交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模

湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模姓名：趙杰申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：張桂香20090420碩上學(xué)位論文摘 要隨著摩托車應(yīng)用的日益廣泛，人們對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放等性能要求日趨嚴(yán)格，而摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)是其生產(chǎn)、維修和研究中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)的主要設(shè)備，是其它測(cè)試設(shè)備的基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)闡述了基于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的交流異步電力測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)的仿真和研究。本文先介紹了基于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理，分析了測(cè)功原理及系統(tǒng)各主要轉(zhuǎn)矩量之間的關(guān)系，討論了測(cè)功機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件，為測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的建立奠定了理論基礎(chǔ)；然后從以下幾方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行闡述：在硬件設(shè)計(jì)方面，本文介紹了基于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡述了雙CPU系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)和人機(jī)交互子系統(tǒng)，分析了雙口RAM的工作原理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于模擬電路的油門控制器控制電路，并對(duì)調(diào)試過(guò)程進(jìn)行了分析。在軟件設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的人機(jī)交互上位機(jī)程序，根據(jù)交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)了主程序流程圖；根據(jù)LabVIEW軟件編寫(xiě)的特點(diǎn)，對(duì)上位機(jī)程序分模塊進(jìn)行闡述。通過(guò)串口通訊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用報(bào)表的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和圖表顯示。在仿真方面，對(duì)測(cè)功機(jī)各個(gè)模型進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上建立了測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用Simulink建立了測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，采用傳統(tǒng)PID、單神經(jīng)元PID、改良的單神經(jīng)元PID算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到仿真曲線。將仿真結(jié)果進(jìn)行比較和分析，選擇適合于本系統(tǒng)的控制算法，通過(guò)仿真曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析比較驗(yàn)證仿真模型的正確性。本文詳略分明，對(duì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合的闡述。最終試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)仿真模型的正確性和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的要求。關(guān)鍵詞：油f-1控制器；發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試；交流電力測(cè)功機(jī)：速度特性；負(fù)荷特性：雙CPU；單神經(jīng)元PID交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xué)位論文geywords：throttle controller；engine testing；AC Power Dynamometer；speed characteristics；load characteristics；Dual CPU；single neuron PIDIV碩上學(xué)位論文附表索引表61變頻調(diào)速電機(jī)仿真電氣參數(shù)48表62錢江125發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)52X湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。儲(chǔ)始易襲、 -一 吼。7年歲月昭日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密口，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。2、不保密口。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”)作者簽導(dǎo)師簽日期：日期： 倦傍月月一r卜年年叩7碩士學(xué)位論文第1章 緒 論11本文背景和國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的發(fā)展與現(xiàn)狀隨著人們經(jīng)濟(jì)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(shí)也促進(jìn)了中國(guó)摩托車行業(yè)的迅速發(fā)展。1993年我國(guó)的摩托車產(chǎn)量已達(dá)至EJ3341萬(wàn)輛，超過(guò)日本當(dāng)年產(chǎn)量，首次產(chǎn)量位居世界第一【l】；1995年產(chǎn)量為7866萬(wàn)輛，超過(guò)日本歷史的最高水平；1996年我國(guó)的摩托車產(chǎn)量突破1000萬(wàn)輛大關(guān)。但與此同時(shí)摩托車排放的廢氣污染物對(duì)環(huán)境的污染也越來(lái)越被政府和人們所重視，世界各國(guó)對(duì)摩托車廢氣排放限制也越來(lái)越嚴(yán)格。為適應(yīng)摩托車產(chǎn)品廢氣排放在新形勢(shì)和未來(lái)形勢(shì)條件下的要求，改進(jìn)和完善各種排放是法規(guī)驗(yàn)證需要的試驗(yàn)手段。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)、維修和研究中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，許多重要的性能參數(shù)都是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的方法獲取，利用測(cè)得的性能數(shù)據(jù)，繪制出各種特性曲線，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與調(diào)整方向進(jìn)行詳細(xì)地了解，從而對(duì)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義【2】。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)的主要設(shè)備，是其它測(cè)試設(shè)備的基礎(chǔ)。它主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、扭矩測(cè)試和各種性能試驗(yàn)，也可以用于其它原動(dòng)機(jī)和電機(jī)、齒輪箱、油泵油嘴調(diào)速器等零部件的性能試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)。因此廣泛應(yīng)用于企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大專院校實(shí)驗(yàn)室。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架大多采用水力測(cè)功機(jī)作為耗能裝置，其負(fù)荷的調(diào)整完全靠手動(dòng)調(diào)節(jié)完成；轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是借助于加載磅錘的偏轉(zhuǎn)所形成的力矩，由偏轉(zhuǎn)的指針在表盤上對(duì)應(yīng)的讀數(shù)來(lái)反映轉(zhuǎn)矩的大小，用這種完全手動(dòng)的操作方式形成穩(wěn)定工況需要很長(zhǎng)的時(shí)間，且操作和數(shù)據(jù)記錄很不方便，需要人手也較多。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試參數(shù)都是采用人工記錄，并由人工進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由人工整理成數(shù)據(jù)表格，然后進(jìn)行試驗(yàn)曲線繪制。這樣的測(cè)試手段必然導(dǎo)致試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，人工環(huán)節(jié)較多而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理誤差較大等缺點(diǎn)，很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試和研究的要求13J。90年代，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，產(chǎn)品綜合技術(shù)水平有了很大提高。一方面發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開(kāi)發(fā)對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求；反過(guò)來(lái)，測(cè)試水平的提高又為研制開(kāi)發(fā)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)提供了可靠的技術(shù)保證。因此，許多國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)廠商和研究機(jī)構(gòu)都非常重視發(fā)展和完善各種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)。近年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)與現(xiàn)代動(dòng)力工程技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)，產(chǎn)生了飛速發(fā)展。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的推廣與應(yīng)用，以前采交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模用人工采集處理測(cè)試數(shù)據(jù)、手工繪制曲線和人工操作控制發(fā)動(dòng)機(jī)及能耗裝置等測(cè)試技術(shù)手段正被計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)所代替，測(cè)量和控制精度、可靠性、穩(wěn)定性和靈活性都有了很大提高。從早期利用測(cè)功機(jī)進(jìn)行手動(dòng)的單一項(xiàng)目的測(cè)試，到目前完善的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架在不斷地應(yīng)用科技發(fā)展的新成果?，F(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架集數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、人工智能、電子技術(shù)等各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一體，其解決的主要問(wèn)題是：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制；(2)測(cè)功機(jī)阻力矩的實(shí)時(shí)控制；(3)測(cè)控參數(shù)的高速采集；(4)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析及圖形處理等。日本淵野公司ESF100型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)集成控制，能夠?qū)Ω鞣N測(cè)試參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、特性曲線繪制等功能；同時(shí)，采用MC技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)使用高速交換以太網(wǎng)構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)信息總成，通過(guò)數(shù)據(jù)分布處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與集中處理，并能完成數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)建立與管理，使系統(tǒng)可擴(kuò)展性與升級(jí)能力得到了很大程度的提高【4j。在國(guó)外，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備的主要生產(chǎn)廠家有：日本小野測(cè)器，奧地利AVL，策爾納等。目前國(guó)際上應(yīng)用廣泛的是奧地利AVL公司的產(chǎn)品【551。AVL的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備種類齊全，適用范圍廣，測(cè)試精度高，技術(shù)先進(jìn)，是國(guó)外內(nèi)燃機(jī)測(cè)試行業(yè)的首選設(shè)備。但是它也毫不例外的具有進(jìn)口設(shè)備的通病：價(jià)格昂貴，因此目前在國(guó)內(nèi)使用較少15J。12國(guó)內(nèi)外測(cè)功機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀測(cè)功機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的重要設(shè)備，作為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中的能耗裝置，它不僅用來(lái)吸收被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功，而且通過(guò)控制測(cè)功機(jī)可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，形成所需的測(cè)試工況，以測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的各種運(yùn)行狀態(tài)下的性能指標(biāo)。因此，測(cè)功機(jī)檢測(cè)和控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架常用的測(cè)功機(jī)可分為水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、直流電力測(cè)功機(jī)和交流電力測(cè)功機(jī)等。121水力測(cè)功機(jī)水力測(cè)功機(jī)因其單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的扭矩吸收能力強(qiáng)，長(zhǎng)期以來(lái)成為大功率內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)優(yōu)先采用的設(shè)備。目前主要有定充量水力測(cè)功機(jī)和變充量水力測(cè)功機(jī)。定充量水力測(cè)功機(jī)的吸收腔內(nèi)始終充滿具有一定壓力的水，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)的閘套開(kāi)合位置(即調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的工作面積)來(lái)改變測(cè)功扭矩大小，這類測(cè)功機(jī)穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。變充量水力測(cè)功機(jī)又稱水渦流測(cè)功機(jī)。它是通過(guò)進(jìn)、出水閥來(lái)調(diào)節(jié)水力測(cè)功機(jī)吸功腔內(nèi)水量的多少，以達(dá)到改變其制動(dòng)扭矩大小的目碩士學(xué)位論文的。變充量水力測(cè)功機(jī)工作時(shí)水壓高，噪聲大，而且在轉(zhuǎn)速高、制動(dòng)扭矩小的區(qū)段幾乎不能穩(wěn)定工作。目前，主要采取如下措施解決其工作不穩(wěn)定的問(wèn)題：采用閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門或風(fēng)門來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；采用閉環(huán)控制測(cè)功機(jī)水門來(lái)控制測(cè)功機(jī)的制動(dòng)扭矩；采用水力測(cè)功機(jī)的工作介質(zhì)與冷卻介質(zhì)分離的方法(雙介質(zhì)法)。把前兩種方法結(jié)合起來(lái)，采用雙閉環(huán)控制測(cè)功系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和扭矩是當(dāng)今世界水力測(cè)功機(jī)的先進(jìn)控制方法【541。目前，國(guó)內(nèi)杭州奕科機(jī)電已開(kāi)發(fā)出WE系列水渦流測(cè)功機(jī)產(chǎn)品。122電渦流測(cè)功機(jī)電渦流測(cè)功機(jī)利用渦電流效應(yīng)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率，具有低慣量、高精度、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于操作控制的自動(dòng)化，并且功率范圍也較寬，轉(zhuǎn)速較高，響應(yīng)速度較快，測(cè)試工藝比較成熟，是目前各內(nèi)燃機(jī)制造廠主要使用的測(cè)功機(jī)之一【6l?；谄淞己玫目刂菩?、可調(diào)性以及負(fù)載穩(wěn)定性，電渦流測(cè)功機(jī)較合適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)。此外，它也適用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的開(kāi)發(fā)研究試驗(yàn)，汽車風(fēng)阻、變速器、后輪軸的模擬試驗(yàn)及完整的傳動(dòng)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)等。但是，傳統(tǒng)的電渦流測(cè)功器吸收功率較小，技術(shù)水平偏低，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)中“恒流控制”和“恒速控制”兩個(gè)調(diào)節(jié)閉環(huán)共用一只調(diào)節(jié)器，導(dǎo)致恒轉(zhuǎn)矩控制和恒轉(zhuǎn)速控制達(dá)不到精度要求。而且，與水力測(cè)功機(jī)一樣，電渦流測(cè)功機(jī)只能吸收原動(dòng)機(jī)的功，將其全部轉(zhuǎn)化為熱能消耗而不能回收，也不能作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。由于其性能的限制，使得其精度的提高和實(shí)際應(yīng)用受到限制。123電力測(cè)功機(jī)電力測(cè)功機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和普通電機(jī)相似，由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，但與普通電機(jī)不同的是這種電力測(cè)功機(jī)的定子及其外殼不是固定在機(jī)座上，而是可以自由擺動(dòng)。轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承支撐在定子外殼上，定子外殼通過(guò)滾動(dòng)軸承浮動(dòng)的支撐在支座上，定子外殼與電機(jī)底座之間用拉壓傳感器相連接。由于定子用軸承浮動(dòng)支撐，所以拉壓傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與定子上所作用的轉(zhuǎn)矩平衡，其大小由拉壓傳感器測(cè)出，故也稱為平衡式電力測(cè)功機(jī)，它分為直流電力測(cè)功機(jī)和交流電力測(cè)功機(jī)。1231直流電力測(cè)功機(jī)直流電力測(cè)功機(jī)采用復(fù)式激勵(lì)的直流電機(jī)，利用電樞繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理，根據(jù)在不同電磁力作用下所產(chǎn)生大小不同、與轉(zhuǎn)向相反的制動(dòng)力矩來(lái)控制測(cè)功機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。直流測(cè)功電機(jī)由于控制簡(jiǎn)單、調(diào)速平滑，性能良好，一直占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，直流測(cè)功電機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械換向器和電刷，因此具有一些無(wú)法克服的固有缺點(diǎn)，如造價(jià)偏高，維護(hù)困難，壽命短，單機(jī)容量交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模和最高電壓以及最高轉(zhuǎn)速都受到一定的限制等等，導(dǎo)致直流電力測(cè)功電機(jī)在大容量、高速測(cè)功系統(tǒng)中難以廣泛應(yīng)用。1232交流電力測(cè)功機(jī)交流電力測(cè)功機(jī)按照電機(jī)類型的不同又可以分為同步電力測(cè)功機(jī)和異步電力測(cè)功機(jī)兩大類【7J。交流同步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)原理如圖11所示。同步方案測(cè)功電機(jī)采用繞線式異步電機(jī)。由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)測(cè)功電機(jī)在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，K1、K3斷開(kāi)K2閉合，提供直流勵(lì)磁電流給測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子，作同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式，定子發(fā)電產(chǎn)生電能由電阻負(fù)載消耗或由整流、逆變系統(tǒng)回饋電網(wǎng)。在K2斷開(kāi)，K1、K3閉合時(shí)，測(cè)功機(jī)可作為具有啟動(dòng)電阻R的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷磨合試驗(yàn)。交流同步測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和負(fù)載電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)功機(jī)本體發(fā)熱較低，功率范圍較大，操作簡(jiǎn)單，使用方便。由于具有電刷、滑環(huán)及其繞線式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，測(cè)功機(jī)運(yùn)行速度受到限制。被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī) 測(cè)功電機(jī) 整流器 逆變器圖11交流同步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)原理圖交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)原理如圖12所示：倒饋逆燹圖12交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)原理圖異步方案測(cè)功機(jī)采用鼠籠式交流異步電機(jī)，定子三相繞組和三相變頻電源連接，當(dāng)三相變頻電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向與被測(cè)動(dòng)力機(jī)械相同時(shí)，被測(cè)機(jī)械輸出接近空載。當(dāng)三相變頻電源降低頻率，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速低于測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)功機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與被測(cè)機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩方向相反，即向被測(cè)試機(jī)械施加負(fù)載。此時(shí)，測(cè)功機(jī)將被測(cè)試機(jī)械輸出的能量轉(zhuǎn)換碩士學(xué)位論文成電能，通過(guò)輸出給大功率電阻消耗或者回饋電網(wǎng)【8J。在國(guó)外研制或生產(chǎn)的電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)中，以AVL公司的APA系列、德國(guó)SCHENCK公司的HT、LI系列產(chǎn)品為代表，基本實(shí)現(xiàn)了測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，有較好的綜合性能，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用不多【9】。與各類水力測(cè)功機(jī)及電渦測(cè)功機(jī)相比，交流電力測(cè)功機(jī)測(cè)功范圍寬，而且可在測(cè)定原動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的同時(shí)，還以發(fā)電的形式回收能量，電能回收率可達(dá)8010】；與水力測(cè)功機(jī)相比，它節(jié)約了水資源及相應(yīng)的配套設(shè)備，試驗(yàn)場(chǎng)地干凈，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)迅速而且測(cè)量精度高；與直流電力測(cè)功機(jī)相比，也無(wú)需經(jīng)常保養(yǎng)，空間小、成本低。另外，平衡式交流電力測(cè)功機(jī)還可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行來(lái)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)電起動(dòng)、冷磨合、摩擦功率和機(jī)械損失測(cè)量。近幾年來(lái)隨著電機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)、靜態(tài)性能上得到了顯著提高，因此對(duì)交流測(cè)功機(jī)的研究成為主流趨勢(shì)。，目前，交流測(cè)功機(jī)并已廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車底盤、電動(dòng)汽車、電機(jī)性能試驗(yàn)、電機(jī)MS曲線試驗(yàn)、液力變矩器、動(dòng)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(dòng)裝置的功率和效率測(cè)試，為各種動(dòng)力機(jī)械及傳動(dòng)裝置的研究開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)外研制或生產(chǎn)的交流電力測(cè)功機(jī)中，由AVL和ELIN公司聯(lián)合生產(chǎn)的APA系列測(cè)功電機(jī)具有一定的代表性，它是搖籃式籠形異步電機(jī)，主電路為交直交系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與工況自控。另外，還有德國(guó)申克、西門子、日本小野測(cè)功器等公司的產(chǎn)品。上述公司的電力測(cè)功機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，有較好的綜合性能，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但價(jià)格昂貴。我國(guó)從70年代開(kāi)始研究交流電力測(cè)功機(jī)，在此之前測(cè)功機(jī)多從國(guó)外進(jìn)口。1974年，湖南大學(xué)開(kāi)始研究交流電力測(cè)功機(jī)，在異步方案的基礎(chǔ)上研究成功“同步方案”測(cè)功機(jī)，先后研制成功15KW、28KW、40KW、160KW等規(guī)格的交流電力測(cè)功機(jī)。近年來(lái)與湘潭電機(jī)廠合作，研制了交流變頻電力測(cè)功機(jī)和雙饋電力測(cè)功機(jī)。湖南大學(xué)研制的CYl 10、CYl60系列交流變頻異步電力測(cè)功機(jī)通過(guò)了鑒定，并已申請(qǐng)專利。這些在低成本高性能的測(cè)功機(jī)及其測(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域所做的研究，對(duì)我國(guó)減少對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，發(fā)展民族汽車工業(yè)具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義【5J。13本文涉及的基本問(wèn)題和研究對(duì)策本文交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)由若干功能模塊組成，其基本組成包括：交流電力測(cè)功機(jī)、耗能負(fù)載電阻、各種傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、油門控制器、直流力矩電機(jī)、變頻器、單片機(jī)控制模塊(AD輸入、DA輸出、IO模塊)等。電力測(cè)功機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，測(cè)功時(shí)在發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，所產(chǎn)生的電能由負(fù)載電阻消耗。測(cè)功機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多模塊系統(tǒng)，需要進(jìn)行研究和深入探討的問(wèn)題和理論有很多，本交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模文針對(duì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)研究中的以下幾個(gè)部分展開(kāi)論文的撰寫(xiě)：重點(diǎn)介紹了測(cè)功機(jī)的工作原理，系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型的建立和仿真驗(yàn)證，簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的組成和硬件軟件的有關(guān)設(shè)計(jì)，詳細(xì)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(shè)計(jì)與調(diào)試，給出了交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)程序的編寫(xiě)方法并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。 131電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)以及油門控制器的設(shè)計(jì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件與軟件系統(tǒng)，測(cè)功機(jī)測(cè)試及控制系統(tǒng)硬件主要包括：轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度、電壓與電流等傳感器及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)控制板各模塊，鍵盤和LCD屏以及油門控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了有重點(diǎn)性的介紹，詳細(xì)的介紹了雙CPU系統(tǒng)的工作原理，對(duì)油門控制器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，選擇了模擬電路搭建油門控制器的方法并對(duì)最終的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。本文中采用LabVIEW編寫(xiě)電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)上位機(jī)程序，上位機(jī)程序通過(guò)與單片機(jī)進(jìn)行通訊控制試驗(yàn)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的交互式的控制，通過(guò)前面板對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦數(shù)據(jù)異常則進(jìn)行報(bào)警提示并同時(shí)終止有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)步驟的繼續(xù)運(yùn)行，對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集濾波并保存。整個(gè)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的各種相關(guān)信息進(jìn)行保存，極大的方便了實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果查詢。132電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的原理、數(shù)學(xué)模型與仿真驗(yàn)證在進(jìn)行測(cè)功系統(tǒng)控制研究時(shí)，首先要認(rèn)識(shí)被控系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、各量之間的因果關(guān)系或定量關(guān)系以便于分析、設(shè)計(jì)。因此，必須建立系統(tǒng)主要物理量變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。本文首先分析了測(cè)功系統(tǒng)工作的原理，圍繞測(cè)功電機(jī)運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子上各轉(zhuǎn)矩之間的定量關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的討論，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)測(cè)功電機(jī)模型進(jìn)行了深入的研究，尋求出測(cè)功系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制方案。交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)由若干功能模塊組成，包括變頻器、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)、電力測(cè)功機(jī)、油門控制器等。各個(gè)模塊在輸入條件發(fā)生改變的情況下，模塊的輸出值呈現(xiàn)有一定規(guī)律卻非線性的變化，為了更深入了解系統(tǒng)各個(gè)模塊之間輸入輸出量的關(guān)系以及對(duì)他們采用控制算法后系統(tǒng)輸入輸出量的變化，觀測(cè)系統(tǒng)的整體響應(yīng)以及對(duì)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，在對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和有針對(duì)的簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型，利用Simulink建立系統(tǒng)的整體仿真模型，通過(guò)給定輸入信號(hào)與相應(yīng)的控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的曲線，為實(shí)際控制方案的選擇提供一定的理論依據(jù)。碩十學(xué)位論文14本文的課題來(lái)源及主要內(nèi)容安排本文研究課題是以湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院承擔(dān)的北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所的橫向課題“交流電力測(cè)功機(jī)及其測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”為研究背景，具有實(shí)際的工程背景和應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)作者的開(kāi)發(fā)實(shí)踐與心得，從該系統(tǒng)的技術(shù)理論基礎(chǔ)、軟件和硬件開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行全面陳述。本文下面的結(jié)構(gòu)和主要研究?jī)?nèi)容安排如下：第一章闡述了本文的研究背景、國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的發(fā)展和現(xiàn)狀，以及本文研究的現(xiàn)實(shí)意義；討論了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中最主要的設(shè)備測(cè)功機(jī)，以及其控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和研究狀況，重點(diǎn)討論了本文研究的交流電力測(cè)功機(jī)的特點(diǎn)、測(cè)功方案和系統(tǒng)工作原理。最后，對(duì)本文研究的主要內(nèi)容、難點(diǎn)以及研究對(duì)策等方面詳細(xì)地進(jìn)行了總體概述，提出了本文的研究背景、意義和課題來(lái)源。第二章詳細(xì)討論了測(cè)功系統(tǒng)工作原理，詳細(xì)分析了測(cè)功系統(tǒng)內(nèi)部各轉(zhuǎn)矩量之間的關(guān)系，研究了系統(tǒng)的測(cè)功原理，提出了通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的間接測(cè)量系統(tǒng)功率的方法。然后根據(jù)情況對(duì)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性進(jìn)行了說(shuō)明，介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的速度特性實(shí)驗(yàn)和負(fù)荷特性試驗(yàn)的具體內(nèi)容和控制要求，為后續(xù)章節(jié)的研究打好理論基礎(chǔ)。第三章對(duì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的硬件與軟件系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，測(cè)功機(jī)測(cè)試及控制系統(tǒng)硬件主要包括：轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度、電壓與電流等傳感器及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)控制板各模塊，鍵盤和LCD屏等。本文給出了雙CPU控制系統(tǒng)的硬件組成，針對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的需要，給出了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)硬件設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。第四章介紹了油門控制器的設(shè)計(jì)。油門控制器是由直流力矩電機(jī)和控制電路組成，油門控制器在系統(tǒng)中的作用十分重要，它的穩(wěn)定性決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞。它的波動(dòng)會(huì)直接影響油量的進(jìn)給，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)。油門控制器的設(shè)計(jì)原則就是要保證它的穩(wěn)定性，在給定了控制量以后能在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到控制的要求而且在沒(méi)有新的給定量出現(xiàn)的時(shí)候能一直保持該值不發(fā)生變化。油門控制器的設(shè)計(jì)核心就在于控制直流力矩電機(jī)的控制電路，本文中給出了控制電路的各個(gè)模塊和對(duì)其工作原理進(jìn)行了闡述，給出了調(diào)試的過(guò)程。第五章介紹了電力測(cè)功機(jī)的上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的主程序模塊，給出了主程序的控制流程。對(duì)初始化模塊、實(shí)驗(yàn)主界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)表生成模塊的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)系統(tǒng)的通訊安全性問(wèn)題進(jìn)行了研究。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的處理和保存也進(jìn)行了說(shuō)明。第六章介紹了交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)數(shù)學(xué)模型根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行了推導(dǎo)和有針對(duì)的簡(jiǎn)化，利用Simulink建立了系統(tǒng)的仿真模型，包括交交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模流電力測(cè)功機(jī)的仿真模型、變頻器的仿真模型、發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型以及根據(jù)交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的工作原理，將各個(gè)仿真模型的輸入輸出量聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試的要求和系統(tǒng)工作的實(shí)際情況，選擇了適當(dāng)?shù)目刂扑惴▽?duì)系統(tǒng)的控制量進(jìn)行控制，建立了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的仿真進(jìn)行控制，得到了系統(tǒng)仿真的數(shù)據(jù)曲線，通過(guò)對(duì)仿真曲線的各種控制算法的分析與比較選擇最適合測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的控制算法，通過(guò)仿真曲線與實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型正確性。第七章在系統(tǒng)軟硬件滿足實(shí)驗(yàn)條件和交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的仿真模型建立好的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的速度特性和轉(zhuǎn)速特性的試驗(yàn)和仿真，對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果進(jìn)行比較和分析，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性和選擇更好的控制算法。碩士學(xué)位論文第2章交流異步電力測(cè)功系統(tǒng)的基本原理交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及到機(jī)械、電機(jī)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的理論和知識(shí)。本章以摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為例，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試的要求，將重點(diǎn)闡述測(cè)功系統(tǒng)的測(cè)功原理、測(cè)功電機(jī)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩分析、電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性分析以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試內(nèi)容與要求。21交流異步測(cè)功機(jī)系統(tǒng)測(cè)功原理交流電力測(cè)功機(jī)作發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載測(cè)功運(yùn)行時(shí)實(shí)際上是一個(gè)處在發(fā)電狀態(tài)下的交流異步電機(jī)，它吸收被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，通過(guò)控制測(cè)功電機(jī)來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速。由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身的結(jié)構(gòu)決定無(wú)法直接測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因此通常以測(cè)功電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸上的轉(zhuǎn)矩作為被測(cè)量，來(lái)間接測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。當(dāng)測(cè)功電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，可作為繞線式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、冷磨合及測(cè)定機(jī)械損失。一般采用的測(cè)功方法有測(cè)定電功率法和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)定法兩種。測(cè)定電功率法由于測(cè)功效率易受外界負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、溫度等的影響和電機(jī)參數(shù)受頻率、溫度變化影響較大，另再加上各種損耗，導(dǎo)致測(cè)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(yàn)工作復(fù)雜化、試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此應(yīng)用較少。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)定法就是通過(guò)測(cè)量電機(jī)或被測(cè)試機(jī)械的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)如下公式計(jì)算得到輸出功率【11】。如用P表示發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率(Kw)，MP表示有效輸出轉(zhuǎn)矩(NM)，以表示轉(zhuǎn)速(rmin)，則三者之間的關(guān)系為 尸：業(yè)(21)9550 、 。式(21)說(shuō)明：有效功率尸是通過(guò)測(cè)定某工況下被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩MP和轉(zhuǎn)速療計(jì)算得到的。因此，交流異步電力測(cè)功機(jī)軸上的加載轉(zhuǎn)矩M，和軸上轉(zhuǎn)速刀是以其為基本組成的功率測(cè)試系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵的檢測(cè)量。這種轉(zhuǎn)矩測(cè)試的方法結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。圖21轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)定法示意圖交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模圖21中符號(hào)代表的意義如下：F：電機(jī)定子外殼與電機(jī)支座之間的拉力；M。E：作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩：M。F：作用在電機(jī)定子上的電磁轉(zhuǎn)矩。如圖所示，平衡式交流異步電力測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，但與普通電機(jī)不同的是定子及其外殼不是固定在機(jī)座上，而是可以自由擺動(dòng)，是平衡浮置的。轉(zhuǎn)子是通過(guò)軸承支撐在定子外殼上的，而定子外殼通過(guò)滾動(dòng)軸承浮動(dòng)地支撐在支座上，定子外殼與電機(jī)底座之間則用拉力傳感器相連接。由于定子用軸承浮動(dòng)支撐，因此拉力傳感器就可間接測(cè)出定子上所作用的轉(zhuǎn)矩即交流異步電力測(cè)功機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩，該反向轉(zhuǎn)矩即為被測(cè)試設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)矩。由于該測(cè)試方法簡(jiǎn)單、測(cè)定的數(shù)據(jù)不易受其他因素影響，因此測(cè)定的數(shù)據(jù)比較可靠。211測(cè)功(即發(fā)電)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩分析如前所述，測(cè)功電機(jī)是通過(guò)測(cè)定浮置發(fā)電機(jī)定子外殼的反向轉(zhuǎn)矩來(lái)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率。當(dāng)測(cè)功電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，假定測(cè)功電機(jī)轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則作用在平衡式測(cè)功電機(jī)定、轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩分別如圖22(a)、(b)所示。啃儼 沁、Nr巡 一(a) (b)圖22平衡式電力測(cè)功機(jī)測(cè)功運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖22中的符號(hào)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(zhuǎn)矩，即測(cè)得的轉(zhuǎn)矩；MF：電刷與滑環(huán)之間的的摩擦轉(zhuǎn)矩；MP：發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，即發(fā)動(dòng)機(jī)作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩：M礦：電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，冷卻風(fēng)在轉(zhuǎn)子表面形成的風(fēng)摩擦阻轉(zhuǎn)矩；膨。E：作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩；M瓶：作用在電機(jī)定子上的電磁轉(zhuǎn)矩；碩士學(xué)位論文MR。：作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承上的阻轉(zhuǎn)矩；M。R：作用在電機(jī)定子軸承上的阻轉(zhuǎn)矩；平衡式電力測(cè)功機(jī)在測(cè)功(發(fā)電)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于氣隙磁場(chǎng)的作用在定子和轉(zhuǎn)子上形成一對(duì)大小相等、方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，即 M腰=M腰 (22)當(dāng)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)矩MP拖動(dòng)平衡式電力測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩如圖22(b)所示。此時(shí)，測(cè)功電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩M魁、電刷與滑環(huán)之間傳遞給轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩MF、冷卻風(fēng)在轉(zhuǎn)子表面形成的風(fēng)摩擦轉(zhuǎn)矩M礦以及轉(zhuǎn)子軸承的轉(zhuǎn)矩肘船都是阻轉(zhuǎn)矩，因此方向與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M，方向相反，轉(zhuǎn)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(duì)于測(cè)功電機(jī)定子側(cè)，作用在定子上的轉(zhuǎn)矩如圖22(a)所示。由于氣隙磁場(chǎng)的作用帶動(dòng)定子有隨轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，因此可知作用在電機(jī)定子上的電磁轉(zhuǎn)矩M盟、電刷與滑環(huán)之間傳遞給定子的摩擦轉(zhuǎn)矩MP、轉(zhuǎn)子軸承傳遞給定子的摩擦轉(zhuǎn)矩M咫都是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而且當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)冷卻風(fēng)順時(shí)針同向旋轉(zhuǎn)，必然對(duì)定子產(chǎn)生一個(gè)同方向的作用力矩，其大小為整個(gè)風(fēng)摩擦轉(zhuǎn)矩的一小部分，用aM矽表示(口為遠(yuǎn)小于l的系數(shù))；同時(shí)，定子側(cè)還存在示功測(cè)力系統(tǒng)的平衡轉(zhuǎn)矩MD及定子軸承的阻轉(zhuǎn)矩M冊(cè)，其方向?yàn)槟鏁r(shí)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(fēng)摩擦阻力矩M曠的一部分，這部分轉(zhuǎn)矩不是以機(jī)械轉(zhuǎn)矩的形式作用在定子上。因此，由式(27)可知：當(dāng)平衡式電力測(cè)功機(jī)運(yùn)行在測(cè)功(發(fā)電)狀態(tài)時(shí)，由原動(dòng)機(jī)的被測(cè)轉(zhuǎn)矩MP與示功測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得的平衡轉(zhuǎn)矩MD、定子軸承的阻轉(zhuǎn)矩M船和未傳遞給定子的風(fēng)摩擦阻力矩(1一a)M妒等三部分轉(zhuǎn)矩之和平衡，其中平衡轉(zhuǎn)矩MD為主要部分。212拖動(dòng)(即電動(dòng))運(yùn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩分析同理，當(dāng)測(cè)功電機(jī)在拖動(dòng)(即電動(dòng))狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，測(cè)功機(jī)定、轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)矩的組成與測(cè)功(發(fā)電)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的情況相似，只是各轉(zhuǎn)矩的方向和平衡情況不同。圖23交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模表示了電力測(cè)功機(jī)在拖動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)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(cè)功機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系根據(jù)上述分析，同樣可以得到圖23所示的轉(zhuǎn)矩及其方向，子側(cè)轉(zhuǎn)矩平衡方程為M RE=MP+MF 4-MW+M髓對(duì)于圖23(a)中所示的定子側(cè)的轉(zhuǎn)矩平衡方程有由圖23(b)得出轉(zhuǎn)(28)M娓=MD+刪諱r+M F+M憩+M s8 Q9)同理，由于氣隙磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)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(dāng)電力測(cè)功機(jī)作拖動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于被拖動(dòng)狀態(tài)，其軸上的轉(zhuǎn)矩MP為阻轉(zhuǎn)矩，大小等于示功測(cè)力系統(tǒng)在定子上測(cè)得的轉(zhuǎn)矩Mn與定子軸承的阻力矩M船之和減去沒(méi)有傳遞給定子的風(fēng)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(cè)功機(jī)處于測(cè)功(發(fā)電)狀態(tài)，“一”表示其處于拖動(dòng)(電動(dòng))狀態(tài)。當(dāng)采取如下一些措施：如盡量降低測(cè)功機(jī)外殼的不平衡度，采用靜摩擦小的滾動(dòng)軸承，定子軸承由于僅起支撐作用可以使用液體潤(rùn)滑油而不用潤(rùn)滑脂，以減小定子外殼微動(dòng)時(shí)的摩擦力矩等，都可以盡可能的減小測(cè)功電機(jī)的損耗轉(zhuǎn)矩必冊(cè)、肘矽。當(dāng)測(cè)功機(jī)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于輕微的機(jī)械振動(dòng)使定子支座滾動(dòng)軸承的滾珠產(chǎn)生微小跳動(dòng)，此時(shí)在潤(rùn)滑油的作用下使得定子軸承的靜摩擦力矩M。R專o，導(dǎo)致M冊(cè)可以忽略不計(jì)。囚此，式(211)n-I表示為MP=MD(1一a)M (212)碩上學(xué)位論文令眠=(1一ct)M，稱為測(cè)功電機(jī)的空載損耗轉(zhuǎn)矩，則式(212)可表示為MP=MDMo (213)上式中，“+”表示電力測(cè)功機(jī)處于測(cè)功(發(fā)電)狀態(tài)，“一”表示其處于拖動(dòng)(電動(dòng))狀態(tài)。由式(213)可知，當(dāng)測(cè)功電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸分離，并且使測(cè)功電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，MP=0，則作用在傳感器上的轉(zhuǎn)矩(即此時(shí)測(cè)功電機(jī)測(cè)得的轉(zhuǎn)矩)Mj大小等于沒(méi)有傳遞給定子的風(fēng)摩擦阻轉(zhuǎn)矩，即M二=Mo=(1一ot)M礦 (214)利用測(cè)功電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)空轉(zhuǎn)的這一特點(diǎn)可以測(cè)定不同轉(zhuǎn)速下的(1一a)M緲的大小(即風(fēng)摩擦阻力曲線)，準(zhǔn)確地對(duì)電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。式(21)、式(211)、式(212)、式(214)分別表示了平衡式電力測(cè)功機(jī)測(cè)功、測(cè)量轉(zhuǎn)矩以及測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩標(biāo)定的基本原理。22電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性分析對(duì)上述兩種工作狀態(tài)下電力測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩分析可知：在某一轉(zhuǎn)速下，測(cè)功電機(jī)定、轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)矩平衡是其穩(wěn)定運(yùn)行的條件，稱這種運(yùn)行工況為測(cè)功機(jī)的穩(wěn)定工況U21。測(cè)功機(jī)在平衡工況時(shí)的穩(wěn)定程度是衡量測(cè)功機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它是指當(dāng)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不動(dòng)而輸出轉(zhuǎn)矩與阻轉(zhuǎn)矩之間的平衡發(fā)生破壞時(shí)，測(cè)功機(jī)自行進(jìn)行載荷調(diào)整，使其轉(zhuǎn)速能迅速返回原平衡位置以等速運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。測(cè)功機(jī)能否穩(wěn)定工作取決于測(cè)功機(jī)扭矩特性(M一刀曲線)與發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性的匹配。測(cè)功運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，測(cè)功機(jī)為從動(dòng)機(jī)；電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，情形相反。由式(23)、式(28)可知：電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)中與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡的主要是電磁轉(zhuǎn)矩，且電磁轉(zhuǎn)矩的變化可以反映發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)；由式(213)、式(214)可知：示功測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得的轉(zhuǎn)矩MD主要反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化，同時(shí)，也間接地反映了電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況。因此，測(cè)功電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到?jīng)Q定性的作用。在此，以MP表示發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，M。表示測(cè)功機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)MP、M，(測(cè)功運(yùn)行時(shí)為阻轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩)出現(xiàn)瞬時(shí)變化和波動(dòng)時(shí)，測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)能否恢復(fù)到原穩(wěn)定工況或者進(jìn)入另外一個(gè)穩(wěn)定工況，則取決于測(cè)功機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)各自轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性【l 31。221測(cè)功運(yùn)行工作穩(wěn)定性分析測(cè)功電機(jī)測(cè)功運(yùn)行時(shí)，若要保證其穩(wěn)定地工作，則必須使測(cè)功機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M。特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(即M。對(duì)轉(zhuǎn)速刀的變化率)高于被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩MP特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(即MP對(duì)轉(zhuǎn)速n的變化率)，即交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模M生dm立(絲絲)p din,、dn dn(a)穩(wěn)定工況dM,dMedh dh(215)(b)不穩(wěn)定工況 (c)不穩(wěn)定或半穩(wěn)定工況圖24測(cè)功機(jī)作測(cè)功運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性分析在圖24(a)中，當(dāng)測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速玎穩(wěn)定時(shí)，在4點(diǎn)M。=M劓。如果此時(shí)電磁阻轉(zhuǎn)矩M。暫時(shí)增大或者發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩MP暫時(shí)減小，則A點(diǎn)的穩(wěn)定工況被破壞，使轉(zhuǎn)速力降低，當(dāng)n降低至?xí)r，由于此時(shí)MPM。，于是轉(zhuǎn)速又上升至么點(diǎn)使M。=MP。，重新恢復(fù)原穩(wěn)定工況；反之，當(dāng)電磁阻轉(zhuǎn)矩M。暫時(shí)減小或者發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩M，暫時(shí)增大，彳點(diǎn)的穩(wěn)定工況也將被破壞，使轉(zhuǎn)速刀上升，當(dāng)?shù)渡咧量浚簳r(shí)，由于此時(shí)MPM。致使轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)M。也逐漸增大，M：慢慢減小，當(dāng)療=n：時(shí)，M=M蹦，轉(zhuǎn)矩在彳重新建立新的平衡狀態(tài)，即系統(tǒng)可以進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)定工況點(diǎn)工作。在圖24(b)中，當(dāng)測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在B點(diǎn)工作時(shí)，雖然在B點(diǎn)處轉(zhuǎn)矩可以平衡，但只要M，或M，稍微變化，或者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入另一轉(zhuǎn)矩曲線工作，則轉(zhuǎn)速不是不斷上升(甚至“飛車”)就是逐漸下降至停機(jī)，即無(wú)法收斂于穩(wěn)定工況點(diǎn)B，無(wú)法恢復(fù)到原平衡狀態(tài)，此工況稱為不穩(wěn)定工況。在圖24(c)所示，當(dāng)測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線斜率相近且相差不大時(shí)，理論上來(lái)說(shuō)系統(tǒng)可以穩(wěn)定在C點(diǎn)，但實(shí)際上兩者轉(zhuǎn)矩稍有變化，都將會(huì)使轉(zhuǎn)速變化很大，致使平衡狀態(tài)恢復(fù)很慢，保持穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間也很短(即所謂的“游車”現(xiàn)象)，這樣也無(wú)法滿足工作要求，所以稱這種情況為不穩(wěn)定或半穩(wěn)定工況。由以上三種工作狀況的分析可知：當(dāng)電力測(cè)功機(jī)出于測(cè)功(發(fā)電)狀態(tài)時(shí)，測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性M。=(刀)隨轉(zhuǎn)速n的增加上升越快，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性MP=廠(門)下碩士學(xué)位論文降越陡，當(dāng)轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)發(fā)生變化或者進(jìn)入另一工作點(diǎn)時(shí)，則測(cè)功機(jī)建立轉(zhuǎn)矩平衡的時(shí)間越短，即進(jìn)入穩(wěn)定工況越快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。222拖動(dòng)運(yùn)行工作穩(wěn)定性分析測(cè)功機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將作為繞線式異步電動(dòng)機(jī)工作，其M一刀曲線如圖25所示。作為異步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，測(cè)功機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，即此時(shí)作為測(cè)功機(jī)負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大，即望蘭較小，此時(shí)測(cè)功機(jī)d療的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)小于機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即一dMe盟 6)dh dh因此，測(cè)功機(jī)運(yùn)行在拖動(dòng)(即電動(dòng))狀態(tài)時(shí)，易處于穩(wěn)定工況。式(215)、(216)即為“測(cè)功機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)”測(cè)功系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。矩)圖25電動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)工作穩(wěn)定性分析23發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試內(nèi)容與要求發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)內(nèi)容十分廣泛，包括新產(chǎn)品或強(qiáng)化、改進(jìn)、變型、轉(zhuǎn)廠生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)性能及耐久可靠性試驗(yàn)；產(chǎn)品出廠前的性能調(diào)整及定期抽查試驗(yàn)等。我國(guó)于1974年曾制定內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法(GBll0574)，1984年又頒布了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)(JBn374484)?？偟膩?lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)性能測(cè)試主要包括功率標(biāo)定、內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷特性、內(nèi)燃機(jī)的速度特性、萬(wàn)有特性、調(diào)速特性和煙度特性等，其中比較重要的有負(fù)荷特性、速度特性。下面重點(diǎn)介紹負(fù)荷特性和速度特性。231負(fù)荷特性負(fù)荷特性是指內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速不變，示，則這種曲線稱為負(fù)荷特性曲線。其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷變化的關(guān)系，以曲線表這種特性測(cè)試中，通常通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模氣門開(kāi)度(汽油機(jī))或每循環(huán)的供油量(柴油機(jī))，同時(shí)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)負(fù)荷(轉(zhuǎn)矩)以保持轉(zhuǎn)速不變，然后測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)。在負(fù)荷特性試驗(yàn)中，電力測(cè)功機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩工作方式，發(fā)動(dòng)機(jī)處于恒轉(zhuǎn)速工作方式。改變負(fù)荷時(shí)，因?yàn)闇y(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化不大，所以轉(zhuǎn)速雖然波動(dòng)，但是轉(zhuǎn)矩能很快穩(wěn)定在設(shè)定值附近，而發(fā)動(dòng)機(jī)的油門位置由設(shè)定轉(zhuǎn)速值與反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速比較，差值作為轉(zhuǎn)速控制器的輸入，經(jīng)控制算法運(yùn)算后輸出控制信號(hào)給油門驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)改變油門位置，油門位置的改變使轉(zhuǎn)速再次回到設(shè)定值。如圖26所示，當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流從f，變?yōu)閒，即測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩由M。變?yōu)镸。，時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)油門位置到口，即可使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值n。測(cè)功機(jī)恒轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行圖26負(fù)荷特性試驗(yàn)中測(cè)功機(jī)一發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)情況232速度特性速度特性是指內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，即發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度(汽油機(jī))或油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定(柴油機(jī))時(shí)，其有效功率。、轉(zhuǎn)矩M、油耗率、每小時(shí)耗油量Gr等隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，此時(shí)通常只調(diào)整測(cè)功機(jī)來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度特性可分為外特性和部分速度特性，前者指發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開(kāi)或供油機(jī)構(gòu)固定在額定功率循環(huán)供油量位置時(shí)，測(cè)得的速度特性，它代表該機(jī)在使用過(guò)程中允許的最高性能，所有內(nèi)燃機(jī)均需做額定功率速度特性試驗(yàn)；后者指節(jié)氣門部分開(kāi)啟或供油機(jī)構(gòu)固定在額定功率循環(huán)供油量位置以下時(shí)所測(cè)得的速度特性。在速度特性試驗(yàn)中，電力測(cè)功機(jī)在每個(gè)穩(wěn)態(tài)測(cè)試點(diǎn)處于恒轉(zhuǎn)速工作方式，發(fā)動(dòng)機(jī)處于恒油門位置工作方式。如圖27所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)脑O(shè)定值變?yōu)閿Q，時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器時(shí)勵(lì)磁電流從f，變?yōu)閒，：，即測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩由M。變到M們，使測(cè)功系統(tǒng)重新穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速設(shè)定值點(diǎn)。碩士學(xué)位論文24本章小結(jié)測(cè)功機(jī)恒轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)恒油門位置運(yùn)行圖27速度特性試驗(yàn)中測(cè)功機(jī)一發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)情況本章在第一章對(duì)測(cè)功系統(tǒng)進(jìn)行全面概述的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地研究了測(cè)功系統(tǒng)的工作原理， 測(cè)功系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩分析，分情況對(duì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性進(jìn)行了說(shuō)明，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試的內(nèi)容，為后續(xù)章節(jié)的研究奠定基礎(chǔ)。交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模第3章交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)31控制系統(tǒng)組成交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，分別采用80C196KCt23】和89S52。其中80C196KC主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和算法的計(jì)算處理，單片機(jī)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(jìn)一步的電機(jī)控制工作。整個(gè)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖31，包括測(cè)功電機(jī)主回路和計(jì)算控制單元兩大部分。主回路包括被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)功電機(jī)，變頻器和負(fù)載電阻等設(shè)備；變頻器控制交流異步電力測(cè)功機(jī)的加載，并吸收測(cè)功機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)負(fù)載電阻消耗掉；計(jì)算控制單元是控制系統(tǒng)的核心，其功能是采集通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊處理后的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和溫度值，同時(shí)發(fā)出控制指令給變頻器和發(fā)動(dòng)機(jī)的油門控制系統(tǒng)。圖31交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)交流異步電力測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)包括圖31中的信號(hào)調(diào)理模塊和計(jì)算控制單元，主要完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等數(shù)據(jù)的高速采集、分析計(jì)算、實(shí)時(shí)控制輸出、鍵盤監(jiān)控以及顯示等任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)框圖見(jiàn)圖32。整個(gè)系統(tǒng)分為以高性能80C196KC為核心的實(shí)時(shí)控制予系統(tǒng)和以89S52為核心的人機(jī)交互子系統(tǒng)。其中，實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)的任務(wù)是完成對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信號(hào)的高速采集處理，進(jìn)行控制算法計(jì)算，實(shí)施系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，而人機(jī)交互子系統(tǒng)的功能是對(duì)系統(tǒng)鍵盤進(jìn)行監(jiān)控以及控制液晶顯示屏的輸出1421。兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)雙口RAM芯片IDTl30進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此外，系統(tǒng)使用CPLD(圖32的GALl6V8)實(shí)現(xiàn)邏輯電路，完成系統(tǒng)的譯碼，不僅減少芯片的使用數(shù)量，還大大提高了系統(tǒng)的可靠性【431。碩士學(xué)位論文32實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)圖32控制系統(tǒng)框圖圖32中80C196KC及其左半部分為實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)。實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)利用80C196KC提供的高速輸出HSO和內(nèi)部定時(shí)器T1配合形成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)的精確等間隔采樣，數(shù)字濾波后利用80C196KC的外設(shè)事務(wù)服務(wù)器(PTS)塊傳輸模式將數(shù)據(jù)保存到雙口RAM中供人機(jī)交互子系統(tǒng)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(yīng)中斷的時(shí)間30l。此外，系統(tǒng)還充分利用了80C1 96KC提供的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器，來(lái)定時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋溫度。321轉(zhuǎn)矩檢測(cè)及其處理模塊本系統(tǒng)測(cè)功機(jī)屬于平衡式電力測(cè)功機(jī)，通過(guò)浮動(dòng)的定子外殼與電機(jī)底座之間的拉壓傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)矩。拉壓傳感器選用中航電測(cè)的波紋管單點(diǎn)式稱重傳感器，型號(hào)為HMll。它的信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，適合有電磁干擾的場(chǎng)合使用。AD轉(zhuǎn)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(yīng)ADl674輸入電壓要求，需要將HMll的微弱信號(hào)放大。由于存在交流電力測(cè)功機(jī)電磁干擾、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、環(huán)境氣候變化、電源及電器器件等干擾源，本系統(tǒng)選用儀表放大器AD620作為前置放大器，將HMll輸出信號(hào)放大到5V+5V；再接反相器實(shí)現(xiàn)信號(hào)緩沖和硬件調(diào)零，消除傳感器輸出信號(hào)和前置放大器的零漂；經(jīng)過(guò)二階巴特沃斯低通濾波器硬件濾波后，信號(hào)通過(guò)光耦隔離電路，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電線性隔離，并使信號(hào)源的接地點(diǎn)與模擬輸入電路之間不共地，切斷共模干擾信號(hào)的回路，防止電路部分“共地”引入共模干擾或各路之間數(shù)據(jù)串?dāng)_。原理如圖33所示。交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模圖33轉(zhuǎn)矩調(diào)理電路原理圖圖33中去耦電容C3防止干擾和振蕩的發(fā)生；二極管D1、D2起限幅作用，防止尖峰電壓的出現(xiàn)。此外，由于實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用80C196KC的數(shù)據(jù)總線動(dòng)態(tài)配置功能，通過(guò)GALl6V8譯碼使80C196KC在讀程序時(shí)置數(shù)據(jù)總線為8位方式，而讀AD轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)置數(shù)據(jù)總線為12位方式，這樣一次就可以讀走AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。在硬件上保證了高速采樣的可行性和可靠性。322轉(zhuǎn)速檢測(cè)及其處理模塊轉(zhuǎn)速傳感器選用磁阻式磁電傳感器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝精度要求較低，無(wú)需配備電源，且輸出脈沖信號(hào)，不易受干擾。具體轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖34所示。感應(yīng)磁頭產(chǎn)生的交變模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)LM324構(gòu)成的比較電路整形處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再由光耦器件TLP521隔離后送施密特非門觸發(fā)器74HCl4進(jìn)一步整形，最后再送80C196KC外部中斷輸入口完成轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的采集。圖34 E2PROM的擴(kuò)展系統(tǒng)中有些重要的參數(shù)如PID參數(shù)、控制周期等需要保存并防止掉電丟失，碩士學(xué)位論文本系統(tǒng)采用ATMEL公司E2PROM芯片AT28BV256。該芯片可快速讀取，并具有字節(jié)和頁(yè)兩種寫(xiě)模式。在頁(yè)寫(xiě)模式中， E2PROM存貯器的內(nèi)部定時(shí)器控制時(shí)序，可在一個(gè)內(nèi)部編程周期內(nèi)寫(xiě)入一頁(yè)數(shù)據(jù)，其頁(yè)容量為256字節(jié)，并提供數(shù)據(jù)保護(hù)功能，具有卓越的抗干擾能力。33人機(jī)交互子系統(tǒng)圖32中的右半部分即為人機(jī)交互子系統(tǒng)。人機(jī)交互子系統(tǒng)的鍵盤監(jiān)控、參數(shù)顯示任務(wù)實(shí)時(shí)性要求不高，因此采用89S52作為核心處理芯片。在發(fā)動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)中，需要輸入各個(gè)控制的目標(biāo)值，如恒轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值、節(jié)氣門開(kāi)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(hào)進(jìn)入控制板前進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，從而增加了成本；另外，由于模擬器件長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生溫漂，造成反饋信號(hào)刖D采樣的偏移，從而對(duì)控制造成影響，因此在系統(tǒng)中采用數(shù)字鍵盤方式對(duì)控制量進(jìn)行給定。鍵盤包括“0-9”數(shù)字鍵和“確認(rèn)”，“上翻”，“下翻”，“取消”，“設(shè)置”，“控制鍵”等功能鍵共16個(gè)鍵。89S52通過(guò)TOSHIBA公司生產(chǎn)的可編程顯示接口芯片82C79自動(dòng)完成鍵盤的掃描輸入。82C79能自動(dòng)清除按鍵抖動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)多鍵同時(shí)按下的保護(hù)；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(shù)，故沒(méi)有使用82C79驅(qū)動(dòng)LED的功能。89S52通過(guò)中斷與82C79進(jìn)行通信，因?yàn)?2C79產(chǎn)生中斷信號(hào)為上升的跳變脈沖，而89S52的中斷觸發(fā)為下降的跳變脈沖，所以信號(hào)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(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)忙于信號(hào)采集、分析計(jì)算和實(shí)時(shí)控制，不可能直接和人機(jī)交互子系統(tǒng)進(jìn)行通信，因此系統(tǒng)采用雙口RAM來(lái)緩存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。人機(jī)交互子系統(tǒng)將從鍵盤收到的給定數(shù)據(jù)和表示控制模式的控制字放入雙口RAM，實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)只需從雙口RAM的另一側(cè)將數(shù)據(jù)取走；實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)將運(yùn)算處理后的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率和溫度放入雙口RAM，人機(jī)交互子系統(tǒng)從雙口RAM的另一側(cè)取交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模走數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)往液晶進(jìn)行顯示，從而減輕了實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)選用IDT公司的IDT713044】作為共享緩存，IDT71 30是1Kx8雙口靜態(tài)RAM，它的時(shí)序與本系統(tǒng)的兩個(gè)核心芯片(即80C196KC和89S52)兼容，特別適合于大量數(shù)據(jù)高速傳送。IDT7130將RAM和總線仲裁電路集成在一片芯片上，既簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)，又提高了系統(tǒng)的可靠性；它的左右兩個(gè)端口各有自己一套控制線、地址線和IO數(shù)據(jù)線，兩端CPU可以獨(dú)立地讀寫(xiě)雙口RAM的任意單元，具有速度快、方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)左右兩端的任意CPU而言， 雙口RAM等效于它的外部RAM。當(dāng)兩側(cè)的CPU同時(shí)存取雙口RAM的同一單元時(shí)，就產(chǎn)生了爭(zhēng)用，會(huì)出現(xiàn)寫(xiě)入值或讀出值不是期望值的混亂狀態(tài)。IDT713024】的片內(nèi)總線仲裁電路具有BUSY和胛兩種總線仲裁方式。運(yùn)用BUSY標(biāo)志的硬件仲裁方式要求CPU能插入等待狀態(tài)，而人機(jī)接口子系統(tǒng)的核心芯片89S52不具有這種功能，因此本系統(tǒng)采用胛標(biāo)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(wèi)卜+殘CEL l磊 +0時(shí)，比較放大器I輸出脈沖正半波寬度大于負(fù)半波寬度，如圖49(b)所示。當(dāng)U30時(shí)，比較放大器I輸出脈沖正半波寬度小于負(fù)半波寬度，如圖49(c)所示。因ICL8038芯片組成的三角波線性相當(dāng)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(shí)現(xiàn)電壓一脈沖的轉(zhuǎn)換。L L斟二U f4236功放驅(qū)動(dòng)電路入 。 It圖49脈寬調(diào)制原理圖當(dāng)脈寬調(diào)制電路輸出的方波平均電壓為正時(shí)，Q1，Q3導(dǎo)通，力矩電機(jī)接到正電源上，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)脈寬調(diào)制電路輸出的方波平均電壓為負(fù)，Q3、Q 4導(dǎo)通，力矩電機(jī)接到負(fù)電源上，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)比較器輸出的正、負(fù)半波相等時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。即改變脈寬調(diào)制器控制電壓的大小和極性即能調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。在設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)關(guān)管應(yīng)選擇截止頻率高的晶體管，同時(shí)具有足夠大的耗散功率和集電極最大允許電流。此外因開(kāi)關(guān)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(xiàn)Q1、Q2分別選為2N2955及2N3055比較合適。圖410中穩(wěn)壓管D1、D3可以起到開(kāi)放延遲作用，抗拒小于Uw的干擾信號(hào)，以免引起Q3、Q4的誤動(dòng)作。D2、D5為電機(jī)的續(xù)流二極管，用以防止電樞的自感電勢(shì)將大功率晶體管擊穿。圖410功放驅(qū)動(dòng)電路424調(diào)試中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及解決方法干擾問(wèn)題：油門控制系統(tǒng)是交流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，在正常投入試驗(yàn)時(shí)，干擾源的途徑很多，噪聲干擾尤為常見(jiàn)：電路上要增加RC濾波，效果較好。另外油門控制器的信號(hào)傳輸線一般較長(zhǎng)，為防止高頻磁場(chǎng)的干擾，信號(hào)線必須絞交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模合且?guī)帘?，屏蔽層需接地。電源變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，要采用雙層屏蔽，即在原、副邊繞組上設(shè)置接地的屏蔽層，使干擾電流只在兩屏蔽層流過(guò)。電壓穩(wěn)定性問(wèn)題：系統(tǒng)的電壓是系統(tǒng)的關(guān)鍵，在電壓設(shè)計(jì)的調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的+15V電壓矛I+10V電壓按照設(shè)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(dòng)，在排除穩(wěn)壓器7915損壞的情況后在7915的輸入輸出點(diǎn)接1K電阻后，電壓值立即穩(wěn)定在了1 5V左右，無(wú)明顯波動(dòng)。分析原因是穩(wěn)壓器需要有一定的負(fù)載對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是電阻阻值不能過(guò)大，否則影響系統(tǒng)的功耗。矩形波問(wèn)題：由于控制基準(zhǔn)電壓U3的實(shí)際輸入范圍為010V，而三角波的幅值通過(guò)計(jì)算為5V左右，這就存在一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)基準(zhǔn)電壓的值在510V之間時(shí)，脈寬調(diào)制電路的輸出將不再是一個(gè)矩形波，而是比較器的基準(zhǔn)電壓值15V。因此要調(diào)整U3的值在三角波的幅值內(nèi)，應(yīng)在系統(tǒng)的實(shí)際電路中通過(guò)兩個(gè)阻值相等的電阻對(duì)U3進(jìn)行分壓，得到輸入范圍為05V的基準(zhǔn)電壓，以確保矩形波的產(chǎn)生。在脈寬調(diào)制電路中，開(kāi)始使用的是放大器LM324，輸入三角波和基準(zhǔn)電壓后得到的波形不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形波而是一個(gè)梯形波，分析原因則是因?yàn)閷⑦\(yùn)放器當(dāng)成了比較器使用，運(yùn)放器工作在非線性區(qū)域的響應(yīng)速度沒(méi)有比較器快，所以矩形波的翻轉(zhuǎn)上下翻轉(zhuǎn)有一定的延時(shí)，造成了斜波的出現(xiàn)。后改用LM339比較器后，矩形波接近于理想狀態(tài)。43實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)加載時(shí)對(duì)本控制器進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果如下：U1 200V 400V 500V 800V 1000VUout 201V 396V 495V 789V 989VU1為系統(tǒng)輸入的控制量電壓，Uout為系統(tǒng)對(duì)直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓的有效值，與油門開(kāi)度直接對(duì)應(yīng)。從表中可看出最大誤差為100mV，即精度達(dá)1FS。測(cè)得滿行程反應(yīng)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(shù)完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)要求。44本章小結(jié)本章闡述了油門控制器在系統(tǒng)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(guò)對(duì)幾種油門控制器設(shè)計(jì)方案的比較，選擇了適合于測(cè)功系統(tǒng)的基于模擬電路的油門控制器的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)地對(duì)油門控制器的設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)調(diào)試過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題以及其原因進(jìn)行了分析，給出了油門控制器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滿足現(xiàn)有的異步測(cè)功機(jī)的系統(tǒng)要求。碩士學(xué)位論文第5章 交流異步測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)51虛擬儀器技術(shù)及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)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(jiàn)的虛擬儀器方案。圖51虛擬儀器示意圖與傳統(tǒng)電子儀器相比，虛擬儀器的特點(diǎn)可概括如下【33】：(1)融合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能；(2)虛擬儀器以軟件取代了部分硬件，用軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取，可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析處理、顯示，突破了傳統(tǒng)儀器只能用硬件實(shí)現(xiàn)這些功能的方式，而且具有傳統(tǒng)儀器很難實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)編輯、存儲(chǔ)、打印曲線及圖表等功能，增強(qiáng)了儀器間數(shù)據(jù)交換及信息綜合、自動(dòng)分析判斷的能力。因此，VI技術(shù)使得儀器系統(tǒng)的研制過(guò)程變得簡(jiǎn)單，成本降低，應(yīng)用先進(jìn)的理論和算法可增加系統(tǒng)的靈活性，利用圖形用戶界面(OUI)技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)界面友好、人機(jī)交互；(3)提高測(cè)控系統(tǒng)地精度。在傳統(tǒng)儀器中，信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次硬件處理都會(huì)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(diǎn)，減少了測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)了較高精度的測(cè)試和控制；(4)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，VI系統(tǒng)具有方便、靈活地互聯(lián)能力，廣泛支持諸于CAN、FieldBus等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，VI技術(shù)可方便實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化，使其開(kāi)放性、兼容性和可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)，使得虛擬儀器的開(kāi)發(fā)變得更為方便，縮短了開(kāi)發(fā)周期。與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器也是由三大功能模塊構(gòu)成：信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果顯示與輸出。虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，其基本體系結(jié)構(gòu)如圖52所示。電力測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)軟件交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模開(kāi)發(fā)工具選用的是美國(guó)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(chǔ)開(kāi)發(fā)的，其中包含了很多數(shù)值分析和信號(hào)處理的模塊，具有強(qiáng)大的調(diào)試、查錯(cuò)的功能。支持多種數(shù)據(jù)采集卡，支持DLL、CIN等形式的外部代碼調(diào)用。由于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功系統(tǒng)要求測(cè)量的參數(shù)多，精度要求高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，用戶可以定義和擴(kuò)展參數(shù)，因此本文采用虛擬儀器技術(shù)研制電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)，不僅可以大大減少各種控制按鈕和功能開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)的功能更加靈活，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，保證系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性【34,35】。計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)提高測(cè)功系統(tǒng)的測(cè)試與控制水平具有特別重要的意義，在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。(自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)應(yīng)用程序)工控機(jī)I作站(裝有LabV IEW、LabW indowsCV I或其他虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件)一 、一 k、 ，儀器驅(qū)動(dòng)程序令參 今 今 今 今數(shù)據(jù) G PIB 串 其及圖 接口 行 他像采 卡 V 口 計(jì)集卡 X 儀 算今 令 I 器 機(jī)吲舊G PIB I儀 l 硬器 P 件L 板C 卡參 參 -1-下-1-$測(cè) 控 對(duì) 象自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖52虛擬儀器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，利用其豐富的函數(shù)庫(kù)、強(qiáng)大的接口功能，可以方便地設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。本系統(tǒng)是建立在Windows操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件，選用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)工具，利用LabVIEW提供的串口通訊模塊與電路板進(jìn)行串口通訊，對(duì)試驗(yàn)的過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。l、J砸士學(xué)位論文52程序模塊的劃分在對(duì)系統(tǒng)測(cè)試軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)測(cè)試軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能以及LabVIEW的特點(diǎn)，將程序劃分為以下幾個(gè)模塊：主程序模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、判斷模塊。其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊和判斷模塊是電機(jī)測(cè)試過(guò)程的專用模塊。由于LabVIEW的編程方式是基于數(shù)據(jù)流和多線程的方式進(jìn)行的，所以各個(gè)功能模塊之間有的是并行運(yùn)行的，有的是串行運(yùn)行的，因此，通過(guò)在主程序模塊中調(diào)用其它子程序模塊，按照試驗(yàn)的要求對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行依次調(diào)用，新調(diào)用的子程序操作模板遮住先前的主程序操作界面只有當(dāng)新調(diào)用的子程序操作完畢，才能繼續(xù)對(duì)主程序界面進(jìn)行操作，這樣就保證了程序調(diào)用的順序性和程序執(zhí)行的邏輯性，依次才能完成系統(tǒng)的整個(gè)測(cè)試過(guò)程。521電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的主程序模塊利用LabVlEW作為主程序界面的開(kāi)發(fā)工具，以人機(jī)接口友好、功能實(shí)用、重要參數(shù)顯示明確為原則，開(kāi)發(fā)出電力鋇4功機(jī)控制系統(tǒng)主界面如圖5 3所示。測(cè)功軟件運(yùn)行時(shí)，首先出現(xiàn)的時(shí)主程序界面，通過(guò)選擇界面上的按鈕調(diào)用不同的子程序進(jìn)入不同的操作界面。一開(kāi)始試驗(yàn)。點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，進(jìn)入設(shè)置界面，對(duì)系統(tǒng)的各種參數(shù)和試驗(yàn)條件進(jìn)行輸入然后再進(jìn)入測(cè)試試驗(yàn)界面進(jìn)行具體的試驗(yàn)操作，根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)操作流程，確定了如下的電力測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖54所示。圖53電力剝功機(jī)的主程序界面交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模圖54電力測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖36碩也論文522系統(tǒng)試驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的試驗(yàn)界面是測(cè)試人員和測(cè)試系統(tǒng)交互的界面，良好的用戶界面能簡(jiǎn)化用戶的操作，使用戶對(duì)系統(tǒng)的操作與功能一日了然。LabVIEW為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)設(shè)計(jì)虛擬面板(也就是人機(jī)界面)的控制模板，控制模板里面有豐富的控件和圖標(biāo)。所以用LabVIEW設(shè)計(jì)的人機(jī)界面豐富多彩而簡(jiǎn)單了然。電機(jī)測(cè)試界面如圖5 5所示。界面上有一個(gè)示波器，用來(lái)顯示測(cè)試轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)波形。將轉(zhuǎn)速控制點(diǎn)和油門開(kāi)度等試驗(yàn)重要的參數(shù)放在界面上，方便實(shí)驗(yàn)操作人員對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的掌握和便捷操作。面板上實(shí)時(shí)顯示重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及在左下角對(duì)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行報(bào)警顯示燈處理，右下角有操作按鈕，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行操作，按鈕之問(wèn)實(shí)現(xiàn)互鎖。以避免誤操作對(duì)系統(tǒng)造成不必要的損壞。電，毋 I翳圃 特咀 萄啊 轉(zhuǎn)速控制鍘功機(jī) 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(kāi)度田口 1 ooI*zt一mq t 4fi*ltt女#t姒4交流異步電力利功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模中的COM口、轉(zhuǎn)矩標(biāo)定、油門標(biāo)定、PID設(shè)置操作通過(guò)串口通訊將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初始化。不是每一次開(kāi)始試驗(yàn)都要進(jìn)入初始化模塊，當(dāng)我們確定我們的各種試驗(yàn)參數(shù)都已經(jīng)輸入正確，試驗(yàn)配置也準(zhǔn)備就緒我們就可以直接進(jìn)入試驗(yàn)操作界面進(jìn)行試驗(yàn)。耋ii簍i琴”+”+E*痹B*女標(biāo)定所有證j在主狂序tB口生覯圖56電力測(cè)功機(jī)初始化設(shè)置界面5 2 4數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)5 241通訊模塊的設(shè)計(jì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是對(duì)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的過(guò)程。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示就必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并及時(shí)更新儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的變量并通過(guò)數(shù)字量或者波形圖進(jìn)行顯示。為了保證實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)軟件通過(guò)利用Labview提供的串口通訊模塊與單片機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)基于事件觸發(fā)響應(yīng)的查詢式處理，通訊模塊基本上能實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)的保存在存儲(chǔ)變量中，在前面板中顯示出來(lái)，通過(guò)與單片機(jī)建立相對(duì)合理的通訊協(xié)議，來(lái)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。在通訊協(xié)議的設(shè)討中，為了保證通訊的可靠性采用了應(yīng)答式通訊【“I。以采集速度通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)為例，上位機(jī)向測(cè)功機(jī)系統(tǒng)發(fā)送字符S，單片機(jī)在接受串口數(shù)據(jù)s后，回復(fù)坤加上當(dāng)前采集的速度值，上位機(jī)只有在確認(rèn)接收到，后才可以將后面串口接收到的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)到變量里面，通過(guò)前面板顯示出來(lái)。如果沒(méi)有接受到字符坤，上位機(jī)將上次采樣得到的轉(zhuǎn)速做為這次的采樣值，而不對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在通訊協(xié)議中，為了確保通訊的可靠性，除了建立好的通訊協(xié)議以外信息校驗(yàn)也很關(guān)鍵，本程序中采用了CRC信息校驗(yàn)的方法，主機(jī)和從機(jī)應(yīng)用校驗(yàn)碼進(jìn)行發(fā)送和接收信息，判斷信息是否正確。計(jì)算步驟如下t381：(1)預(yù)置1個(gè)16位的寄存器為十六進(jìn)制FFFF(即全為1)，稱此寄存器為CRC寄存器。(2)把第一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(通信信息幀的第一個(gè)字節(jié))與16位的CRC寄存器的低8位相異或， 把結(jié)果放于CRC寄存器。匍圉碩士學(xué)位論文(3)把CRC寄存器的內(nèi)容右移一位(朝低位)用O填補(bǔ)最高位， 并檢查右移后的移出位。(4)如果移出位為0， 重復(fù)第3步(再次右移一位)； 如果移出位為l，CRC寄存器與多項(xiàng)式A001(1010 0000 0000 0001)進(jìn)行異或。(5)重復(fù)步驟3和步驟4， 直到右移8次， 這樣整個(gè)8位數(shù)據(jù)全部進(jìn)行了處理。(6)重復(fù)步驟2到步驟5， 進(jìn)行通信信息幀下一個(gè)字節(jié)的處理。(7)將該通信信息幀所有字節(jié)按上述步驟計(jì)算完成后， 得到的16位CRC寄存器的高、低字節(jié)進(jìn)行交換。(8)最后得到的CRC寄存器內(nèi)容即為CRC碼。圖57 CRC校驗(yàn)的LABVIEW程序?qū)崿F(xiàn)5242采集數(shù)據(jù)的處理通過(guò)串口通訊采集到的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)中進(jìn)行濾波處理以后才在前面板上顯示出來(lái)，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(tǒng)采用中值平均濾波法，就是將采集到的數(shù)據(jù)數(shù)組進(jìn)行順序排列，然后選取中間值，將中間值組成一個(gè)新的數(shù)組，求其平均值。將平均值做為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出。具體程序見(jiàn)圖58。此法對(duì)于偶然出現(xiàn)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(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。缺點(diǎn)就是比較浪費(fèi)系統(tǒng)的內(nèi)存，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。交流異步電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模圖58采集數(shù)據(jù)的濾波處理函數(shù)525報(bào)表處理模塊的設(shè)計(jì)LabVIEW Report Generation工具包通過(guò)ActiveX技術(shù)將Microsoft Word和Excel與LabVIEW集成開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)合起來(lái)，用于快速生成專業(yè)的報(bào)告，從而高效地表示出各種測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果。用戶可以移植、修改現(xiàn)有的報(bào)告模板，并使用標(biāo)準(zhǔn)的labview功能，擴(kuò)展該工具包的報(bào)告生成功能；通過(guò)運(yùn)行由VBA編寫(xiě)的宏代碼還可以進(jìn)一步自定義修改報(bào)告生成過(guò)程并自動(dòng)生成報(bào)告【371。由于本系統(tǒng)采用Excel輸出報(bào)表，所以本文主要介紹Excel格式報(bào)表的生成方法。首先新建一個(gè)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(shè)置report type屬性為Excel，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)LabVlEW利用ActiveX技術(shù)調(diào)用Microsoft Excel自動(dòng)化服務(wù)器，從而達(dá)到控$1JExc