1、湖南大学硕士学位论文全封闭交流异步电力测功机系统研究姓名：赵泉明申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：张桂香20050410硕士学位论文 I 摘 要 变速箱等传动机械是汽车和工程机械的关键设备，应用非常广泛,其性能直接影响到汽车、工程机械的动力性、经济性和可靠性。由于国内近年来汽车与工程机械发展迅速，对于变速箱性能测试的要求也不断提高。本文重点研究用于变速箱性能测试的全封闭交流异步电力测功机及其控制系统，在详细分析测功原理的基础上，深入研究了测功电机运行状态、数学模型及矢量控制基础理论、控制系统硬件设计、系统控制策略及软件实现等内容，完成全封闭交流异步电力测功机控制系统的开发。 本文以电力
2、测功机为中心，分析了测功系统工作原理及稳态工况下系统各主要转矩量之间的关系、测功电机运行状态。从异步电机矢量控制基本思想入手，详细讨论矢量控制调速原理，利用坐标变换得出测功电机不同坐标系下的数学模型与运动方程，实现异步测功机的转矩、磁链解耦控制，从而保证测功系统的动态响应能力。通过分析系统控制动态过程，提出以模糊控制器为核心的转速转矩闭环控制方案，具体研究了模糊控制器的组成、结构及其设计与实现，同时将底盘测功机模拟道路测试的方法引入到变速箱性能测试中，研究汽车道路行驶阻力的模拟，实现变速箱实验室模拟道路测试，以提高测试效率，缩短测试周期。 在硬件设计上，分析测功机系统组成原理及基本结构，给出了
3、以工业控制计算机为核心，转矩、转速、电流、电压等信号采集与处理电路为基础，变频器为主回路的信号检测、控制输出及系统保护的硬件原理及电路实现，讨论了测功系统电磁干扰源及抗干扰设计应采取的措施。在矢量控制基本原理的基础上，研究讨论了电机磁通观测、速度观测的原理及测功电机无速度传感器矢量控制系统的实现。 本文最后给出转矩标定、主控程序的原理框图，并利用LabVIEW虚拟仪器开发平台完成程序的设计，给出了程序主界面。通过一系列试验验证了基于矢量控制、模糊控制的测功系统具有满意的精度与动态响应能力。 关键词：交流异步电力测功机；变速箱；矢量控制；变频器；模糊控制；模拟道路测试；虚拟仪器 硕士学位论文 I
4、I Abstract The gearbox, one kind of transmission machines is a pivotal facility of automobile and engineering machine, and it is widely used. It directly affects the performance of dynamics, economy and reliability of automobile and engineering machine. Recently, with the development of the automobi
5、le industry, the request of performance test of gearbox is increasingly higher. Aiming at the performance test of gearbox, this paper studies on the energy-closed AC asynchronous electrical dynamometer and its control system. Based on the detailed analysis of operating principle of this system, this
6、 paper deeply researches the operating state of dynamometer, its mathematic model, the basic theory of vector control, the design of hardware, the strategy of control and its implementation of software. And the development of the control system of the electrical dynamometer is also completed. The op
7、erating principle and the relations among the main torques of electrical dynamometer system (EDS) are discussed, then the running state and conditions of the system function are analyzed. Based on the theory of vector control theory of AC asynchronous motor, this paper discusses the detail principle
8、 of vector controlled variable speed system. The different model and motion equations of electrical dynamometer are constructed through coordinate transformation. The torque and flux decoupling control are realized, As a result, the dynamic response performance of dynamometer system is guaranteed. T
9、hrough the analysis of dynamic control process, a speed and torque closed-loop control strategy is proposed that adopts the fuzzy control as the core, and the corresponding structure design and implementation are discussed. Then the conception of road test emulation on chassiss dynamometer is introd
10、uced, and the emulation of the road resistance is also studied, At last, the road test in lab is performed and the experimented results show that the efficiency of the performance test of gearbox. In the part of the hardware design of control system, the paper analyzes the principle of composing and
11、 its basic structure, gives the detailed circuit of the input signal detection, the output of control signal and the system safeguard which takes industry control computer as the core, the detection and process circuit such as torque, rotating speed, current, voltage signal as the base, and takes th
12、e inverters as 硕士学位论文 III the main loop. Then the source of electromagnetic interference and the measures to counteract it is discussed. Based on the principle of vector control theory, this paper researches the principle of flux observer and speed estimation, and the realization of sensorless speed
13、 vector controlled system of AC electrical dynamometer. At the end of the paper, the block diagrams of torque scale and main control program are given, and the interface of the program based on LabVIEW are also presented. A serial of experiment results show that the control system of EDS, which is b
14、ased on the vector control theory and Fuzzy control, possesses the satisfactory precision and dynamic performance. Key Words: AC asynchronous electrical dynamometer; Gearbox; Vector control theory; Inverter; Fuzzy control; Emulation of road test; Virtual instruments 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本
15、人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年
16、解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1.1 本文背景和传动机械测试技术发展状况 变速箱等传动机械是汽车与工程机械的关键设备，其性能直接影响到汽车、工程机械的动力性、经济性和可靠性。国家行业标准规定：新设计或有重大改进的变速箱定型生产，或进行产品质量考核时，要求对变速箱进行型式试验。随着国内汽车工业的迅速发展，对于汽车变速箱性能测试的要求也不断提高，为了掌握产品性能和保证产品质量，为产品开发和研究提供设计改进依据，必须研制适应高速、大中功率、低转动惯量、高稳定性与可靠性
17、的自动化变速箱测试系统。 目前汽车变速箱试验台按功率流的情况可分为开放功率流式（开式）和封闭功率流式（闭式）两大类1。汽车变速箱出厂试验一般需要进行长时间的齿轮疲劳（寿命）试验，开式试验台由于负载设备吸收的能量不能回收利用，消耗大量的能量，因此现在一般采用封闭式试验台。封闭功率流式试验台按能量回收方式的不同还可分为机械封闭式和电封闭式两大类。机械封闭式是指通过机械传动方式实现能量的回收；电封闭式是指通过将机械能转换成电能的方式实现能量回收利用，电封闭式相对于机械封闭式而言，具有结构简单、可靠性高、能量转换效率高以及回收方便等优点。变速箱试验台架一般包括三大部分：驱动设备、被测变速箱、加载设备。
18、其中，驱动设备为整套变速箱试验系统提供动力来源，拖动被测变速箱及加载设备；加载设备为变速箱提供模拟负载，通过控制驱动设备和负载设备可以模拟变速箱的真实工况。变速箱试验系统如图1.1所示。 被测变速箱负载设备驱动设备能量传递方向图1.1变速箱试验系统组成 变速箱试验系统采用的驱动设备一般有内燃机、直流电动机和交流电动机等；负载设备一般有水力测功机、电涡流测功机、直流电力测功机和交流电力测功机几大类。早期一般采用内燃机驱动，水力测功机作为负载设备消耗功率。发动机转速及测功机负荷调节完全靠手工操作来完成；转矩的测量是借助于加载磅锤的偏转所形成的反向力矩，由偏转的指针在表盘上对应的读数来反映转矩的大小
19、，用这种完全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。因此，在计算机技术和电子技术广泛应用之前，大多数生产厂家和科研机构进行传动机械测试试验时，测试参数都是采用人工记录，并由人工进行相应的数据处理，整理成数据表格，然后进行试验曲线绘制。这样全封闭交流异步电力测功机系统研究 2 的测试手段必然导致试验和开发周期较长，人工环节较多而导致原始数据记录和数据处理误差较大等缺点，很难满足自动化测试和研究的要求，无法实现功率流封闭试验、能量不能回收，效率低、控制精度差、响应速度慢2。 直流电机具有优良的调速性能，早期的变速箱测试系统多采用直流电机作为驱动电机和负载
20、设备，驱动电机工作在电动机状态，负载电机工作在发电机状态，可以方便的实现功率流电封闭试验3。对驱动电机进行恒转速控制，通过速度闭环保证电机迅速、准确地跟踪速度给定值，并使电机转速不受电网电压波动和负载波动的影响；同时对负载电机进行恒转矩控制，采用调磁加载、直流环流型能量回输原理，通过调节给定电压，控制电机运行状态和转矩输出。实验中调速、加载相互独立，互不影响，且随着计算机、自动化技术发展，该系统能很方便地实现计算机辅助测试和自动控制，具有较高的自动化程度，由于直流电机的有刷结构，存在结构复杂、速度受限、难以维护等固有缺点。 近年来，测试技术与现代动力工程技术飞速发展，许多国外厂商和研究机构都非
21、常重视发展和完善各种先进的测试技术，大大推动了测功机等测试系统的发展。随着电子技术、传感器技术、计算机技术和控制技术的推广与应用，以前采用人工采集处理测试数据、手工绘制曲线和人工操作控制发动机及能耗装置等测试技术手段正被计算机自动测控系统所代替，测量和控制精度、可靠性、稳定性和灵活性都有了很大提高。 目前，许多国外研究机构和生产厂家基本上都有先进的传动设备测试系统，以AVL公司的APA系列、德国SCHENCK公司的HT、LI系列产品为代表，基本实现了系统自动控制，有较好的综合性能，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。 1.2 国内外常用负载(测功)设备
22、的现状与发展 测功机是动力机械与传动机械性能测试的重要设备，作为被测试设备的模拟负载,通过控制测功机可以改变被测试设备的负载及转速，从而形成测试所需要的工况，近似模拟设备的正常工况，并对功率、效率、转矩和转速等多项性能指标进行测试，从而测定被测设备在各种不同负荷及转速情况下的性能指标。由此可见，测功机及其控制系统的研究与发展在动力及传动机械测试中尤为重要。 测功机最早应用于发动机等动力机械的性能测试上，下文介绍测功机时主要针对发动机测试而言，与其应用于变速箱测试系统中的情况类似。国内外常用的测功机按耗能方式的不同可以分为功率吸收型和功率传递型两大类。 功率吸收型测功机是指测功机加载器为制动器的
23、一种测功机。制动器对原动机产生制动转矩，吸收被测原动机输出的能量，一般转换为热能，如水力测功机、电涡流测功机等。这类测功机的优点是：结构简单，转矩的调节控制也简单。由硕士学位论文 3 于原动机的输出能量全部转换为热能消耗，测功机体积较大，或者需要宠大的水冷却设备来转移热量。 功率传递型测功机如电力测功机等，它将被测动力机械传递的能量转换成电能，通过负载电阻消耗或整流逆变回馈电网，可以降低测功机本体的发热，提高测功机的测试功率。 下面分别介绍几种常用测功机的原理。 1.2.1 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
24、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。目前，主要采取如下措施解决其工作不稳定的问题： 采用闭环控制发动机的油门或风门来控制发动机的转速； 采用闭环控制测功机水门来控制测功机的制动扭矩； 采用水力测功机的工作介质与冷却介质分离的方法（
25、双介质法）。把前两种方法结合起来，采用双闭环控制测功系统转速和扭矩是当今世界水力测功机的先进控制方法4。 1.2.2 电涡流测功机 电涡流测功机是利用电涡流制动原理工作的，它通过对转子的制动达到吸收原动机输出能量的目的5。 电涡流测功机主要由旋转部分（感应盘）和摆动部分（电枢和励磁绕组）组成。感应盘形状犹如直齿轮，产生涡流的地方是冷却室壁，当给励磁绕组通上直流电后，围绕励磁绕组产生一个闭合磁通。当感应盘被原动机拖动旋转时，气隙磁通随感应盘的旋转而发生周期变化，由此，在冷却室壁的表面及一定的深度范围内将产生涡流电势，并产生涡流，该涡流所产生的磁场又与气隙磁场相互作用，从而产生制动转矩6。 电涡流
26、测功机具有低惯量、高精度、高稳定性和结构简单、维修方便等特点，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，性能可靠，是目前各内燃机制造厂主要使用的测功机之一。由于其良好的控制性、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设计开发和性能试验。此外，它也适用于发动机零部件的开发研究试验，汽车风全封闭交流异步电力测功机系统研究 4 阻、变速器、后轮轴的模拟试验及完整的传动系统模拟实验等。但是，传统的电涡流测功机控制与测试技术水平偏低。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率，将其全部转化为热能消耗而不能回收，测功机体积虽小，但需要宠
27、大的配套冷却设施，不利于环保和节能7,8。 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，按转矩的测量方式不同可以分为普通电力测功机和平衡式电力测功机。其中普通型与一般电机结构相同，通过专用的转矩传感器测量动力机械输出转矩；平衡式电力测功机与一般电机有所区别，定子及其外壳不是固定在电机支座上，而是通过滚动轴承浮动支撑在支座上，从而可以小角度自由摆动。根据电机电磁转矩平衡的原理，原动机输出轴的转矩可以通过连接定子机壳与支座的拉力传感器测出，故称为平衡式电力测功机。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9,10。 1.2.3.1 直流电力
28、测功机 如前文提到文献3研究的系统属于直流电力测功机的一种，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11,12。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13。 1.2.3.2 交流电力测功机 交流电力测功机按照电机类型的不同又可以分为同
29、步电力测功机和异步电力测功机两大类。 交流同步电力测功机系统原理如图1.2所示。 同步方案测功电机采用绕线式异步电机。由发动机直接驱动测功电机在发电机状态下运行，K1、K3断开K2闭合，提供直流励磁电流给测功机转子，作同步发电机运行方式，定子发电产生电能由电阻负载消耗或由整流、逆变系统回馈电网。在K2断开，K1、 K3闭合时，测功机可作为具有启动电阻R的三相绕线式异步电动机运行，可用于发动机冷磨合试验。交流同步测功机转矩控制可以通过调节励磁电流和负载电阻来实现，测功机本体发热较低，功率范围较大，操作简单，使用方便。由于具有电刷、滑环及其绕线式的转子结构，测功机运行速度受到限硕士学位论文 5 制
30、。 测功电机整流器逆变器可控整流K1K2K3被测发动机R图1.2 交流同步电力测功机系统原理图 交流异步电力测功机系统原理如图1.3所示： 逆变器测功机整流器回馈逆变被测发动机图1.3 交流异步电力测功机系统原理图 异步方案测功机采用鼠笼式交流异步电机，定子三相绕组和三相变频电源连接，当三相变频电源驱动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，通过输出给大功率电阻消耗或者回
31、馈电网。 在国外研制或生产的电力测功机系统中，以AVL公司的APA系列、德国SCHENCK公司的HT、LI系列产品为代表，基本实现了测功机系统的自动控制，有较好的综合性能，并取得了良好的经济效益，但价格昂贵，在国内的应用不多14。 与国内目前应用较多的各类水力测功机及电涡流测功机相比，交流电力测功机测功范围宽，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，电能回收率可达80%15；与水力测功机相比，它无需宠大的配套冷却设备，试验场地干净，转矩控制响应迅速、测量精度高；与直流电力测功机相比，结构简单、占用空间小、易保养、成本低、转速高。因此，目前受到国内外的广泛关注，并已应用于发动机、汽
32、车底盘、电动机、汽车变速箱、减速器和其它传动装置的性能测试16,17,18。 我国于七十年代开始进行交流电力测功机的研究，其中采用的测功电机均为绕线式异步电机。湖南大学于1974年开始研究交流电力测功机，在异步方案的基全封闭交流异步电力测功机系统研究 6 础上研制成功一批交流同步电力测功机。这些致力于低成本高性能的测功机系统所做的研究，为我国形成交流测功机产业，减少对国外产品的依赖，发展民族工业具有积极意义19。 由于绕线式异步电机和传统的同步发电机采用的都是绕线式的转子结构，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。针对以上问题，本课题采鼠笼式异步电机，具有结
33、构简单、牢固可靠、成本较低，维修方便、高速性能好的优点。同时，随着变频器技术的发展与成熟，极大的提高了异步电机的调速性能，使得交流异步电力测功机成为电力测功机中的主流产品，并广泛应用于发动机、电动机、变速箱等设备的性能测试中。 1.3 本文涉及的基本问题和研究对策 1.3.1 全封闭交流异步电力测功机系统的基本组成 变速箱是汽车的主要部件，其质量直接关系到汽车的重要性能指标，目前已广泛采用模拟技术，即在试验室内，采用专门的实验装置和控制方式，模拟被测试装置或部件的实际工作条件，并同时检测和记录被测试件在整个试验过程中的各种数据，根据试验结果判断被测试件是否满足要求，及影响原因与解决办法，以改进
34、和优化产品质量。本文的主要内容正是针对变速箱性能测试平台测功机系统的研究，在前文分析、对比各种测试系统方案的基础上，本文采用全封闭交流异步电力测功机系统方案，本方案是一种基于直流环节电封闭的变速箱测试系统，主要包括两台测功电机，其中一台为拖动电机，工作在电动机状态，为测试系统提供原动力，另一台为负载电机，工作在发电机状态，为测试系统提供模拟负载，同时将能量回馈两台变频器公共的直流母线，实现功率流全封闭，达到节能的目的。直流环节能量回馈具有实现简单、不存在交流回馈方式中电网谐波污染的问题。全封闭电力测功机系统基本组成部分如图1.4所示。 负载电机被测变速箱驱动电机矢量控制变 频 器矢量控制变 频
35、 器测试、控制计算机（AC6112）IInTTTPN电能机械能图1.4 全封闭交流异步电力测功机基本组成部分 硕士学位论文 7 测功机系统基本组成功能模块包括：两台交流异步测功电机及其控制变频器、各种传感器与信号调理模块、信号采集与控制模块（A/D、D/A、DIO）、控制计算机与控制软件等，测功机系统通过计算机管理与协调其运行状态。 测功机系统按组成可分为硬件与软件两大部分，其中硬件部分是以控制计算机为核心，由信号检测与控制两大子系统组成，以两台交流异步电力测功机为控制对象，两台变频器为电力测功机的控制机构。信号检测子系统主要包括各种传感器、信号调理模块、位于控制计算机内部的AC6112多功能
36、卡的信号采集部分（A/D、DI），主要实现对测功机系统的转速、转矩、电压、电流及温度等物理量的测量，获得测功机的运行工况；控制子系统主要包括变频器、计算机串行口及位于计算机内部的AC6112卡的数字量与模拟量输出部分（D/A、DO），主要实现对测功机系统中驱动电机与负载电机的运行控制。软件部分主要完成信号采集、标度变换、控制算法、数据处理与保存、报警与保护等任务。测功机系统运行时，各物理量通过传感器检测，信号调理模块处理，送到AC6112卡的信号输入端，软件通过读取AC6112卡来获得测功机系统当前工作状况，通过一定的控制算法控制变频器，从而改变驱动电机与负载电机的运行状态。测功机系统正常工作
37、时，主变频器工作在主动模式，实现对电机的恒转速控制，驱动电机工作在电动机状态；从变频器工作在从动模式，实现对电机的恒转矩控制，负载电机工作在发电机状态。 1.3.2 电力测功机系统的数学模型分析 在进行测功系统研究时，首先要认识实际系统各部分的运动规律、各物理量之间的关系以便于分析和设计。因此，必须建立系统主要物理量变化规律的数学模型。本文首先分析测功系统的工作原理，围绕测功系统运行时，驱动电机与负载电机定、转子上各转矩之间的定量关系进行详细的讨论，在此基础上，进一步对测功电机模型进行深入的研究。 平衡式测功电机是测功系统中一个十分重要的装置，本文讨论了异步电机的工作原理和几种不同的运行状态，
38、在详细研究了异步电机矢量控制基本原理与数学模型的基础上，推导出测功电机的电压方程、磁链方程与运动方程，从而给实际应用带来理论指导。 1.3.3 电力测功机测试及控制系统硬件设计 测功机测试及控制系统硬件主要包括：转矩、转速、温度、电压与电流等传感器及相应的信号调理电路、AC6112信号采集与输出控制卡、工业控制计算机、变频器等部分。各信号检测处理电路是测功控制系统的重要组成部分，硬件电路设计是否合理直接关系到整个测功系统运行的可靠性和控制系统的控制品质。 测功电机与变频器运行时是一个强磁干扰源，对信号检测的干扰十分严重。全封闭交流异步电力测功机系统研究 8 各种干扰源会随着被测信号进入测试系统
39、，导致测试系统的准确度降低，甚至无法完成对信号的检测；另外，如果传感器和模拟检测电路部分“共地”，则由此引入的共模干扰或各通道之间的串扰也会引起测控系统的不稳定。因此，必须采取适当的措施使信号源与模拟输入电路之间不共地，从而切断共模干扰的回路，即设法将干扰源与测量系统隔离，仅允许被测信号进入测量系统，提高测量系统的稳定性和准确性。 对于重要信号的处理电路，本系统均采用线性光耦元件使测量系统与现场信号完全隔离，放大电路采用高性能仪用放大器，并设计了硬件滤波电路以提高系统的抗干扰能力。 1.3.4 测功系统控制策略及软件设计 在对测功系统数学模型分析的基础上，将基于电压型逆变器的无速度传感器的矢量
40、控制应用于测功电机的控制上，详细讨论了矢量控制磁通观测、电流控制及转速观测的方法与实现，实现高性能的驱动与负载电机矢量控制。在系统转速转矩闭环控制中，采用模糊控制方法，实现系统在不同测试工况下对给定转速转矩特性的精确跟踪。吸收底盘式汽车性能测功系统的路况模拟方法，对变速箱实现电模拟道路行驶阻力测试，从而在一定程度上可以取代变速箱装车路试的过程，提高变速箱测试效率，减轻测试劳动强度。并可以方便的设定不同速度转矩特性曲线，从而实现变速箱不同型号或不同项目的测试实验。 软件系统方面，将虚拟仪器技术LabVIEW软件应用于测功机系统测试软件的开发，同时以转矩测试为例，讨论了信号软件处理、传感器及处理电
41、路静态标定的方法与实现；利用USS串行通讯，实现了计算机与变频器之间的数据交换，从而可以实时控制变频器运行状态并获取当前工况；最后给出测试系统主控程序的流程框图及主界面，完成了程序的设计开发。 1.4 本文的课题来源及主要内容安排 本文研究课题是以机械与汽车工程学院承担的实际项目“汽车变速箱自动化测试系统”为研究背景，具有实际的工程意义和应用价值。根据作者的开发实践与心得，从该系统的技术理论基础、硬件和软件开发等方面进行全面阐述。本文的结构和主要研究内容安排如下： 第一章绪论阐述了本文的研究背景、国内外传动机械与发动机测试的发展和现状，及其现实意义；讨论了动力机械与传动设备性能测试中最重要的设
42、备测功机的分类及比较，以及其控制技术在国内外的发展和研究状况，重点讨论了本文研究的交流电力测功机的特点、测功方案和系统组成原理。最后，对本文研究的主要内容、重点难点以及研究对策等方面详细地进行了总体概述，提出了论硕士学位论文 9 文研究背景、意义和课题来源。 第二章详细讨论了测功系统的两个重点内容：测功系统工作原理、矢量控制基本理论及系统数学模型的建立。首先，详细分析了测功系统内部各转矩量之间的关系，研究了测功系统的工作原理；然后，分析异步电机的工作原理及运行状态，研究异步电机矢量控制基本原理，并建立矢量控制异步电机数学模型及测功机系统数学模型与运动方程。找出了测功系统转速、转矩与其相关量，以
43、及系统控制量与调节量之间的关系，由此奠定了整个测功控制系统控制策略分析和实现的理论基础。 第三章将电子、电力电子技术应用于工程实践，详细讨论了测功机系统检测、控制系统的硬件实现，根据作者的实际经验给出了各主要电路的设计方法及具体的原理图，并针对该系统的特点，具体提出了提高控制系统精度和稳定性及抗干扰的措施。 第四章建立在前文对测功系统工作原理分析、矢量控制基本原理与数学模型的研究及测试系统硬件实现的基础上，详细讨论了测功电机的无速度传感器矢量控制的实现；采用模糊控制实现系统转速转矩闭环控制；参考底盘测功机模拟道路测试原理的基础上，讨论测试系统不同转速转矩特性跟踪及电模拟的原理，研究变速箱测试系
44、统模拟道路测试的实现。基于LabVIEW软件平台，实现传感器静态标定、计算机与变频器的USS串行通讯、测试系统主控程序的设计。 第五章在系统实现的基础上，进行了测功系统参数校核试验、转速转矩动态响应和稳定性实验，并进行了结果分析。 全封闭交流异步电力测功机系统研究 10 第2章 电力测功系统原理与理论分析 交流异步电力测功机系统属于多学科交叉领域，涉及到机械传动、电机学、电力电子技术、计算机软硬件和自动控制领域的理论和知识。本文从工程实践出发，根据传动机械性能测试的要求，将主要工作集中在测功系统的测功原理、系统数学模型、测功机运行时内部变量分析和电力测功机控制系统软、硬件的研究及实现上。 本章
45、主要介绍测功机系统组成、测功原理、稳态转矩分析、交流异步电机运行状态及矢量控制理论分析与数学模型等内容。 2.1 测功系统工作原理分析 由前文介绍已知，本文研究的电力测功机应用于变速箱等传动机械测试运行时，驱动电机工作于电动机状态，拖动变速箱及负载电机；负载电机工作于发电机状态，用来吸收变速箱输出轴传递的能量，将变速箱输出的机械能转换成电能，回馈变频器的公共直流母线。通过适当控制两台测功电机的运行状况，来改变被测试传动机械的负荷及转速，可以使测功机及被测试机械稳定运行在测试所需工况，同时测量传动机械该工作点输出转矩、输出功率及传动效率。 常见的测功方法有电功率测定法和转速转矩测定法。 其中电功
46、率测定法通过检测电力测功机系统的电压、电流以直接测定其输出电功率。但由于电机的效率受外界负荷、转速、温度以及电机参数受温度变化等因素影响较大，所以必须采用曲线校正的方法来测定电机轴输入功率，使得该方法的试验工作复杂化、测量结果不准确，因此应用较少。 另一种方法就是通过测定电机或被测试机械输出轴的转速和转矩，根据如下公式计算输出功率9。 9550nMP = （2.1） 其中 P 表示功率（kW）， M 表示转矩（Nm）， n表示转速（r/min）。转速测量较容易实现，可以用测速发电机、光电编码器或电磁传感器等手段测量，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
47、专用的转矩传感器，如转矩转速仪、转矩法兰等。由于转矩传感器通常价格昂贵，安装精度要求高，结构复杂，本文采用另一种转矩测量方法。根据电机电磁转矩平衡原理，将电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。分别测得驱动电机和负载电机的功率，又可以得到被测传动机械的传动效率。这种转矩测试方法结构示意图如图2.1所示。 硕士学位论文 11 拉力传感器机壳定子转子支座REMSEMF图2.1 反向转矩测定法结构示意图 图2.1中的符号代表的意义如下： F ： 电机定子外壳与电机支座之间的拉力； REM：作用在电机转子上的电磁转矩；
48、 SEM：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支座上，转子通过转子轴承支撑在定子端盖上，定子外壳通过定子轴承浮动地支撑在电机支座上，因而定子外壳可以小角度自由摆动。定子外壳与电机支座之间的拉力用拉力传感器相连接。由于定子用轴承浮动支撑，因此拉力传感器可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，测定数据可靠，因此被广泛采用。 2.2 测功机系统稳态运行转矩分析10 如前所述，本
49、文所述电力测功机系统采用“鼠笼式摇篮形电机”是将电机定子及其外壳浮置，通过测量浮置定子外壳的反向转矩来测得驱动电机的输出转矩和负载电机的负载转矩及相应的功率。实际变速箱测试时，变速箱在速度与转矩传递上相当于一个比例环节，为了便于从原理上的分析，现假定被测试变速箱传动比为1，且传动效率为100%，即相当于联轴器直接联接，同时假定驱动电机转子按顺时针方向旋转。因此，变速箱输出轴转向与输入轴相同且输出转矩与输入转矩相等，负载电机转子也相应的按顺时针方向旋转。实际的变速箱测试时，由于变速箱传动比和效率的原因，变速箱的输入、输出转速和转矩都需适当考虑。以下分别是驱动电机和负载电机稳态运行时定、转子上的各种转矩分析。 2.2.1 驱动电机稳态运行转矩分析 驱动电机正常运行时处于电动运行状态，定、转子上转矩分别如图2.2中（a）（b）所示。 全封闭交流异步电力测功机系统研究 12 机壳定子转子nSEMREMWMWMRBMSBMDMPMnRBMREMa） b） 图2.2 驱动电机电动运行状态时的稳态转矩分析示意图 图2.2中的符号代表的意义如下： DM：拉力传感器作用在定子外壳上的平衡转矩，即所
