上的行驶阻力分析374.4 底盘测功机电模拟模型的建立384.5 本章小结39第5章HLJITD60底盘测功机系统软件设计405.1虚拟仪器概述405.2Labview软件介绍415.3 软件总体设计425.4数据采集模块设计425.4.1模拟量输入425.4.2数字量输入435.5 数据处理模块设计445.6 PID控制模块设计445.7 PWM输出模块设计475.8系统标定485.8.1误差分析485.8.2系统标定495.9 本章小结50结论51参考文献53致谢54附录55附录A 外文资料翻译55第1章 绪论1.1课题背景汽车是现代文明的重要组成部分，是人类智慧的结晶。然而，随着汽车的保有量的不断增加，汽车给人类带来了的问题也日益突出，已经严重危害到人类今后的生活，当今世界关于环境和能源的问题备受关注。随着汽车技术的发展，“节能、环保、安全”已成为未来汽车工业发展的主题，汽车的轻量化设计对提高车辆动力性、减少能源消耗与降低污染具有重要的实际意义。为了解决这些问题，节能汽车呈现加速发展的趋势，节能汽车的研发任务日趋紧迫，其研究手段需要不断完善。目前车辆主要的开发方式为计算机仿真、实车开发和试验台开发平台三种。计算机仿真有适应性强、费用低、开发周期短等优点，但受动力系统复杂的数学模型的制约，难以得到准确结果，仿真结果的可信性、可用性必须通过其它途径来检验。实车平台的优点是能够为开发对象提供真实的运行环境，但成本高、适应性差、测试和调节难度大。汽车底盘测功机试验台及与其相关的动力测试设备可以方便有效地对动力系统及其部件进行性能测试，对控制策略的优劣进行分析和评价，在整车的开发中具有计算机仿真和实车平台所不可替代的作用，是车辆开发的基础设施。 用底盘测功机对整车进行综合试验。该综合试验使用了功能比车载测试仪器更强的室内试验设备，消除了无需研究的因素，在某些方面可获得精度更高、更全面和更深入的试验结果。同时，车辆本身又是一个复杂的系统，因此要加强对在用车辆的定期检测，以便及时维修调整，使车辆处于良好的技术状况。汽车底盘测功机就是其中常用的设备。底盘测功机室内试验系统最终建立，可直接对整车控划目标，如动力性能、经济性能进行全面的检测，同时也可对动力总成控制系统进行全面调试和检测。在车辆的使用过程中，底盘测功机充分利用现代化检测手段，可在汽车不解体的条件下迅速准确地检测汽车各机构、系统、零部件的技术状况和使用性能，查找故障或隐患所在，采取相应的预防措施，确保车辆在良好的技术状况下运行。对车辆的使用和维护同样具有十分重要的意义。1.2底盘测功机发展现状、趋势及应用国内外的汽车底盘测功机的发展由机械式到电子式，结构由复杂到简单的过程。在80年代以前，汽车试验设备主要以机械结构为主，如机械式测滑实验台，测力弹簧结构的制动实验台等。汽车底盘测功机也主要以机械模拟为主，即采用飞轮模拟汽车行驶时的平移质量和旋转质量的惯量阻力，只能检测汽车在低速行驶状态下的参数，且精度很低。进入80年代，随着汽车机电一体化的发展，汽车检测设备也进入了机电一体化设计阶段在传统结构的汽车检测设备的基础上，尽量减少机械传动环节，并采用反应速度快的高精度传感器，电子计算机与机械装置相结和的方法来设计汽车检测设备，为检测高速行驶中的汽车的真实性能提供了可能性。此阶段的汽车底盘测功机主要采用机械一电模拟方式，用飞轮模拟汽车惯性阻力，用电负荷模拟汽车的另一部分行驶阻力，大大提高了检测的精度。当时，德、日、美三国的很多公司纷纷投入大量的人力、物力开发研制机械一电模拟的汽车底盘测功机，并取得了很大成果。随着研究的不断深入，人们发现采用飞轮组来模拟汽车的惯性阻力是有级模拟。对于测定稳定工况下的汽车性能而言，在转鼓实验台上只要装有作为负荷的测功机就可以，而且希望旋转部分的惯性矩尽量小，以减少惯性对测量装置的影响；对于测定非稳定工况的汽车性能而言，为了模拟汽车重量的影响，实验台旋转质量的动能应与行驶汽车的动能相等。因此，必须采用惯性可调的飞轮，传动比可以改变的增速器或通过电力驱动的调节来改变实验台旋转质量的动能，以适应重量不同的各种车型的需要。这将使试验台结构变得复杂且增加制造成本。因此人们开始研制通用的转鼓实验台，即电力汽车底盘测功机。它利用电磁力及发电机结构提供测功机所需要的负载。在消耗工况下，通过改变磁通量和改变负载电阻均可改变回路中的电流。电力测功机这种实验台通过电信号调节模拟汽车的惯性力，实现了无级模拟。通过设计良好的底盘测功机测控系统使其能自动调节12。汽车底盘测功机被广泛应用于工业发达国家的汽车制造、检测和维修业当中。德国申克公司生产的汽车底盘测功机，它自己带有的一套控制模式能实现数字控制和模拟控制转速、滑行等功能，可逼真地再现实际工况。还有德国的马哈公司、美国的野马公司、CLAYTON公司、法国的TELMA公司、西班牙的FRENELSA公司等生产的底盘测功机在其各自的国家均得到广泛应用，并出口到世界其他国家。早期国内引进的大多是日本的模拟电子式底盘测功机。1981年，天津公共汽车公司和交通部科学研究院参考引进日本弥荣的CDM310型底盘测功机，研制出汽车性能试验台。1991年，交通部公路研究所和成都汽车保修机械厂制成DCG10A汽车底盘测功机，结束了我国不能生产底盘测功机的历史3。目前，汽车底盘测功机在我国已经有一些企业生产了一系列的产品，国内生产的主机(机械部分)已接近并在某些主要指标方面达到或超过进口设备水平，研究现在主要集中在控制系统这一部分，与国外仍有一定差距。近年来因电子计算机技术的高度发展，为数掘的采集、处理及试验数据分析提供了有效的手段，同时为模拟道路状态准备了条件，加速了底盘测功机的发展，加之各类专用软件的开发和应用，使底盘测功机得到了更广泛的推广。其未来的方向也必将伴随着IT技术的发展想着更高精度发展。1.3 HLJITD60底盘测功机研究目的和意义本设计为全国大学生节能车比赛用车，相应的底盘测功机。主要应用于检测节能车的动力性及燃油经济性。既能够测试节能赛车的性能（包括驱动轮输出功率、扭矩和转速）。也可以进行摩托车及电动车(包括纯电动车、燃料电池电动车)的特有性能的测试。用室内试验台架(底盘测功机)对节油车整车进行综合试验，消除了无需研究的因素，显著缩短了试验周期，在某些方面可获得精度更高、更全面和更深入的试验结果缩短整车试验和标定的试验周期，降低研制的风险和成本，对整车和零部件总成的设计具有十分重要的指导意义。故设计本底盘测功机具有如下功能：（1）最高车速测试；（2）爬坡度测试；（3）底盘输出功率测试；（4）校验车速表、校验里程表；（5）燃油经济性测试。1.4中国节能竞技大赛及节油车介绍Honda环保活动是以本田创始人本田宗一郎先生最初的宗旨开展，即“如何有效利用有限资源，不破坏公共环境，为子孙后代造福，所有行动要以此为准绳”。节能竞技大赛是搭载Honda 4冲程125CC摩托车发动机，通过动手制作赛车挑战节能极限的竞技赛事。该赛事人人都可以轻松参与，队员们通过创意，设计出世界上独一无二赛车参与角逐，人们不仅可以感受到“创造”与“交流”的乐趣，还可以体会到“低油耗就是环保”的理念。本田希望通过“节能竞技大赛”，为近年来中国不断高涨的环保、节能意识的进一步提高作出贡献。2007年第1届中国节能竞技大赛由于报名火爆，参赛队伍众多，场地由原定的上海龙华机场改为上海国际赛车场。第2届Honda中国节能竞技大赛扩大了赛事规模，吸引了很多的社会普通级别车队参加。比赛在上海国际赛车场举行。此次比赛全长12040m，比赛圈数为4圈。竞赛要求车手以不低于25km/h的平均车速完成比赛，测量油耗，最终耗油量最少的车队胜出，并通过计算得出1L汽油所行驶的里程。在2010年第4届中国节能竞技大赛上，我校参赛车第一次参加比赛，取得了预赛全国十五，决赛全国二十的好成绩。2011年我校参赛车将继续参赛。预祝取得更加优异的成绩！图1.1 黑龙江工程学院参赛车1.5设计的主要内容设计的主要内容包括以下几点：（1）设计滚筒机构、动力吸收装置、控制与测量系统和辅助装置，附加飞轮系统。（2）对车辆在道路上和底盘测功机上两种情况进行阻力分析，建立车辆行驶仿真数学模型。（3） 对测控系统的硬件部分经行相关设计，主要包括数据的采集和放大处理等，分析系统产生干扰的原因并采取一定措施进行干扰的抑制。（4） 基于NI公司的labVIEW软件进行测试系统的设计，软件采用模块化设计。（5）分析误差的产生，对程序进行测试与标定。第2章 底盘测功机的结构设计1.1 底盘测功机概述底盘测功机，又称转鼓试验台，是一种室内试验设备。它是通过在室内台架上模拟汽车道路行驶工况的方法来检测汽车的动力性，而且还可以测量多工况排放指标及油耗。同时能方便地进行汽车的加载调试和诊断汽车在负载条件下出现的故障等。由于汽车底盘测功机在试验时能通过控制试验条件，使周围环境影响减至最小，同时通过功率吸收加载装置来模拟道路行驶阻力，控制行驶状况，故能进行符合实际的复杂循环试验，因而得到广泛应用。底盘测功机分为两类，单滚筒底盘测功机和双滚筒式。底盘测功机既可以用于汽车科学试验，也可以用于维修。试验时车辆后轮带动转鼓旋转，转鼓通过联轴器与升速器连接再将转矩传递给加载装置，由加载装置提供阻转矩，使车辆发动机受到的阻力等效于同等工况下在道路试验中受到的阻力；风机的风速跟踪车速，使车辆发动机（还有传动箱、轮胎等）的冷却条件与道路试验等效。这样车辆就可以在底盘测功机上模拟道路行驶。系统还配备了对速度、时间、距离、压力等项目的测量环节，由计算机进行数据采集和控制。整个系统协调运转，驾驶员在显示器的提示下按照试验要求驾驶车辆。一方面保证测试的重复性，别一方面便于相关数据的采集和车辆性能的调整。近年来因电子计算机技术的高度发展，为数掘的采集、处理及试验数据分析提供了有效的手段，同时为模拟道路状态准备了条件，加速了底盘测功机的发展，加之各类专用软件的开发和应用，使汽车底盘测功机得到了广泛的推广4。2.1.1底盘测功机的基本结构底盘测功机主要部分为滚筒机构、动力吸收装置、控制与测量系统和辅助装置。附加飞轮系统等。普通型道路模拟系统如图2.1所示。1.机架 2.功率吸收装置 3.滚筒 4.速度传感器 5.制动器6.拉压传感器图2.1 普通型汽车底盘测功机道路模拟系统结构示意图2.1.2底盘测功机的工作原理汽车在道路上运行过程中存在着运动惯性、行驶阻力，要在试验台上模拟汽车道路运行工况，首先要解决模拟汽车整车的运动惯性和行驶阻力问题，这样才能用台架测试汽车运行状况的动态性能。为此，在该试验台上利用惯性飞轮的转动惯量来模拟汽车旋转体的转动惯量及汽车直线运动质量的惯量，在允许的误差范围内满足汽车的惯量模拟。至于汽车在运行过程中所受的空气阻力、非驱动轮的滚动阻力及爬坡阻力等，则采用功率吸收加载装置来模拟。路面模拟是通过滚筒来实现的，即以滚筒的表面取代路面，滚筒的表面相对于汽车作旋转运动。在系留装置及车偃等安全措施保障下，通过控制系统可对加载装置及惯性模拟系统进行自动或手动控制，以实现对车辆的动力性如加速性能、汽车底盘输出功率、底盘输出最大驱动力、滑行性能、车速表校验、里程表校验等项目的检测。51.2 HLJITD60底盘测功机总体布置飞轮组升速器滚 筒冷却风机夹紧装置拉压传感器速度传感器机架测功机 图2.2 HLJITD60底盘测功机布置示意图 2.3滚筒装置设计2.3.1滚筒参数选择与校核 滚筒装置是测功机的基本组件，其结构和性能的好坏，将直接影响测功机的测试精度。滚筒采用钢制空心结构。滚筒直径、表面状况是影响测功机性能的主要结构参数。滚筒直径决定了车轮与滚筒的接触状况。直径大时，滚筒曲率半径大，车轮在滚筒上运转接近在道路上行驶的状况，滑转率小，滚动阻力小，测试精度高；滚筒直径小时，由于接触比压大，滑转率大，滚动阻力大，在高速下会使传递功率损失7-20。同时，车轮在小直径滚筒上滚动时会增加轮胎的摩擦力，长时间的高速运转会使轮胎表面测试升高到临界值，导致轮胎早期损坏。GBT 181762007规定摩托车底盘测功机滚筒的直径要大于或等于400mm，同时国标要求测功机的基本当量质量是100kg，也就是要求测功机系统旋转件的转动惯量加上滚筒的当量质量为100kg，因此按照参数的要求可以设计滚筒的尺寸为：外径560mm，内径532mm，宽度为250mm，滚筒壁厚14mm。滚筒表面形式可以为光滑的，也可以是表面经过处理为粗糙的。对于测定或检验汽车动力性或模拟汽车行驶工况的测功机上的滚筒，其表面多为光滑的。由于本设计即为测试节油赛车的性能的转鼓，采用光滑表面即可满足其车轮附着力。因此转鼓表面不采用特殊形式。 2.3.2滚筒轴承的选择与校核1.轴承形式的选择由于滚筒只承受车身的及滚筒自身的重力，只有径向力而不承受轴向力，所以轴承的形式选择为深沟球轴承。2.当量动载荷P的计算试验时只有驱动轮在转鼓上转动，并按照车轮承载质量平均分配原则，车加载在滚筒上的径向力及滚筒自身重力和为G =（m1 + m2 / 3）g （2.1） = (100 + 40)g= 1372 N其中：m1 滚筒质量，单位kg; m2 车身质量，单位kg; g 重力加速度,单位m/s2。由于径向力Fr=1372 N，轴向力Fa=0。则Fa/Fre。由机械设计手册查得X=1，Y=0。当量载荷P = XFr + YFa = Fr = 1372 N。考虑到其他车型的需要，故轴承的选择适当增大些型号，以承受更大的轴向力。初选型号为6207。基本额定动载Cr=25500N。3.计算所需的径向基本额定动载荷值 （2.2）上式中fp=1.1，ft=1，所以 25500N （2.3）固满足要求，适用。2.4加载装置的选型 用底盘测功机测试节油车性能和检测节油车技术状况，就必须能模拟车辆在道路上行驶时所受到的各种阻力。节油车行驶时内部阻力是因为节油车传动系的损失而引起的，其值在道路上和测功机上都是一样的。节油车在道路上行驶时的外部阻力就不同于在测功机上运转时的阻力。在测功机上运转只有驱动轮转动，所引起的外部阻力较在道路上行驶时少，在测功机上不存在节油车在道路上行驶对所受到的空气阻力、爬坡阻力，以及从动轮的轴承摩擦、空气阻力摩擦和滚动阻力。这些外部阻力就靠测功机加载装置模拟，以使节油车受力状况如同在道路上行驶。2.4.1测功机的类别常用的测功机有水力测功机、电涡流测功机、电力测功机及磁粉测功机等。这些测功机都是根据测功机作用力矩与测功机反作用力矩大小相等、方向相反的原理来测量的3。1水力测功机水力测功机因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，长期以来成为大功率内燃机试验优先采用的设备。目前主要有定充量水力测功机和变充量水力测功机。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。2电涡流测功机电涡流测功机利用电涡流效应吸收驱动轮输出转矩和功率，具有低惯量、高精度、高稳定性、结构简单等特点，适用于操作控制的自动化，并且功率范围也较宽，转速较高，响应速度较快，测试工艺比较成熟，是目前各内燃机制造厂主要使用的测功机之一。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开发和试验。但是，传统的电涡流测功机吸收功率较小，技术水平偏低，自动调节系统动态结构中“恒流控制”和“恒速控制”两个调节闭环共用一只调节器，导致恒转矩控制和恒转速控制达不到精度要求。而且，与水力测功机一样，电涡流测功机只能吸收原动机的功，将其全部转化为热能消耗而不能回收，也不能作为电动机驱动转鼓工作。由于其性能的限制，使得其精度的提高和实际应用受到限制。3. 磁粉测功机磁粉测功机是根据转子和外壳内腔之间填充的磁粉微粒处于磁化状态后产生的反力矩来测功的。当外壳上的励磁线圈不通电时，磁粉呈自由状态，转子旋转时，磁粉受离心力的作用而附在转子与外壳内腔之间的间隙边缘，不传递转矩。当线圈通电时，磁粉处于磁化状态，沿径向排列互相吸引，在转子和外壳内腔之问形成磁粉链，而磁粉链中微粒间的引力则构成了制动力矩。这种测功机体积小，转矩大，在工作区域内励磁电流与转矩近似里线性关系。当励磁电流不变时，具有等转矩特性，响应速度快，最大功率下可在任一工况点工作，故特别适合在大转矩和中、低转速工况应用。由于高温会引起磁粉烧结和磁胜退化，故需采取良好的冷却措施，且不宜长期在高速状态下使用6。4.电力测功机电力测功机的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这种电力测功机的定子及其外壳不是固定在机座上，而是可以自由摆动。转子通过轴承支撑在定子外壳上，定子外壳通过滚动轴承浮动的支撑在支座上，定子外壳与电机底座之间用拉压传感器相连接。由于定子用轴承浮动支撑，所以拉压传感器产生的转矩与定子上所作用的转矩平衡，其大小由拉压传感器测出，故也称为平衡式电力测功机，它分为直流电力测功机和交流电力测功机。（1）直流电力测功机直流电力测功机采用复式激励的直流电机，利用电枢绕组切割磁力线而产生感应电动势的原理，根据在不同电磁力作用下所产生大小不同、与转向相反的制动力矩来控制测功机的运行状态。直流测功电机由于控制简单、调速平滑，性能良好，一直占据主导地位。然而，直流测功电机结构上存在机械换向器和电刷，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。（2）交流电力测功机常用的三相交流发电机可作为最简单的交流电力测功机。当被测车辆直接驱动转鼓带动三相交流发电机时，其测得的有效功率为： （2.4）式中：Pe测得的有效功率，单位kW；交流发电机的电压，单位v；交流发电机的输出电流，单位A；交流发电机的效率；cos交流发电机的功率因数7。交流电力测功机电机转子的转速与转向与被测动力机械相同时，被测机械输出接近空载。当三相变频电源降低频率，旋转磁场同步转速低于测功机转子转速时，测功机工作于发电机状态，产生的电磁转矩方向与被测机械输出转矩方向相反，即向被测试机械施加负载。此时，测功机将被测试机械输出的能量转换成电能，通输出给大功率电阻消耗或者回馈电网。2.4.2各类测功机的比较（a）变频器控制的交流电力测功机转矩曲线 （b）能耗制动电阻控制的直流电动测功机转矩曲线（c）电涡流测功机的转矩曲线（d）水力测功机的转矩曲线图2.3 各类测功机转矩特性曲线众所周知，测功机的使用范围是该测功机的转矩曲线所包围的面积。比较图2.3中的各图形可知交流电力测功机的转矩曲线所包围的面积最大。目前，在小型通用汽油机(功率在1 kW左右)迅速发展的情况下，一般直流电力测功机或电涡流及水力测功机无法满足其台架试验的要求，直流电力测功机的静摩擦曲线比较高，在1kW左右。而小型通用汽油机的功率只有1 kW左右，可能无法拖动电机运转。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，小型通用汽油机的转矩可能在测功机转矩曲线之外。与各类水力测功机及电涡测功机相比，交流电力测功机测功范围宽，而且可在测定原动机性能参数的同时，还以发电的形式回收能量；与水力测功机相比，它节约了水资源及相应的配套设备，试验场地干净，对环境无污染，转矩控制响应迅速而且测量精度高；与直流电力测功机相比，也无需经常保养，空间小、成本低。另外，平衡式交流电力测功机还可以作电动机运行来拖动发动机，实现发动机电起动、冷磨合、摩擦功率和机械损失测量。近几年来随着电机控制技术和电力电子技术的发展，交流传动系统在动、静态性能上得到了显著提高，因此对交流测功机的研究成为主流趋势。目前，交流测功机并已广泛用于发动机、汽车底盘、电动汽车、电机性能试验、电机MS曲线试验、液力变矩器、动力换档变速箱、液力变速器总成、汽车变速箱、船用齿轮箱、减速器和其它传动装置的功率和效率测试，为各种动力机械及传动装置的研究开发开辟了新的应用领域。2.4.3加载装置的最终选型通过以上各类测功机的优缺点的对比，以及结合自身现有的能力水平，最总确定采用交流电机做为HLJITD60底盘测功机的加载装置。采用捷达车用交流发电机，型号为JFZ1813。最大输出功率1.26kW，额定转速6000r/min。通过改型以满足作为加载装置的需求。图2.4 JFZ1813型交流发电机2.4.4交流异步测功机测功原理交流电力测功机作负载测功运行时实际上是一个处在发电状态下的交流异步电机，它吸收被测车辆输出的功，将驱动轮输出的机械能转变成电能。由于发动机自身的结构决定无法直接测出驱动轮的转矩，因此通常以测功电机转速和轴上的转矩作为被测量，来间接测量车辆的输出转矩和功率。一般采用的测功方法有测定电功率法和转速转矩测定法两种。测定电功率法由于测功效率易受外界负荷、转速、温度等的影响和电机参数受频率、温度变化影响较大，另再加上各种损耗，导致测定的电功率变化很大，必须采用曲线校正的方法，使得该方法的试验工作复杂化、试验结果不准确，因此应用较少。转速转矩测定法就是通过测量电机或被测试车辆驱动轮的转速和转矩，根据如下公式计算得到输出功。如用P表示发动机输出的有效功率(kW)，Mp表示有效输出转矩(NM)，n表示转速(rmin)，则三者之间的关系为 （2.5）式(2.5)说明：有效功率是通过测定某工况下被测车辆的输出转矩Mp和转速n计算得到的。因此，交流异步电力测功机轴上的加载转矩Mp，和轴上转速n是以其为基本组成的功率测试系统中两个关键的检测量。这种转矩测试的方法结构示意图如图2.5所示。拉压传感器图2.5 转矩测定法示意图平衡式交流异步电力测功机结构由转子和定子构成，但与普通电机不同的是定子及其外壳不是固定在机座上，而是可以自由摆动，是平衡浮置的。转子是通过轴承支撑在定子外壳上的，而定子外壳通过滚动轴承浮动地支撑在支座上，定子外壳与电机底座之间则用拉力传感器相连接。由于定子用轴承浮动支撑，因此拉压传感器就可间接测出定子上所作用的转矩即交流异步电力测功机的反向转矩，该反向转矩即为被测试车辆的输出转矩。由于该测试方法简单、测定的数据不易受其他因素影响，因此测定的数据比较可靠7。2.5 升速器设计 升速器（即减速器的反向使用）是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来升高转速和减小转矩，以满足工作需求。由于滚筒转速难以达到测功机转速，所以在转鼓和测功机之间必须安装有升速机构。2.5.1传动比的计算1.确定总传动比节油车的一般行驶速度要求平均为25km/h，而通常其车速不超过40km/h，其滚筒直径为560mm。由此可计算其滚筒转速v在228r/min366r/min。其最大模拟功率在700W左右。由交流电机的工作曲线可知电机转速在4000r/min以上便足以完成加载。同时考虑其它车型的使用及节油车最高车速的使用，按其电机的最大吸收功率1.26kW计算足以满足各项要求。在以下的计算校核过程中，升速器的设计全部按照减速器的设计步骤进行。设定升速器的总传动比i=12。2.传动比的分配8由于传动比选择了12，这样一级减速器尺寸较大，选择形式为二级圆柱齿轮，这样便可有效减小其减速器的结构尺寸，使其结构更加紧凑。其传动的布置形式选择为同轴分流式。对于同轴式减速器设计，应使传动比i1i2，或按下式计算 i2 =-（0.010.05） （2.6）代入i=12，可得i1=4，i2=3。2.5.2计算传动装置的运动和动力参数 设计计算传动件时，需要知道各轴的转速、转矩或功率，因此应将工作机上的转速、转矩或功率推算到各轴上。1.各轴转速n1 = n = 333 r/min （2.7）n2 = n1 / i1 = 1333 r/min （2.8）n3 = n2 / i2 = 4000 r/min （2.9）式中：n转鼓转速，r/min；n1、n2、n3 输入轴、中间轴、输出轴转速，r/min；i1 、i2输入轴与中间轴传动比 、中间轴与输出轴传动比。2.各轴功率 P1 = P = 1.26kW （2.10） P2 = P11 = 1.23kW （2.11） P3 = P22 = 1.2 kW （2.12）式中：P滚筒输入功率，单位kW；P1、P2、P3输入轴、中间轴、输出轴的输入功率，单位kW；传动效率。3.各轴转矩 T = 9550000P/n = 44746.98 Nmm （2.13） T1 = T = 44746.98 Nmm （2.14）T2 = T1i11 = 10963.01 Nmm （2.15）T3 = T2 i22 = 3581.25 Nmm （2.16）式中：T1、T2、T3输入轴、中间轴、输出轴转矩，单位Nmm。2.5.3齿轮参数的计算与校核1.选择材料及确定许用应力小齿轮用20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度为56-62HRC，Hlim1= 1500MPa，FE=850MPa；大齿轮用20Cr渗碳淬火，齿面硬度为56-62HRC，Hlim1= 1500MPa，FE =850MPa。取SF=1.25，SH=1；取ZH=2.5，ZE=189.8； SF1 = F2 = 476 Mpa （2.17） SH1 = SH2 = 1500 Mpa （2.18）2.按齿轮弯曲强度计算齿轮参数齿轮按8级精度制造。取载荷系数K=1.3，齿宽系数=0.8，=0.5。初选螺旋角=。齿数 取Z4=16，则Z3=163=48，实际传动比为3.齿形系数 ZV4=18.03 （2.19） ZV3=54.08 （2.20）查机械设计手册得 YFa4=3.15 YFa3=2.36 Ya4=1.52 Ysa3=1.68 （2.21）法向模数 mn = 0.883 （2.22）取mn=1.5mm。中心距 2= 49.95mm （2.23）取=50mm。确定螺旋角 （2.24）= 16.26取第二级齿轮中心距与第一级相同，即1=50mm，由于齿数和为65-66，且按二级传动比为4计算可得Z1=52,Z2=13。计算螺旋角 （2.25） = 12.84齿轮分度圆直径 d1 = mnZ1/cos1 = 80 mm （2.26）d2 = mnZ2/cos1 = 20 mm （2.27）d3 = mnZ3/cos2 = 75 mm（2.28） d4 = mnZ4/cos2 = 25 mm （2.29）齿宽 b3 = 0.525 = 12.5 mm （2.30） b1 = 0.820 = 16 mm （2.31）取b1 = 16 mm ，b2 = 18.5 mm，b3 = 12.5 mm ，b4 = 15 mm。齿顶高ha = mn = 1.5，齿根高hf = 1.25mn =1.8753.校核齿面接触强度= （2.32）=189.82.5 = 474.50.9791.26 =585.57MPa=1500MPa 结论：安全。4.齿轮圆周速度 V= （2.33） = = 5.23 m/s故选择8级制造精度是合适的。2.5.4轴的设计与校核1.轴的尺寸确定轴的材料选择为45，其许用扭切应力/MPa为3040。根据轴的承载情况确定轴的最小直径 （2.34） = =1120.072 =8.06mm即轴的最小直径要大于等于8.06mm。2.轴的强度校核（1）求水平面内支反力、和弯矩+ =（2.34）（2.35）由以上两式可得= 143.24N，= 143.24N，=1969.55Nmm。（2）求垂直面内支反力FAy、FBy和弯矩FAy+FBy=（2.36） （2.37）由以上两式可得FAy=35.32N，FBy=73.3N，=485.65N.mm，=1007.88N.mm按第三强度理论得： （2.38）=422 N.mm （2.39）FAyFBXFAXFByFaFrFtFAXFtFBXL2L1L FAyFByFrM1969.55NmmMc右=1007.88NmmMc左=485.65Nmm3581Nmm422Nmm图2.6 轴的受力分析2.5.5滚动轴承的选择和计算齿轮的受力计算圆周力 Ft = 2T3 / d4 （2.40）= 23581/25=286.48N径向力 Fr = Fttan/cos （2.41）=/cos16.26=108.62N轴向力 Fa = Fttan （2.42）= 286.480.292 = 83.55 N由于工作过程中轴承受到的轴向力和径向力都较小，选用深沟球轴承。1.求当量动载荷P 计算时用到的径向系数X、轴向系数Y要根据值查取，而在轴承型号未选出前暂不知道，故用试算法。由机械设计手册查得，暂取，则e=0.22。因由机械设计手册查得X=0.56，Y=1.99。由当量动载荷计算公式P = XFr + YFa（2.43）=（0.56108.62+1.9983.55）N= 227.1N2.计算所需的径向基本额定动载荷值 （2.44）上式中fp=1.1，ft=1，所以=3347N （2.45）3.选择轴承型号 查机械设计手册，选6002轴承，其Cr=5580N3347N；C0r=2850N。故6002轴承的，与原估值接近，适用。中间轴轴承受力基本相同轴承型号同样选取6002。由于输入轴受力较大些，故轴承型号选取的略大，选取6004。2.6惯性模拟装置设计汽车在道路上行驶时汽车本身具有一定的惯性能，即汽车的动能；而汽车在底盘测功机上运行时车身静止不动，是车轮带动滚筒旋转，在汽车减速工况时，由于系统的惯量比较小，汽车很快停止运行，所以检测汽车的减速工况和加速工况时，汽车底盘测功机必须配备惯性模拟系统。目前，应用较多的模拟方式是机械模拟和机一电模拟。机械模拟一般是只模拟汽车的惯性质量，机一电模拟不仅可以模拟惯性质量，还模拟汽车的滑行阻力。在底盘测功机上进行滑行试验时，利用底盘测功机上的惯性飞轮和已有的旋转部件，等量模拟汽车在道路上滑行时的平移和旋转质量。称为机械模拟。对于具有计算机控制加载的汽车底盘测功机，可以模拟汽车在道路上滑行时的惯性质量，其计算机控制加载部分可以模拟汽车在道路上滑行的阻力，一般称为机电模拟。2.6.1汽车功率平衡方程1.车辆在道路上行驶时的功率平衡9车辆在道路上行驶时的功率平衡方程式为：Pt = Pf + Pw + Pi + Pj （2.46）式中:Pt驱动功率，单位kW；Pf滚动阻力消耗的功率，单位kW；Pj车辆加速阻力消耗的功率，单位kW。并且 （2.47）式中：m车辆的质量，单位kg；v车速，单位m/s;rt驱动轮半径, 单位m;Jt1、Jt2车辆前后轮的转动惯量，单位kgm2。2.车辆在底盘测功机上运行时功率平衡车辆在底盘测功机上运行时功率平衡方程式为Pt = Pf + Pw + Pi + Pj（2.48）即 Pt = Pf + Pw + Pi +（） （2.49）式中：Jr底盘测功机滚筒的转动惯量，单位kgm2；Jf惯性飞轮的转动惯量，单位kgm2；wr滚筒的角速度。单位rad/s；wf飞轮的角速度，单位rad/s。因在底盘测功机上汽车实际上并为移动，Pw并不存在，可由计算机控制测功机的加载来模拟空气阻力的作用。在底盘测功机上进行平直路面汽车动力性模拟测试时Pi不存在；而在有坡度路面汽车动力性模拟测试时，必须考虑Pi的作用，可由计算机控制测功机的加载实现模拟坡度阻力。2.6.2惯性飞轮系统参数的确定由功率平衡方程式（2.38）和（2.40）相等，推导出惯性飞轮的转动惯量为 Jf =(m+Jt2 /)-Jr/i2 （2.50） 便于以后不同车辆车型的使用，制造1kg飞轮两个，2kg飞轮一个，5kg飞轮一个，10kg飞轮一个。2.7其它装置的设计与选择2.7.1夹紧装置的设计进行试验时，需使用夹紧装置对前轮固定，夹紧装置是安全保障系统的重要装置。设计为位置可调式。松开加紧装置螺栓，其夹紧装置便可前后，上下移动，移至合适位置把两前轮夹紧后将螺栓拧紧。2.7.2风机的选择 冷却风机是模拟节油车行驶时的迎面风，使发动机的冷却效果与节油车在路面行驶时的状态接近，由于节油车车型特殊，其发动机后置且在车身内部，又因为节油车车速相对较慢，考虑到这些因素，其风机的设计可简单化且不会对测试结果造成过多影响，采用简易风机，风扇转速为手动可调式,采用格力台式风扇，型号为KYTC-25。按照国标的要求，该风机的出风口面积为0.4m2，下边缘离地高度为0.15m，至车轮前端距离0.3m。2.8本章小结按国家标准GB14622-2007确定HLJITD60底盘测功机的结构尺寸，分析比较水力测功机、电力测功机、电涡流测功机、粉磁测功机各自的特点后，选用交流电力测功机作为HLJITD60底盘测功机的功率吸收装置。按照节油车车速和交流电机额定转速参数设计升速器。并结合节油车自身特点设计其它辅助装置。 第3章底盘测功机测试系统硬件设计3.1测试系统硬件设计基本原则对于不同的测试对象，测试系统设计的具体要求是不同的，节油车底盘测功机试验系统有其自身的特点，在设计中应充分考虑其自身特点，并结合现场测试环境及测试人员的具体情况。根据本系统特点，在硬件设计和选型上遵循以下原则：测试精确性：采用精确而灵敏的可靠性硬件设备，提高测试系统的数据精确度，确保改造后的检测设备测试数据符合使用要求。安全可靠：选购设备要考虑底盘测功机试验环境的具体特点，保证系统安全。考虑温度、湿度、压力、振动、噪声等对系统稳定性和可靠性的影响，要有超载量和过载保护，保证输入、输出正常工作10经济合理：在满足系统性能指标及安全可靠的前提下，在选购硬件时，应尽可能的降低价格，以便提高整个系统的性价比。计算机和采集系统是系统硬件投资中的两个主要部分，在计算机的选型中，应在满足处理速度、存储空间和可靠性的基础上，合理选用，而不是片面的追求高档次机型；在采集系统的选购上，在达到系统指定的采集速率、精度及可靠性的基础上，应合理选用数据采集卡。3.2测试系统硬件总体设计3.2.1测试系统结构组成整个底盘测功机测试系统由控制部分、数据采集与处理部分组成。控制部分主要由励磁电流控制装置、交流测功机、工业控制计算机等几部分组成；基于PCI总线的数据采集卡采集底层数据信号，底层采集信号包括转速、扭矩，由速度传感器、拉压传感器采集现场信号至信号调理单元。经信号放大器放大，把信号传输给控制部分。3.2.2工作原理 交流测功机励磁线圈采用汽车蓄电池提供的直流电驱动。在本系统中，采用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制交流测功机线圈组平均电压，实现调速。图3.1是利用开关管对电涡流测功机线圈组进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。（a）原理图 （b）电压和电流波形图3.1 不可逆PWM变换波形PWM交换器实际上是一种直流斩波器，其开关器件采用全控式的电力电子器件(可以选用或MOSFET或IGBT等，本系统中采用IGBT)。电源电压Us由汽车蓄电池提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为测功机励磁回路提供释放电感储能的续流回路。电力晶体管VT的基极由频率为f(20kHz左右)，脉冲宽度可调的脉冲电压Ub驱动在一个开关周期内，当0tton时，Ub为正，Vr饱和导通，电源电压通过VT加到测功机励磁线圈两端；当tontT时，Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 （3.1）式中，=即为PWM电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在01之间，改变，即可实现对测功机励磁电流的调节。由labVIEW中的定时器产生周期固定，占空比可调的方波通过PCI6251数据采集卡的数字输出口发出，然后把此方波电压作为功率管基极的驱动电压，控制功率管的开启和关断。从而在交流测功机的励磁线圈上产生电压，当驱动方波的占空比方式改变时，励磁线圈中的平均电压得以改变，所以电涡流测功机的制动力矩也得以改变。初始位置确定。速度传感器及其信号处理电路将车辆的实时速度转以方波的形式输入，在定时器的配合下测得方波的频率从而计算出节油车的实时驱动力。随后将它们与拉压传感器测得的力比较算出偏差，然后通过PID算法计算得出最佳的控制量(体现为驱动方波占空比的改变)从数字输出口输出去调节交流测功机的励磁电流从而改变制动力矩，使车辆稳定在设定的理想车速，实现闭环控制。3.3数据采集单元将数据采集到计算机中，并对其进行合理的组织，需要构建一套完整的数据采集(Data Acquisition，简称DAQ)系统。采用拉压传感器和转速传感器分别采集力和转速，并将这些物理量转化成电信号。信号调理单元对采集到的电信号进行加工放大，使他们适合数据采集卡输入范围。1.数据采集卡测功机性能参数(包括力、速度等信号)通过各种拉压传感器和速度传感器采集，这些传感器出来的信号不同。本系统采用基于PCI总线的多功能采集卡NI PCI6251来采集这些信号，PCI6251多功能数据采集卡是美国国家仪器公司最新推出的M系列多功能卡，16路模拟输入, 1.25 MS/s, 16位分辨率, 10 V 2路模拟输出, 2.86 MS/s, 16位更新率, 10 V 24条数字I/O线 (其中8条为10 MHz定时相关DIO线) 2路32位计数器/定时器, 针对PWM、编码器、频率、事件计数。同时可以预留一些模拟输入输出接口、数字输入输出接口供系统的扩展。 图3.2 PCI6251数据采集卡3.4励磁电流控制装置IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于变流系统如交流电机、变频器、开关电源、牵引传动等领域。如图3.3所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。图3.3 绝缘栅双极晶体管结构图IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 采用型号为BSM75GB120D，参数为2.0uF/630V。3.5传感器的选择3.5.1 传感器的选择原则10为保证测量精度，传感器规格的选用是至关重要的，所选用的传感器规格与被测值尽可能接近，使被测值尽可能在传感器的最佳测量范围。传感器选择时，首先要满足其功能要求；其次要保证其性能指标满足测量要求。传感器的性能指标主要包括：灵敏度系数：表示在稳定状态下工作时，输出变化与引起此变化的输入变化的比值。一般来说灵敏度系数越大，则允许的测量范围越窄。灵敏度阈值：也称为最小检测量，它是表征传感器能够检测被测量的最低极限量，它通常与传感器的噪声、灵敏度和电源的稳定度等因素有关。线性度：传感器的校准曲线（标定曲线）与其理论拟合直线（刻度直线）之间的偏差，称为线性度，也称为非线性误差。迟滞差：在传感器的输入量连续增加时所对应的输出量和输入量连续减少时对应的输出量不相重合的现象称为迟滞。输入增加到某一值时的输出量与输入减少到同一值时的输出量的差值，称为迟滞差，迟滞差与输入信号幅度变化的大小有关，即与输入值的大小有关。稳定性：是指在传感器的所有工作条件保持不变的情况下，在规定的时间内其输出保持不变的能力。3.5.2 速度传感器的选择目前国内的底盘测功机所采用车速信号传感器可分为光电式、磁电式、霍尔转速传感器。霍尔式测速传感器结构简单，测量元件由霍尔元件和永磁体构成。当铁磁材质的齿轮（或凹槽）依次经过霍尔元件表面时，霍尔电压产生变化，产生电压差，从而提供了一个测量脉冲信号。这个信号的频率与转速成正比。内置的电路还有电源处理和抗干扰功能，基本消除了外界因素（如：震动，电机磁场，外界杂散电磁场等）的干扰。此特点与电磁感应式传感器相比，有很大的优势。同时，输出信号强度与转速无关，始终保持最佳状态，弥补了电磁感应式传感器在低速下的缺点，大大扩展了测量范围，可以测量出非常低的转速。由于非常强的抗干扰能力，即使最低频率小于0.2Hz，此传感器仍然可以测量出来。因此本文采用霍尔效应式速度传感器进行车速的测量。型号为N1H-5C-70霍尔测速传感器。图3.4 N1H-5C-70霍尔测速传感器技术参数：频率范围：0.2Hz 20,000Hz 探测距离：0.23.5mm, 根据扫描物体的形状确定电压：直流1032V，标称值：直流24V 反向电压保护：内含 过电压：60V不超过2ms 电压降：下降100%大于10ms 无负荷时功率消耗：约 15mA（24 VDC）启动电流 信号输出类型：标准脉冲方波它是由测速齿盘和磁头组成。由导磁材料做成的齿盘安装在测功机的转子轴上，有P个齿：磁头安装在紧靠齿盘边缘约2mm处，齿盘每转过l转就发出P个幅值约为300mV的周期性正弦信号，本系统测速齿盘有120个齿，即P=120。 转速测量通常有测周法和测频法两种测量方法。其中，本设计采用测频法测量转速。 测频法其原理：测量一定采样时问t内测速齿盘发出的脉冲数，即测量测速齿盘发出脉冲的频率。设转轴每转l周，测速齿盘发出的脉冲数为P，在采样时间t秒内测速齿盘累计发出的脉冲数为n，则：测功机转鼓线速度为： （km/h） (3.2)3.5.3拉压传感器的选择测力装置用以测量测功机滚筒上的扭矩，经变换后可得出作用在驱动轮上的驱动力。测力装置的测力精确度主要取决于测力传感器的精确度和测力系统的精确度。该底盘测功机采用电测式的测力装置，所用测力式传感器的非线性、不重复性以及滞后性均为满量程时的 0.020.03，其精确度很高。测力装置主要由交流测功机外壳、力臂、传感器的信号采集、处理等器件组成。交流测功机外壳是藉轴承安装在轴承座上，外壳由此可在轴承座上绕转子转动，外壳上装有测力臂，测力传感器便装在臂端。该交流测功机采用的测力传感器是拉压传感器。交流测功机工作时，电流与其磁场的相互作用对转子形成制动力矩 M，其作用方向与串接于滚筒上的转子旋转方向相反，该力矩使车轮圆周上产生切向力，与此同时，外壳也受到一个与制动力矩大小相等，方向相反的力矩 M ，M 迫使外壳连同固置其上的力臂转动，力臂就对固定的传感器产生拉力或压力。拉压传感器受到此力后，产生应变，通过应变放大器，即可得到一定的输出电压，将力的信号转变成电信号后再经过标定，就可得到作用于传感器的压力或拉力值。本设计采用 MCLS 系列 S 式拉压力传感器。图3.5 MCLS 系列 S 式拉压力传感器主要技术指标：量程：100N非线性：0.03，0.1FS温漂：0.003，0.01 % FS/oC激励电压: 10V 或 12V（DC）工作温度: -2080oC过载能力: 150% FS主要特点：高精度、低漂移 、量程宽 、抗偏载能力强。3.6本章小结本章首先介绍了测试系统硬件设计的基本原则，并根据硬件设计的基本原则进行了硬件的总体设计同时详细介绍了其工作原理。在数据的采集和处理方面做了详细的论述。最后根据传感器的选择原则对速度传感器和拉压传感器做了型号的具体选择。第4章 底盘测功机阻力模拟节油车底盘测功机是应用现代电测和计算机技术，利用节油车在路面行驶中与道路的相对运动关系，节油车道路行驶工况(如：道路阻力状况、行驶惯性等)有效、等量转移到节油车底盘测功机上，即节油车整车道路试验项目等试验移至室内进行的专用试验设备。节油车在道路上行驶是节油车相对静止的路面运动，而节油车在底盘测功机上进行台架动力性试验是以转鼓表面取代路面，并且相对于静止的节油车作旋转运动。 底盘测功机行驶阻力的模拟如何实现、精度如何保证则是其技术关键。这必须从运动学、动力学入手加以分析。4.1设计所需使用的节油车参数的确定 在后面的设计中会用到一些重要的参数，这里先做准备。需使用时直接代入。4.1.1车轮转动惯量的测量设计中未给出车轮的转动惯量。并且由于车轮是由橡胶轮胎和车圈等不同材料组成，这样便不易进行计算。只有通过测量的方法获得而且实测数据较为精确。将车轮至于塔轮上，塔轮可以和车轮一同旋转，去细绳缠绕塔轮，另一端系适当质量的砝码，让砝码由静止状态做自由落体，这样便可带动车轮旋转。有公式计算出车轮的转动惯量。 mgr = 2hJ / rt2 （4.1）其中：r塔轮半径，单位m；t下落时间，单位s；h下落高度，单位m； m砝码质量，单位kg； g重力加速度，单位m/s2。通过多次试验取平均值，实测车轮转动惯量J=0.137（kgm2）。 4.1.2节油车车身迎风面积的计算 26cm38cm27cm53cm图4.1 节油车车身迎风截面积 如图所示，其面积为梯形面积和矩形面积之和，即 S = S1 + S2 （4.2）=0.20 + 0.104 =0.304m24.2 节油车在道路上的行驶阻力分析节油车行驶在路面上，其发动机曲轴输出扭矩，经传动系统传递给驱动轮，经过轮胎与地面的接触(摩擦力足够大时，视为无滑动的纯滚动运动)产生驱动。同时还收到各种阻力。当驱动力等于行驶阻力时，节油车作匀速运动；当驱动力不等于(大于或者小于)形式阻力时，节油车作变速(加速或减速)运动。4.2.1节油车的驱动力节油车的驱动力是由发动机曲轴输出扭矩，经离合器、变速传动系统(降速增扭作用)传递给驱动轮足够大的驱动扭矩，其对地面产生一圆周力(切向力)，地面由于附着作用给驱动轮一反作用力(当附着条件即路面接触强度足够大时，其与圆周力可视为大小相等、方向相反)即为推动节油车前迸的驱动力。 (4.3)式中：Ft摩托车的驱动力,单位N；F0驱动轮对地面产生的圆周力，单位NMt驱动轮上的驱动扭矩，单位Nm；r驱动轻工作半径，单位m；Me摩托车发动机曲轴输出扭矩，单位Nm；ig变速器传动比；i0二次传动比；传动变速系统总传动效率。4.2.2 节油车的行驶阻力9车辆在行驶阻时受到的各种阻力，统称为行驶阻力。1.滚动阻力车辆车轮弹性轮胎在路面上滚动时，来自路面与轮胎接触面之间的各种阻力，统称为滚动阻力。由于前、后轮的受力情况不同，故其滚动阻力则不同。在计算滚动阻力时，按整车的滚动阻力考虑。 Ff = fmg (4.4)式中：Ff整车的滚动阻力，单位N；m节油车整车基准质量(含驾驶员质量55Kg)，单位kg：g重力加速度，单位ms2；f整车滚动阻力系数；2.空气阻力节油车行驶时，在空气中运动受到空气的作用力，称为空气阻力。其主要由压力阻力(即形状阻力，迎面压力大于后部压力)和摩擦阻力(即表面阻力，在节油车与切向气流摩擦表面上产生)构成。据实验测定，空气阻力主要是压力阻力，即：/21.15 (4.5)式中：Fw空气阻力，单位N；CD空气阻力系数；A迎风面积，即节油车(含驾驶员)行驶方向的正投影面积，单位m2；u相对速度，单位m/s，无风时为节油车行驶速度。3.坡度阻力节油车沿纵向坡度上行驶时，受重力沿坡道分力的作用，称为坡度阻力。上坡时，坡度阻力与驱动力方向相反；下坡时，两者方向一致。Fi = mgsin (4.6)式中：Fi坡度阻力，单位N；纵向坡度角，单位。4.惯性阻力节油车变速行驶时，除克服上述阻力外，还需克服其本身质量变速运动的惯性力。其由两部分组成：平移质量惯性力和旋转质量惯性力。将其换算道车轮上的等效惯性阻力为：= (4.7) 式中：Fj变速行驶，换算到车轮上的总惯性阻力，单位N；质量换算系数：节油车加速度，单位ms2；4.2.3 节油车道路行驶方程的建立11据上述各力在x轴上的投影，可得到摩托车的道路变速行驶方程； (4.8)该式表明了节油车在坡道上变速行驶时的驱动力与行驶阻力的平衡关系，亦表明了节油车的动力性能。另外，由于坡道阻力、惯性阻力与车速无关(惯性阻力为加速度的函数)，且在一定条件下(即上坡或下坡、加速或减速)存在，且有正负值。而滚动阻力系数与行驶速度有关，所以滚动阻力、空气阻力均为车速的函数，即。从而(4.8)可表示为： + mgsin+ (4.9)A、B、C 为待定行驶阻力系数，可通过道路滑行试验获得。4.2.4 A、B、C 待定系数的确定方法下面简单介绍下 A、B、C 待定系数的确定方法。根据 GB/T12534-90 汽车道路试验要求的气象条件为：（1）试验时应是无雨无雾天气；（2）相对湿度小于 95；（3）气温 040；（4）风速不大于 3m/s。汽车道路试验要求的路面条件：各项试验性能应在清洁，干燥，平坦的，用沥青或混凝土铺装的直线道路上进行，道路长 23km，宽度不小于 8m，纵向坡度在 0.1以内。将汽车在平直的道路上加速到最高车速的 80左右（此速度要大于滑行的初始速度 Vc），然后开始脱挡滑行。在此期间驾驶员尽量不打方向盘，汽车保持直线行驶状态。试验时，汽车以车速+滑行至-，通过第五轮仪、数据采集控制器 F-5100 对速度和时间进行测量与记录。当较小时（ 5 km /h），可近似认为这一行驶过程是匀减速运动，则有下式成立：+=-+ （4.10）式中：Vi 试验车速，单位km/h；ai 车速由+降至-过程的减速度，单位m/s2；ti 车速由+降至-所经历的时间，单位s。则在这一滑行过程中，汽车所受的阻力为： （4.11）通过以上计算得到（V1，F1），（V2 ，F2）（Vi，Fi）（Vn，Fn）n个离散点，利用最小二乘拟合得到拟合曲线关系式：(x)= a0 + a1x + a2x2 （4.12）式中：a0、a1、a2即为所对应的待定阻力系数 A、B、C。4.3节油车在底盘测功机上的阻力分析节油车在底盘测功机上运行时，其所受阻力与在道路上运行时存在很大的区别。对于本文而言，当测功器不工作时，节油车在底盘测功机上运行时仅仅需要克服驱动轮与滚筒之间的滚动阻力、台架系统的机械摩擦阻力、滚筒等旋转部件产生的惯性力。用底盘测功机测试汽车性能和检测汽车技术状况，就必须能够模拟汽车在道路上行驶时所受到的各种阻力。汽车行驶时内部阻力是因为汽车传动系的损失而引起的，其值在道路上和测功机上都是一样的。节油车在底盘测功机上运转时，前轮被夹紧固定，仅驱动轮和滚筒做相对旋转运动，此时车辆相对滚筒是静止的，车速为零，所引起的外部阻力比在道路上行驶时少，在测功机上不存在节油车在道路上行驶时所受到的空气阻力、爬坡阻力、从动轮的滚动阻力以及部分加速阻力。这些外部阻力需要通过测功机加载装置模拟，以使车辆受力状况同在道路上行驶一样，从而保证在进行车辆动力性和燃油经济性试验时其结果的准确性。在测功器工作加载时，汽车在底盘测功机上运行时所需克服总的阻力为： （4.13）=+式中：FR底盘测功机模拟加载的力；Floss底盘测功机内部总的机械阻力；Ff1 汽车驱动轮与滚筒间的滚动阻力；FJ底盘测功机滚筒及轴系旋转部件产生的惯性力；Fj1驱动轮，发动机飞轮旋转部件转动惯量折算到车轮的惯性力；IR测功机滚筒等旋转部件的转动惯量。汽车驱动轮在滚筒上受到的滚动阻力Ff1和测功机自身内部的机械阻力是随着速度的变化而变化的，也近似表示成关于速度的一个二次函数式。即： = （4.14）A1、B1、C1为待定系数，可通过汽车在底盘测功机上的滑行试验获得。滑行试验方法与道路滑行试验测 A、B、C 的方法类似，这儿不再赘述。4.4底盘测功机电模拟模型的建立若要在底盘测功机上真实反应汽车道路行驶状况，则汽车在相同速度下，应该满足汽车在底盘测功机上总的行驶阻力与在道路上的行驶阻力相等，即： （4.15）将（4.14）代入（4.13），（4.9）代入上式整理可得： FR=+ mgsin （4.16） 对于不同的车型，通过滑行试验测得的系数 A、B、C，A1、B1、C 1是确定的。令a = A-A1，b = B-B1，c = C-C1。并将多种车型对应的系数 a、b、c存储到计算机中，以便对汽车进行检测时直接调用。如果设 M1是汽车非驱动轮折算得到的旋转产生的等效平动质量，Mm是滚筒旋转时折算得到的等效平动质量，则有：FR=+ mgsin （4.17） 式（4.17）为底盘测功机电模拟力的函数关系式，为电模拟实时生成汽车行驶阻力提供理论依据。 由式（4.17）看出，对某一在底盘测功机上运行的汽车来说，测功机的电模拟加载力FR与汽车的速度u和汽车的加速度有密切关系，通过测得汽车的速度和加速度，然后通过函数发生器进行电模拟力求和运算。由此可得到一个时变电模拟阻力，使底盘测功上所施加的力等于在道路上行驶时所要求的力即可，其计算简图如下所示。11电模拟力计算加速度计算车速传感器与速度有关的力值计算与加速度有关力值计算坡度设定坡度阻力计算车速信号加速度坡度 图4.2 电模拟阻力运算简图4.5本章小结本章通过分析汽车道路运行时的受力情况，以及汽车在底盘测功机上运行时的受力情况。建立了交流底盘测功机的电模拟数学模型，为进一步的模拟控制提供理论依据。第5章HLJITD60底盘测功机系统软件设计测控系统软件设计同时考虑软件设计理论和具体用户的需求，只考虑软件设计理论和设计原则而不考虑用户的具体需求会造成软件产品的易用性不强，严重时会导致项目失败；而只注重用户需求而忽略软件设计理论在软件设计过程中的作用，则导致软件具体实施过程中的诸多不便，同时实施进程也会受到影响，所得的产品也不能很好的满足设计的需求。好的软件会充分考虑这两方面因素，实现理论与实际需求的统一。本设计在软件结构的设计过程中，充分考虑了传统的软件设计理论与设计具体需求的最大程度的结合与统一，考虑到软件易开发性和严谨性，也同时考虑到成本控制的要求，采用开发周期短、设计简单、界面友好的开发软件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)软件。5.1虚拟仪器概述1986年，美国国家仪器公司NI(National Instruments)提出“软件即是仪器”的虚拟仪器(VI-rtual Instrument)概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革。使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相碍益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，并且虚拟仪器在完成复杂环境下的自动化测试中，是传统仪器不可取代的。在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。5.2 Labview软件介绍LabVlEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其宜观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW采用图形化编程语言G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来随，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。像C或C+等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具如设置断点、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点；其它计算机语言都是采用基于文本的语苦产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言。LabVlEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器：LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。总之，由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。5.3软件总体设计测控软件采用美国NI公司的LabVIEW软件进行编程。测控系统总体软件主要由数据采集模块、数据处理模块、常规PID控制模块、PWM输出模块构成。在完成测控系统功能要求的同时，各模块之间力争在保持模块间耦合性弱的前提下，尽可能减少破坏单个模块的内聚，尽量做到最大化程度的高内聚低耦合，从而增强各模块的可移植性。图5.1 软件主界面图5.4数据采集模块设计数据采集是LabVIEW的核心技术之一，也是LabVIEW与其他编程语言相比的优势所在。使用LabVIEW的DAQmx，可以编写出强大的DAQ应用软件。模拟信号数据采集是LabVIEW的DAQmx中一个主要功能，为用户提供了功能强大，但方便快捷的信号采集解决方案5.4.1模拟量输入NI PCI6251是一块多通道数据采集卡，拥有32路单端模拟量输入，但并非每个通道配置一个ADC(数模转换器)，而是各通道共用一个ADC。当对多个通道进行采样时，数据采集卡将对所有用到的通道进行采样，当采样通道切换时，多路开关要在通道间进行切换，产生了不同通道采样时刻的延迟(简称通道延迟)，不能进行高速率数据采集。本设计采用间隔采样方式，采样频率(scan rate)由专门的扫描时钟(scandock)来控制，而通道切换的时间间隔则由一个专门的通道时钟(channel clock)来控制。通道时钟速率远远高于扫描时钟，通道间的间隔由采集卡的最高采样速率从来决定，很好的实现信号的同步性。拉压传感器信号采集程序如图5.2所示。图5.2 拉压传感器信号采集原程序图5.4.2数字量输入 速度传感器的信号采集的输入形式为数字输入，较力的采集相比，数字输入无需进行模数转换，数字量可直接进行相关计算。速度信号采集程序如图5.3所示。 图5.3 速度信号采集原程序图5.5数据处理模块设计 由速度采集模块采集到的信号经过转换为节油车的行驶速度值，输入到数据处理模块。在数据处理模块中经过一系列计算得到计算后的阻力值（其中不包括惯性阻力，其惯性阻力由飞轮组模拟）。其源程序图如图5.4所示。 图5.4 数据处理模块原程序图5.6 PID控制模块设计PID控制器最早出现于20世纪30年代末，是现今应用最为广泛的一种自动调节器，它具有原理简单、易于实现、应用范围广等优点。PID作为一种最基本、最常用的控制方式在控制领域内经久不衰，是因为其控制算法内包含一些深刻本质的东西。模拟PID控制基本的原理框图如图5.5所示3 。图5.5 常规PID控制原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据设定值r（t）和实际输出值y(t)之差构成控制偏差：e(t) = r(t)- y(t) (5.1)将偏差进行比例(P-proportion)、积分(I-integral)、微分(D-differential)作用后，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为： (5.2)式中：KP比例系数;Tl积分时间常数；TD微分时间常数；PID控制器各个校正环节的作用如下：比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号喇，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于分时间常数TI，TI越大积分作用越弱，反之则越强。微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由于微型计算机的飞速发展，计算机已被广泛引入控制系统，而微机是以数字方式传递和处理信息的，因而在这样的控制系统中有一部分信号不是时间t的连续函数，而是一组离散的脉冲序列或数字序列，这样的系统称之为离散控制系统。在离散控制系统中广泛使用的是数字PID控制算法。当控制系统中的执行器为励磁线圈、步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。其控制算法的递推形式为：u(k)= u(k-1)+u(k) （5.3） 增量型PID控制流程图如图5.6所示。 开始设定KP、T1、TD初始化e（k-1）=e（k-2）=0采样时间到？采样y(k)数据滤波处理e(k)=r(k)-c(k)数据滤波处理数据滤波处理结束？结束E（k-1）e(k-2)e(k) e(k-1)NONOYESYES 图5.6增量数字PID算法流程图与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：1位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差，而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。2为实现手动一自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始值Uo，若采用增量型算法，其输出对应于原始值的变化部分，即算式中不出现Uo项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。3采用增量型算法时所用的控制器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，控制器仍能保持在原位，不会对现场造成恶劣影响。 PID控制程序图如图5.7所示。 图5.7 PID控制模块程序图5.7 PWM输出模块设计系统的控制信号由计算机输出数字量，通过多功能数据采集卡的A0端转换成模拟量输出模拟量输出与模拟量输入类似，也要实现连续输出，但本设计中由于只有一路模拟量输出，因此采用单点连续输出就能很好的解决问题。原程序如图5.8所示。图5.8 PWM输出模块程序图5.8系统标定5.8.1误差分析由于检测系统本身的误差、检测原理和方法的不完善、测量环境的限制或其它因素的影响，我们无法获得被测量的真实值。测量实践证明，即使在相同的条件下对同一被测量进行多次重复测量，各次的测得值也不完全相同，测量误差的来源是多方面的，包括测量仪器误差、基准误差、方法误差、环境误差、人为误差等。测量时应找出这些因素，并采取相应的措施，设法减小或消除它们对测量结果的影响，以保证测量精度。误差按其规律可分为系统误差、随机误差和过失误差。1.系统误差当对同一物理量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律出现，则把这种误差称为系统误差。系统误差包括仪器误差、环境误差、读数误差及由于调整不良、违反操作规程所引起的误差等。本检测系统系统误差主要包括传感器误差和信号调理转换误差等。（1）传感器误差传感器本身并不是绝对线性的，线性度是用实测的检测系统输入与输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的。传感器受环境变化影响，长时间还会产生零点温漂和满量程温漂等。这些都会对测量系统的总体产生误差。所以本设计对传感器进行了标定工作。（2）A/D 转换误差在进行 A/D 转换时，由于 A/D 转换器的有限分辨率会引起量化误差。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列倍数比较，用最接近采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。2.随机误差当对某一物理量进行多次重复测量时，就会出现随机误差。其特点是它的出现带有偶然性，即它的数值大小和符号都不固定，但是服从统计规律，通常呈正态分布。引起随机误差的原因是一些微小因素，且无法控制。对于随机误差，不能用简单的修正值来校正，只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性大小。3.过失误差过失误差是由于测量者在测量时的疏忽大意造成的。例如，仪表指示值被读错、记错，仪表操作错误、计算错误等。过失误差的数值一般都比较大，没有规律性。对于本测试系统，由于采用自动测量而不存在人为的不正确测量，可以认为本系统不存在该类型的误差11 。5.8.2 系统标定系统标定是确保系统精度的关键。标定的方法是对确定量进行测量，通过各种调节手段，达到显示值与实际值之间的偏差符合精度要求的目的。1.速度传感器的标定标定工具；数字光学转速仪 1 只，精度 0.5 级。标定方法：选取标定点，车速为 V，按式（5.4）换算标定点标准速度 Vi，Vi =60niD10-6 (km/h) （5.4）式中：ni标定点滚筒转速，单位r/min；D 滚筒直径，单位mm。在滚筒上做一明显标记（白色），带动滚筒旋转。利用恒转速控制方式，设定速度标定点。当速度达到标定点并稳定时，利用光学转速仪，重复测定三次取其平均值 n，代入式（5.4）中得到标定点标准速度，然后按式（5.5）计算速度的示值误差。 = （5.5）式中：v速度示值误差；V 显示窗显示数值，单位km/h；Vi标定点标准速度值，单位km/h。2.拉压传感器的标定标定工具:力自校器、三角架、力传感器、丝杠、标定杠杆标定方法：安放好力自校器的三角架，在标定杠杆的一端通过钢丝绳连接力传感器和力自校器。然后进行拉力加载，到达一定数值时进行减载。将自校器的显示值Fk和测功机仪表显示值 F记入表格中。驱动力的示值误差按式(5.6)计算： = （5.6）5.9本章小结本章重点介绍了测控系统软件设计，先提出软件的总体框架，分别从数据处理模块、数据采集模块和PID控制模块等对软件设计方案进行介绍，软件设计界面美观，对话性强。本章最后对误差产生的原因进行了分析。根据相关规定底盘测功机上的速度传感器和拉压传感器需要进行相关标定。文章对系统中采用的速度传感器和拉压传感器进行了标定工作。结论交流电力测功机及其控制系统属于多学科交叉领域，涉及到机械、电机、电力电子、计算机和自动控制等领域的理论和知识，将先进的测试技术和控制理论运用于电力测功机控制系统，以提高发动机测试技术水平是测功系统研究的方向。本设计从对汽车底盘测功机的原理、试验台的结构，到整个测试系统的主要执行硬件、数据分析处理及软件设计方面都做了相关的阐述。主要的工作内容可归纳如下：1.对底盘测功机的原理和结构做了分析。对常用的几种加载器做了对比分析，并选定利用交流测功机来对车辆行驶阻力进行模拟。分析车辆在道路上运行时所受的各种阻力，并给出车辆道路行驶阻力方程。然后分析了汽车在底盘测功机上运行时所受阻力的情况，给出测功机上节能车所受阻力方程。通过与道路行驶阻力方程的比较，从而建立了交流测功机电模拟的数学模型。2.提出总体技术要求，包括底盘测功机的控制要求。对底盘测功机的机械系统结构进行了总体设计，包括试验台架、转鼓机构、升速器、飞轮系统及其他辅助装置。3对交流电力测功机的原理进行了分析。控制技术的迅速发展，更进一步促进了交流电机的应用和推广。采用目前具有能控制直接转矩的IGBT，利用计算机控制IGBT，可满足测功机的转矩控制以及道路模拟方式。文章介绍了直接转矩控制的原理，并就IGBT和计算机之间的通信做了相应介绍。4对系统采用的传感器做出合理选型之后，进而对数据的采集和处理进行了分析。采用合理的数据采集卡将数据输入计算机。采用传统PID控制对系统进行闭环控制。5.利用虚拟仪器开发软件LabVIEW开发汽车动力性测试系统。设计了基于LabVIEW的人机交互上位机程序，根据交流异步电力测功机系统的控制要求，设计了主程序流程图；根据LabVIEW软件编写的特点，对上位机程序分模块进行阐述。本设计目前略显粗糙，可以确定会有许多有待于改进的地方。当前设计工作在如下几个方面需要改进与发展：1.本设计有待于实物完成后，才能最终证明是否成功。其次，在控制策略上还有待于一定的改进，希望可以进一步提高控制的精度。2.系统的控制算法采用的传统的PID算法，在控制策略上面，可以考虑在闭环控制的时候加入模糊控制的理论，在试验的基础上根据实验的数据利用模糊理论建立隶属函数，进行最优化处理，以进一步提高控制系统的控制精度和稳定性。同时从自动控制的角度以及控制的精度上来说，可以将惯性模拟装置飞轮组也采用电模拟，这样可以使整个控制系统的精度提高。3.系统的仿真模型方面还需要进一步的完善，系统模型采用的是平均值模型，模型中很多给定的参数是参考同种类别的参数，以后要通过试验进行修正。由于机械检测装置自身结构和安装等方面固有的缺陷，导致系统结构的复杂化和成本增加，而且本设计转速、转矩是两个难以精确检测、控制的重要物理量。因此，利用便于检测的非机械量(如测功电机的电流、电压等)进行电力测功机系统转速、转矩的检测与控制具有很大的研究意义和实际价值，这将使交流电力测功机具有其他任何类型的测功机无法比拟的优点，它代表交流测功机控制系统研究的另一个新的方向。参考文献1吴正东.基于Labview的摩托车底盘测功机测控系统的研发D.重庆:重庆大学，2007.2胡博.基于CAN总线的汽车底盘测功机测控系统研究D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2008. 3孔国初.基于CAN总线的电模拟摩托车底盘测功机的研究D.华中科技大学,2005.4徐志敏，刘美生,卿燕萍.汽车底盘测功机的原理及检测J.中国测试技术,2004,30(3).5刘伟.电动汽车底盘测功机的开发与研究D.武汉:武汉理工大学,2005.6桂旭阳.基于CAN总线的摩托车底盘测功机的设计D.浙江:浙江大学,2004.7赵杰.交流异步电力测功机系统的设计与建模D.湖南:湖南大学,2009.8程乃士.减速器和变速器设计与选用手册M.北京:机械工业出版社,2007.9余志生.汽车理论(第五版)M.北京:机械工业出版社,2009.10贾民平,张洪亭.测试技术(第二版)M. 北京: 高等教育出版社,2009.11吴震.汽车交流底盘测功机测试系统研究D.吉林:吉林大学,2007.12安相壁.汽车试验工程M.北京:国防工业出版社, 2006.13金庭鑫,王志伟，王坤，李伟，胡新.车辆在底盘测功机上驱动功率的数据分析J.重庆工学院学报（自然科学版）,2007，21(12):28-32.14肖文.底盘测功机的工作原理及使用维护J.汽车维修，2002, 7：45-46.15付百学.汽车实验技术M.北京:北京理工大学出版社,2007.16李晓波，刘立伟, 李貌 48寸交流驱动底盘测功机的研究开发G.2008中国汽车工程学会年会论文集,2008: 514-512. 17王培玲，李萍. DPC-1型摩托车底盘测功机的研制J.机械设计,2007,24(5).18汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(试验篇)M.北京:人民交通出版社,2001.19GOBY M，MASTINU G，PENNATI MIndoor testing of road vehicle suspensionsJ.Meccanica，2008，(2)：3546致 谢能够按要求完成我的毕业设计首先要感谢崔宏耀老师的悉心指导。在完成设计的过程中，崔老师不仅在学习上给予我很大的帮助，而且在思想和生活中，崔老师都给予我关心和帮助。为了更好的完成本设计，崔老师一直为我们耐心指导。崔老师的崇高敬业精神、严谨求实的治学态度、渊博的专业知识以及丰富的实践经验使我受益匪浅，对我今后的学习生涯有极大的指导意义。学生驽钝，但得遇名师，经过老师不厌其烦，悉心教诲，使我在这半年中学到很多，借此，特地向崔宏耀老师致以深挚的谢意。同时要感谢其他在我的设计当中给予帮助的老师和同学们。还要感谢的是系领导，为我们提供很多学习的条件。最后向所有关心、帮助过我的老师、同学致以诚挚的谢意！附 录附录A 外文资料翻译Study on the testing system of the auto AC chassisDynamometerWith the incessant progress of the science and technology, the automobileindustry of developes rapidly. The structure of automobile becomes perfect and the performance gets enhanced. On the one hand, the higher demand of automobile performance accelerates the coalescent between traditional automobile technique and modern electron technology,and the automobile technical indexes have been enhanced greatly.On the other hand it accelerates the development of integrated automobile detection technique, and speeds up the research and renovation of the automobile testing equipments.There are two methods for automobile performance test. One is the outdoor road test, the other one is the indoor frame test. The weather,condition of the road and the driving skills have great influence on the road test. However these factors have little influence on the results of indoor frame test. So the indoor frame test gets popular in the automobile test. Automobile chassis dynamometer plays an important role in the automobile detection and diagnosis. Dynamic performance test can been done on the auto chassis dynamometer test bed. With the help of fuel consumption instrument and automotive flue exhaust analyzer, fuel economy test and the analysis of exhaust gas can been done easily. The domestic auto chassis dynamometers get behind that of the developed country. The domestic chassis dynamometers are mainly eddy current dynamometer and hydraulic dynamometer. Generally these dynamometers are equipped with flywheels to simulate the accelerate resistance.By control of the electromagnetic clutch,assemble the required flywheels according to the weight of the car.But the limited flywheels cant realize the continuous simulation of the inertia.They cant satisfy the testing demand of the various cars nowadays.And the test precision needs being improved.Thus this thesis puts forward a new method with the help of an AC electric dynamometer.The principle of AC electric dynamometer is similar as the asynchronous electromotor.With the rapid development of frequency converter,the AC electric dynamometer becomes more popular and easy to be controlled.The paper includes these main points as follows.1. Simply introduce the principle and structure of the automobile chassis dynamometer.Adopts the anti-swing device for the driving wheel, and solves the swing of front-wheel drive cars. In order to recur the road resistance of the automobile,analyse the resistances of the car driving on the road and on the chassis dynamometer,draw a resistance equation separately about the car.Then make contrast of the two equations,find their difference and put forward the electric simulation model.It provides the theore