罗克韦尔自动化ACD系列交流底盘测功机的电控系统
日期：2007-2-8 18:15:35 来源：本站整理
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底盘测功机是汽车、摩托车行业重要的试验设备。以前一直要从国外全套进口。我所从2000年开始进行研制，经过几年的努力，现已形成多种规格的ACD系列交流底盘测功机商品，推向市场后受到用户的欢迎和好评。这里介绍我们开发的，以1336变频器、SLC500系列PLC、DeviceNet总线为主要部件的交流底盘测功机电控系统，以期得到同行的指正。
一 底盘测功机的基本原理
底盘测功机的基本结构请参看图1。试验摩托车的后轮放在一个大转鼓上，用转鼓的表面代替路面，相对于车辆作旋转运动。转鼓轴端与测功机同轴相联，构成测功机—转鼓机组。试验时测功机给转鼓施加阻转矩来模拟车辆在道路行驶时的阻力。摩托车前轮用“前轮夹持器”夹住，保证车辆前后不能移动左右不会倾倒。试验车辆的正前方安放一个风机，用于冷却车辆。冷却风机的出口风速要求严格跟踪车速（转鼓表面线速度），其电控也是整个系统的一部分，通常由底盘测功机生产厂商配套提供。
试验时车辆后轮带动转鼓-测功机旋转。测功机提供阻转矩，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、温度、压力、油耗等项目的测量环节，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，这样就可以在底盘测功机上进行车辆的性能试验了。例如加速性能、最高车速、燃油消耗、工况排放（要另配排气分析仪）等项目试验。与室外道路试验相比，在底盘测功机上进行车辆试验具有安全、高效和重复性好的优点。
汽车用底盘测功机原理相同，也是驱动轮放在转鼓上进行试验。只是转鼓宽，测功机功率大一些。
用于加载的测功机是最重要的部件。测功机（包括其控制系统）的形式、性能、精度直接决定了整套设备的性能和精度。可供利用的测功机主要有3种：电涡流测功机、直流测功机和交流测功机。从1960年代到1990年代直流测功机是电力测功机的主流。1990年代中期以后随着变频器技术的成熟与进步，交流测功机逐步取代直流测功机发展成为电力测功机的主流。
二 变频器的选型
底盘测功机是一种试验设备，要求的转速、转矩控制精度比一般生产设备高得多，因此其电控系统对变频器的要求也比一般的生产设备严格得多，主要体现在：
1四象限运行 测功机既能提供驱动转矩（电动运行）又能提供阻转矩（发电运行），而且绝大部分时间运行在发电状态。测功机发出的电通过变频器回馈电网。
2 高精度转速/转矩控制 底盘测功机通常有三种运行模式：
2.1 ASR(Auto Speed Regulate ) 转速自动控制。调速范围＞200:1，精度优于0.1%。
2.2 ATR(Auto Torque Regulate ) 转矩自动控制。转矩调整范围＞500:1 精度 0.5%
2.3 ALR(Auto Load Regulate ) 自动道路负荷控制。每一车辆的行驶阻力是车辆惯性质量、行驶速度、加速度、爬坡坡度角等变量的函数。测功机要按照设定的函数关系实时控制测功机的阻转矩，使车辆在底盘测功机上试验与在道路行驶试验效果一样。
我们分析怎样用变频器来实现上面3种运行模式：
ASR模式，对于工程型变频器，只要加上编码器反馈形成转速闭环控制，很容易满足要求。
ATR模式，精度要求太高，现有的各种变频器，无论是矢量控制、直接转矩控制（DTC）还是磁场定向技术（Force），用直接控制转矩的方法都达不到0.5%的精度。各变频器厂商给出的转矩控制精度指标大体是：有编码器反馈2%，无编码器反馈5%。这样精度对于大部分生产机械或许够了，对于测功机还不行。要满足测功机的转矩控制精度要求，必须使用转矩闭环控制。
ALR模式是ATR的扩展，要另外用一个称作“道路阻力设定器”的单元来完成速度的实时测量和行驶阻力的计算，算出的结果作为转矩指令下达给变频器，变频器控制测功机的转矩输出。
3 上述3种模式能在动态运行中平稳切换。
4 电磁干扰要小。底盘测功机电控系统里至少要有2台变频器，而且要向电网回馈电能。极易对周围的电器造成干扰。实验室周围往往有许多其他仪器、试验设备。因此变频器的电磁兼容性一定要好。
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一 底盘测功机的基本原理
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底盘测功机的基本结构请参看图1。试验摩托车的后轮放在一个大转鼓上，用转鼓的表面代替路面，相对于车辆作旋转运动。转鼓轴端与测功机同轴相联，构成测功机—转鼓机组。试验时测功机给转鼓施加阻转矩来模拟车辆在道路行驶时的阻力。摩托车前轮用“前轮夹持器”夹住，保证车辆前后不能移动左右不会倾倒。试验车辆的正前方安放一个风机，用于冷却车辆。冷却风机的出口风速要求严格跟踪车速（转鼓表面线速度），其电控也是整个系统的一部分，通常由底盘测功机生产厂商配套提供。
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试验时车辆后轮带动转鼓-测功机旋转。测功机提供阻转矩，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、温度、压力、油耗等项目的测量环节，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，这样就可以在底盘测功机上进行车辆的性能试验了。例如加速性能、最高车速、燃油消耗、工况排放（要另配排气分析仪）等项目试验。与室外道路试验相比，在底盘测功机上进行车辆试验具有安全、高效和重复性好的优点。
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汽车用底盘测功机原理相同，也是驱动轮放在转鼓上进行试验。只是转鼓宽，测功机功率大一些。
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用于加载的测功机是最重要的部件。测功机（包括其控制系统）的形式、性能、精度直接决定了整套设备的性能和精度。可供利用的测功机主要有3种：电涡流测功机、直流测功机和交流测功机。从1960年代到1990年代直流测功机是电力测功机的主流。1990年代中期以后随着变频器技术的成熟与进步，交流测功机逐步取代直流测功机发展成为电力测功机的主流。
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二 变频器的选型
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底盘测功机是一种试验设备，要求的转速、转矩控制精度比一般生产设备高得多，因此其电控系统对变频器的要求也比一般的生产设备严格得多，主要体现在：
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1四象限运行 测功机既能提供驱动转矩（电动运行）又能提供阻转矩（发电运行），而且绝大部分时间运行在发电状态。测功机发出的电通过变频器回馈电网。
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2 高精度转速/转矩控制 底盘测功机通常有三种运行模式：
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2.2 ATR(Auto Torque Regulate ) 转矩自动控制。转矩调整范围＞500:1 精度 0.5%
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2.3 ALR(Auto Load Regulate ) 自动道路负荷控制。每一车辆的行驶阻力是车辆惯性质量、行驶速度、加速度、爬坡坡度角等变量的函数。测功机要按照设定的函数关系实时控制测功机的阻转矩，使车辆在底盘测功机上试验与在道路行驶试验效果一样。
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我们分析怎样用变频器来实现上面3种运行模式：
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ASR模式，对于工程型变频器，只要加上编码器反馈形成转速闭环控制，很容易满足要求。
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ATR模式，精度要求太高，现有的各种变频器，无论是矢量控制、直接转矩控制（DTC）还是磁场定向技术（Force），用直接控制转矩的方法都达不到0.5%的精度。各变频器厂商给出的转矩控制精度指标大体是：有编码器反馈2%，无编码器反馈5%。这样精度对于大部分生产机械或许够了，对于测功机还不行。要满足测功机的转矩控制精度要求，必须使用转矩闭环控制。
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ALR模式是ATR的扩展，要另外用一个称作“道路阻力设定器”的单元来完成速度的实时测量和行驶阻力的计算，算出的结果作为转矩指令下达给变频器，变频器控制测功机的转矩输出。
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3 上述3种模式能在动态运行中平稳切换。
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4 电磁干扰要小。底盘测功机电控系统里至少要有2台变频器，而且要向电网回馈电能。极易对周围的电器造成干扰。实验室周围往往有许多其他仪器、试验设备。因此变频器的电磁兼容性一定要好。
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