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ACD系列交流底盤測功機的電控系統
底盤測功機是汽車、摩托車行業重要的試驗設備。以前一直要從國外全套進口。我所從2000年開始進行研制，經過幾年的努力，現已形成多種規格的ACD系列交流底盤測功機商品，推向市場后受到用戶的歡迎和好評。這里介紹我們開發的，以1336變頻器、SLC500系列PLC、DeviceNet總線為主要部件的交流底盤測功機電控系統，以期得到同行的指正。
一 底盤測功機的基本原理
底盤測功機的基本結構請參看圖1。試驗摩托車的后輪放在一個大轉鼓上，用轉鼓的表面代替路面，相對于車輛作旋轉運動。轉鼓軸端與測功機同軸相聯，構成測功機―轉鼓機組。試驗時測功機給轉鼓施加阻轉矩來模擬車輛在道路行駛時的阻力。摩托車前輪用“前輪夾持器”夾住，保證車輛前后不能移動左右不會傾倒。試驗車輛的正前方安放一個風機，用于冷卻車輛。冷卻風機的出口風速要求嚴格跟蹤車速（轉鼓表面線速度），其電控也是整個系統的一部分，通常由底盤測功機生產廠商配套提供。
試驗時車輛后輪帶動轉鼓-測功機旋轉。測功機提供阻轉矩，使車輛發動機受到的阻力等效于同等工況下在道路試驗中受到的阻力；風機的風速跟蹤車速，使車輛發動機（還有傳動箱、輪胎等）的冷卻條件與道路試驗等效。這樣車輛就可以在底盤測功機上模擬道路行駛。系統還配備了對速度、時間、距離、溫度、壓力、油耗等項目的測量環節，由計算機進行數據采集和控制。整個系統協調運轉，駕駛員在顯示器的提示下按照試驗要求駕駛車輛，這樣就可以在底盤測功機上進行車輛的性能試驗了。例如加速性能、最高車速、燃油消耗、工況排放（要另配排氣分析儀）等項目試驗。與室外道路試驗相比，在底盤測功機上進行車輛試驗具有安全、高效和重復性好的優點。
汽車用底盤測功機原理相同，也是驅動輪放在轉鼓上進行試驗。只是轉鼓寬，測功機功率大一些。
用于加載的測功機是最重要的部件。測功機（包括其控制系統）的形式、性能、精度直接決定了整套設備的性能和精度。可供利用的測功機主要有3種：電渦流測功機、直流測功機和交流測功機。從1960年代到1990年代直流測功機是電力測功機的主流。1990年代中期以后隨著變頻器技術的成熟與進步，交流測功機逐步取代直流測功機發展成為電力測功機的主流。
二 變頻器的選型
底盤測功機是一種試驗設備，要求的轉速、轉矩控制精度比一般生產設備高得多，因此其電控系統對變頻器的要求也比一般的生產設備嚴格得多，主要體現在：
1四象限運行
測功機既能提供驅動轉矩（電動運行）又能提供阻轉矩（發電運行），而且絕大部分時間運行在發電狀態。測功機發出的電通過變頻器回饋電網。
2 高精度轉速/轉矩控制 底盤測功機通常有三種運行模式：
2.1 ASR(Auto Speed Regulate ) 轉速自動控制。調速范圍＞200:1，精度優于0.1%。
2.2 ATR(Auto Torque Regulate ) 轉矩自動控制。轉矩調整范圍＞500:1 精度 0.5%
2.3 ALR(Auto Load Regulate ) 自動道路負荷控制。每一車輛的行駛阻力是車輛慣性質量、行駛速度、加速度、爬坡坡度角等變量的函數。測功機要按照設定的函數關系實時控制測功機的阻轉矩，使車輛在底盤測功機上試驗與在道路行駛試驗效果一樣。
我們分析怎樣用變頻器來實現上面3種運行模式：
ASR模式，對于工程型變頻器，只要加上編碼器反饋形成轉速閉環控制，很容易滿足要求。
ATR模式，精度要求太高，現有的各種變頻器，無論是矢量控制、直接轉矩控制（DTC）還是磁場定向技術（Force），用直接控制轉矩的方法都達不到0.5%的精度。各變頻器廠商給出的轉矩控制精度指標大體是：有編碼器反饋2%，無編碼器反饋5%。這樣精度對于大部分生產機械或許夠了，對于測功機還不行。要滿足測功機的轉矩控制精度要求，必須使用轉矩閉環控制。
ALR模式是ATR的擴展，要另外用一個稱作“道路阻力設定器”的單元來完成速度的實時測量和行駛阻力的計算，算出的結果作為轉矩指令下達給變頻器，變頻器控制測功機的轉矩輸出。
3 上述3種模式能在動態運行中平穩切換。
4 電磁干擾要小。底盤測功機電控系統里至少要有2臺變頻器，而且要向電網回饋電能。極易對周圍的電器造成干擾。實驗室周圍往往有許多其他儀器、試驗設備。因此變頻器的電磁兼容性一定要好。
我們根據上面的要求在市場上初選了4個品牌變頻器，經過進一步調查分析后選用了Lockwell AB公司的1336系列變頻器。
三 系統構成
參看圖2 。這是一個雙電機傳動系統。主回路中使用了整流回饋單元1336Regen；可將直流母線上的電能回饋電網，以保證測功機四象限運行。對于轉矩控制要求嚴格的測功機變頻器選用了具有Force技術的1336Impact，風機變頻器只有轉速控制，用了1336PlusⅡ。
整流回饋單元Regen設定在DCbus工作模式，測功機變頻器Impact和風機變頻器PlusⅡ與Regen共用直流母線，由Regen供/饋電。這樣的結構使測功機發出的電可以經過變頻器直流母線直接送到風機變頻器和驅動電機。
底盤測功機系統中的雙電機傳動系統有這樣一些特點：
1底盤測功機在正常做車輛試驗時，測功機總是提供阻轉矩處于發電狀態，風機電機總是提供驅動轉矩處于電動狀態；
2風機電機的轉速（成比例）跟蹤測功機轉速；
3兩臺電機有共同的轉速-轉矩特性：轉矩與轉速的平方成正比；
4兩臺電機的額定功率處于同一量級：（摩托車用）測功機22-55kW，風機電機30-55kW。
對于這樣的雙電機傳動系統而言，兩個電機共用直流母線無疑是最佳的方案。測功機發出的電功率大于/小于風機電機耗電功率時，只有差額部分通過整流回饋單元Regen自動向電網回饋/索取，電能大部分在系統內部通過直流母線交換，使整個系統與電網之間電能交換功率降至最小，對電網的污染也降至最低。眾所周知工作在PWM狀態下的變流器對電網會造成污染，向電網饋電比從電網用電污染更甚。我們實際測量了不同情況下系統直流母線的流向，進行摩托車試驗時，一般總是測功機發電功率小于風機電機耗電功率，向電網饋電的機會不多。當測功機和風機在高速大負荷運轉時整個設備的進線電流卻不大，這種現象引起客戶的關注繼而得到好評。
測功機是一種動態控制、測量動力機械轉速、轉矩的設備，安裝有高精度的轉角編碼器和轉矩測量裝置。為實現ASR轉速控制運行方式，在Impact上加裝了編碼器接口板L7E，測功機的編碼器通過L7E接入Impact構成轉速閉環，輕輕松松達到0.05%的調速精度。
再來看轉矩控制，變頻器里顯示的“轉矩”是根據電壓、電流、相位等電參數算出來的的“電機電磁轉矩”，與測功機實測出的“機械軸轉矩”相比，精度差得遠，達不到千分之幾的精度。再者無論變頻器內部各種控制環節如何復雜，從“變頻器-測功機”系統總體上看直接轉矩控制方式是“開環”的。因此直接利用變頻器轉矩控制功能是達不到測功機ATR工作方式精度要求的。測功機控制系統必需構成轉矩閉環控制，并且轉矩大小必須是用力學方法測量出來的機械軸轉矩。而不是用電參數算出來的電磁轉矩。
從自動控制理論我們知道構成閉環控制必須要有測量、反饋、調節器、執行器等幾個環節。測功機本體上已經安裝了高精度轉矩測量裝置，執行器就是變頻器和測功機，現在只缺少進行比較計算的調節器。可以用運算放大器構成硬件PID調節器，這是早期測功機控制系統的典型做法；也可以用計算機構成數字PID調節器，用軟件來實現，這種方法對計算機系統的實時性要求很高，容易與其它子系統爭奪系統資源，導致可靠性不高。我們為轉矩閉環問題頗費了一番心思，最后利用Impact內部的Ptrim功能構成了轉矩閉環。測功機轉矩信號通過Impact的Analog Input 1端口接入變頻器作為反饋信號，變頻器里的Ptrim環節包含一個PI調節器，用作轉矩調節器，通過設置、鏈接相關Parameter構成了轉矩閉環控制。這樣比前面說的方法簡單、可靠、效果好。測功機轉矩控制精度達到了0.5%，測功機動態特性良好，充分展示了交流測功機精度高和響應速度快的優良特性，為整套底盤測功機的高技術指標打下堅實的基礎。
底盤測功機是一種復雜的、自動化程度很高的設備，計算機、變頻器、PLC之間傳輸的信息不少。現在我們用AB公司的SLC500系列PLC做底層測量和控制，諸如互鎖、報警等均由PLC管理。試驗車輛的溫度、轉速等一些測量工作由Flex IO模塊擔當。PLC、變頻器、Flex IO通過DeviceNet網絡互連，主控計算機通過以太網線與PLC相連，這樣就組成了一個小小的內部網絡，各種指令、信息通過網絡傳輸。與我們早期的IO單線傳輸方式相比，使用DeviceNet網絡的測功機設備的特點是：
１設備內部連接電纜大大減少，現場安裝工作快捷。
２傳輸的信息量大了。
３傳輸的指令、信息精度高了。原來IO方式下轉速、轉矩指令經由計算機算出后要經過DA轉換板轉換成模擬電壓接入到變頻器的Analog Input端口，再由變頻器內部的AD轉換器轉換成數字量才能進行計算控制。本來計算機和變頻器里用的都是數字量，中間傳輸環節這么AD、DA的轉換兩次不但費事還人為的降低了精度加進了失真。
4 信號抗干擾能力提高了，原來的一些模擬信號線（例如轉速、轉矩指令）容易受到變頻器等外界干擾，現在用網絡傳輸，外界干擾影響少多了。
５ 造價提高了。DeviceNet需要通過PLC里的Scaner實現計算機和變頻器的信息傳輸，而低檔的PLC沒有Scaner 這就限制了用戶只能使用較為高檔的PLC；另外DeviceNet的原裝電纜、接頭價格不菲，這些都導致了成本的上升。
四 使用效果
底盤測功機的技術指標和可靠性主要取決于測功機-轉鼓機組和電控系統。對此我們采取的措施是：
測功機-轉鼓機組 采用我所具有完全知識產權的專利產品“外風冷全封閉式交流電力測功機”。精心設計制造的機械結構加上裝有高精度光電編碼器（轉速傳感器）和0.02級力傳感器（轉矩傳感器），從根本上保證了轉速轉矩的測量精度。
電控系統 以Lockwel AB公司的產品（1336系列變頻器、SLC500系列PLC、DeviceNet網絡）為基礎件，構成完善可靠的控制環節。
1336Impact變頻器的優良性能（轉速、轉矩控制精度）和豐富功能令人滿意，所需要的功能變頻器里幾乎都給準備好了，其精度大可完全放心。如果要建立一個復雜的高精度的電氣傳動系統，只要認真學習其原理，合理設置通道、建立信號鏈接，調整好信號通道的滿度系數、偏移量、通道帶寬等參數，就可望達到所期望的效果。
以Lockwell AB公司器件為主的ACD系列交流底盤測功機具有優異的技術指標和良好的可靠性，自主研發的測功機與1336Impact變頻器配合良好，相得益彰，整套設備的主要技術指標（轉矩靜校、轉矩動態控制精度、速度控制精度等）達到了工業發達國家同類產品的水平。
主要參考文獻
[1] Lockwell Automation：1336 IMPACT Adjustable Frequency AC Drive User Manual
[2] Lockwell Automation：1336 PLUSⅡ Adjustable Frequency AC Drive User Manual
[3] Lockwell Automation：1336 REGEN LineRegeneration Package User Manual
[4] 浙江大學羅克韋爾自動化實驗室：可編程控制器系統 浙江大學出版社 2002
[5] 余志生：汽車理論 機械工業出版社 1990
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號