羅克韋爾自動化 ACD系列交流底盤測功機的電控系統(tǒng)

底盤測功機是汽車、摩托車行業(yè)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(jīng)過幾年的努力，現(xiàn)已形成多種規(guī)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(fā)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(tǒng)，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(lián)，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(tǒng)的一部分，通常由底盤測功機生產(chǎn)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(fā)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(fā)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(tǒng)還配備了對速度、時間、距離、溫度、壓力、油耗等項目的測量環(huán)節(jié)，由計算機進行數(shù)據(jù)采集和控制。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)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(yōu)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(tǒng)）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(fā)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(chǎn)設備高得多，因此其電控系統(tǒng)對變頻器的要求也比一般的生產(chǎn)設備嚴格得多，主要體現(xiàn)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(fā)電運行），而且絕大部分時間運行在發(fā)電狀態(tài)。測功機發(fā)出的電通過變頻器回饋電網(wǎng)。
　　 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(diào)速范圍＞200:1，精度優(yōu)于0.1%。
　　2.2 ATR(Auto Torque Regulate ) 轉矩自動控制。轉矩調(diào)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(zhì)量、行駛速度、加速度、爬坡坡度角等變量的函數(shù)。測功機要按照設定的函數(shù)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(xiàn)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(huán)控制，很容易滿足要求。
　　ATR模式，精度要求太高，現(xiàn)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(chǎn)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(huán)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(tài)運行中平穩(wěn)切換。
　　4 電磁干擾要小。底盤測功機電控系統(tǒng)里至少要有2臺變頻器，而且要向電網(wǎng)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(jù)上面的要求在市場上初選了4個品牌變頻器，經(jīng)過進一步調(diào)查分析后選用了Lockwell AB公司的1336系列變頻器。
　　三 系統(tǒng)構成
　　 參看圖2 。這是一個雙電機傳動系統(tǒng)。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(wǎng)，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(fā)出的電可以經(jīng)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(tǒng)中的雙電機傳動系統(tǒng)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(fā)電狀態(tài)，風機電機總是提供驅動轉矩處于電動狀態(tài)；
　　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(tǒng)而言，兩個電機共用直流母線無疑是最佳的方案。測功機發(fā)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(wǎng)回饋/索取，電能大部分在系統(tǒng)內(nèi)部通過直流母線交換，使整個系統(tǒng)與電網(wǎng)之間電能交換功率降至最小，對電網(wǎng)的污染也降至最低。眾所周知工作在PWM狀態(tài)下的變流器對電網(wǎng)會造成污染，向電網(wǎng)饋電比從電網(wǎng)用電污染更甚。我們實際測量了不同情況下系統(tǒng)直流母線的流向，進行摩托車試驗時，一般總是測功機發(fā)電功率小于風機電機耗電功率，向電網(wǎng)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(xiàn)象引起客戶的關注繼而得到好評。
　　 測功機是一種動態(tài)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(xiàn)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(huán)，輕輕松松達到0.05%的調(diào)速精度。
　　再來看轉矩控制，變頻器里顯示的“轉矩”是根據(jù)電壓、電流、相位等電參數(shù)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(nèi)部各種控制環(huán)節(jié)如何復雜，從“變頻器-測功機”系統(tǒng)總體上看直接轉矩控制方式是“開環(huán)”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(tǒng)必需構成轉矩閉環(huán)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(shù)算出來的電磁轉矩。
　　從自動控制理論我們知道構成閉環(huán)控制必須要有測量、反饋、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等幾個環(huán)節(jié)。測功機本體上已經(jīng)安裝了高精度轉矩測量裝置，執(zhí)行器就是變頻器和測功機，現(xiàn)在只缺少進行比較計算的調(diào)節(jié)器。可以用運算放大器構成硬件PID調(diào)節(jié)器，這是早期測功機控制系統(tǒng)的典型做法；也可以用計算機構成數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，用軟件來實現(xiàn)，這種方法對計算機系統(tǒng)的實時性要求很高，容易與其它子系統(tǒng)爭奪系統(tǒng)資源，導致可靠性不高。我們?yōu)檗D矩閉環(huán)問題頗費了一番心思，最后利用Impact內(nèi)部的Ptrim功能構成了轉矩閉環(huán)。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(huán)節(jié)包含一個PI調(diào)節(jié)器，用作轉矩調(diào)節(jié)器，通過設置、鏈接相關Parameter構成了轉矩閉環(huán)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(tài)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(yōu)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?shù)男畔⒉簧佟，F(xiàn)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(wǎng)絡互連，主控計算機通過以太網(wǎng)線與PLC相連，這樣就組成了一個小小的內(nèi)部網(wǎng)絡，各種指令、信息通過網(wǎng)絡傳輸。與我們早期的IO單線傳輸方式相比，使用DeviceNet網(wǎng)絡的測功機設備的特點是：
　　１設備內(nèi)部連接電纜大大減少，現(xiàn)場安裝工作快捷。
　　２傳輸?shù)男畔⒘看罅恕?BR>　　３傳輸?shù)闹噶睢⑿畔⒕雀吡恕Ｔ瓉鞩O方式下轉速、轉矩指令經(jīng)由計算機算出后要經(jīng)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(nèi)部的AD轉換器轉換成數(shù)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(shù)字量，中間傳輸環(huán)節(jié)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(xiàn)在用網(wǎng)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(xiàn)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(tǒng)。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(chǎn)權的專利產(chǎn)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(tǒng) 以Lockwel AB公司的產(chǎn)品（1336系列變頻器、SLC500系列PLC、DeviceNet網(wǎng)絡）為基礎件，構成完善可靠的控制環(huán)節(jié)。
　　1336Impact變頻器的優(yōu)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(tǒng)，只要認真學習其原理，合理設置通道、建立信號鏈接，調(diào)整好信號通道的滿度系數(shù)、偏移量、通道帶寬等參數(shù)，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(yōu)異的技術指標和良好的可靠性，自主研發(fā)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(tài)控制精度、速度控制精度等）達到了工業(yè)發(fā)達國家同類產(chǎn)品的水平。