專利名稱：：無刷直流電力測功機的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明無刷直流電力測功機涉及一種直流電力測功機。
背景技術：
：目前我國汽車工業(yè)正在突飛猛進地發(fā)展，而做發(fā)動機排放試驗必須使用電力測功機，而水力測功機和電渦流測功機無法滿足工況法排放試驗的需要，因此電力測功機具有很廣闊的應用市場前景。電力測功機目前國內幾乎無法獨立生產，大部分依賴進口；電力測功機有直流測功機和交流測功機兩大類型，傳統的直流測功機是普通的有刷直流電機，此類測功機由于轉子裝有電樞，體積大，轉動慣量大，極限轉速不高，制造成本和性價比不高。
發(fā)明內容本發(fā)明無刷直流電力測功機的目的是提出一種成本低廉，體積小，適合復雜環(huán)境使用的直流電力測功)機。本發(fā)明無刷直流電力測功機由電機機械部分和系統部分構成；電機機械與無刷直流電動機類似，其特征在于普通的無刷直流電動機只有一套轉動軸承,用于轉子旋轉，而無刷直流測功機主機部分由雙組軸承組成,其中一組軸承是用于轉子高速旋轉的轉動軸承，此軸承最高轉速為10000r/min，依靠高速潤滑脂來潤滑；另一組軸承為擺動軸承，軸承的外圓和測功機的外殼定子聯接，這樣測功機的定子部分也可以轉動，在實際使用時，測功機的外殼并不轉動，在殼體一側伸出一搖臂，在搖臂的下端安裝拉壓力傳感器,此力傳感器用于檢測被試動力機械的轉矩,轉矩的精度可以通過一套校正裝置來標定。所述拉壓力傳感器可以測量雙向作用力即可以測量向上的拉力也可以測量向下的壓力，力的方向可以通過儀表的顯示符號來識別(向下壓力為正，向上拉力為負)。由于測功機在實際運轉工程中，存在振動,振動來源可能是原動力機械也可能來源于測功機本身，因此在拉壓力傳感器連接端增加一套減振機構，使檢測的力顯示波動小，便于讀數。此外,拉壓力傳感器可以有效避免力的沖擊而損壞，從而提高系統的可靠性。無刷直流測功機的輸出軸兩端配置法蘭盤,便于和被試原動機連接。而測功機水平安裝在鐵地板上或水坭機座上。本發(fā)明直流電力測功機系統部分主要三大部分組成；它們分別是單片機系統部分、無刷直流電動機專用集成電路LM621及驅動、交直流電力變流裝置。本發(fā)明無刷直流電力測功機的控制核心是以單片機微處理系統及專用電機驅動芯片LM621，通過軟件編程完成復雜及多種方式的控制功能，從而很好地滿足用戶多種需求。本發(fā)明無刷直流電力測功機，由于電機部分采用無刷機構，與普通的直流測功機相比具有結構簡單，無易損件，維修保養(yǎng)簡單方便。再者，控制部分采用高性能的單片機系統及成熟專用集成電路技術，可靠性有了充分的物質保障，控制性能優(yōu)異。好的技術再加上精細的工藝，系統經過長時間運行，證明系統有良好的可靠性。圖1本發(fā)明無刷直流電力測功機位置式PID控制算法程序框圖。具體實施例方式本發(fā)明無刷直流電力測功機由電機機械部分和系統部分構成。一、本發(fā)明無刷直流電力測功機電機機械部分無刷直流測功機主機部分由雙組軸承組成，其中一組軸承是用于轉子高速旋轉的轉動軸承，此軸承最高轉速為1000(k/min,依靠高速潤滑脂來潤滑；另一組軸承為擺動軸承，軸承的外圓和測功機的外殼定子聯接，這樣測功機的定子部分也可以轉動，在實際使用時，測功機的外殼并不轉動，在殼體一側伸出一搖臂,在搖臂的下端安裝拉壓力傳感器,此力傳感器用于檢測被試動力機械的轉矩，轉矩的精度可以通過一套校正裝置來標定。所述拉壓力傳感器可以測量雙向作用力即可以測量向上的拉力也可以測量向下的壓力，力的方向可以通過儀表的顯示符號來識別(向下壓力為正，向上拉力為負)。由于測功機在實際運轉工程中，存在振動，振動來源可能是原動力機械也可能來源于測功機本身，因此在拉壓力傳感器連接端增加一套減振機構,使檢測的力顯示波動小,便于讀數。此外,拉壓力傳感器可以有效避免力的沖擊而損壞，從而提高系統的可靠性。無刷直流測功機的輸出軸兩端配置法蘭盤,便于和被試原動機連接。而測功機水平安裝在鐵地板上或水坭機座上。二、本發(fā)明無刷直流電力測功機系統部分①單片機系統部分直流電力測功機系統是以微處理器MCU為核心組成的復雜的測控系統,它主要任務有完成轉速、扭矩、溫度、壓力及功率的測量和顯示。完成測功機的閉環(huán)控制。完成測功機的機械、電氣安全保護功能，出現異常時及時輸出保護并提示報警。通訊功能,和外圍設備的交互功能。可以通過UART口和上微機進行通訊，以便和臺架系統完成自動工況試驗。本發(fā)明可采用單片機MSC1210，該微處理器資源豐富，具有很強大的功能，特別適合本系統技術要求；它有2個UART口，允許在系統中編程,通過DOWNLOAD下載程序軟件，無需專門的編程器修改程序,可用KEIL或MEDWIN集成開發(fā)環(huán)境來進行軟件調試。下面將重點介紹數字PID控制器。將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量,用這一控制量對被控對象進行控制,這樣的控制器稱PID控制器。PID控制器是控制系統中技術比較成熟而且應用最廣泛的一種控制器。它的結構簡單,參數容易調整,不需要精確的數學模型，因此在工業(yè)中應用非常廣泛。▲模擬PID控制器在傳統的模擬控制系統中，設給定轉速為m(t)，實際轉速為n。(t)，差值e(t)e(t)=ni(t)一no(t)e(t)作為PID控制器輸入,u(t)作為PID控制器的輸出，則模擬PID控制輸出為u(t)=Kp[e(t)+1/Tje(t)dt+TD.de(t)/dt]+uo(1—1)式中Kp——比例系數Ti——積分常數Td——微分常數uq——控制常量由于計算機進入控制領域,模擬PID控制器通過適當的變換，可以用軟件實現PID控制，即數字PID控制器。數字PID控制算法數字PID控制算法可分為位置式的PID控制算法和增量式的PID控制算法。位置式PID控制算法我們對式(1-1)進行變換得到離散PID表達式為Kuk=Kp[ek+(T/Ti)Zej+(TD/T)(ek-ek-i)]+u。(1-2)進一步變換為Kuk=Kp.ek+KiZej+KD(ek-ek-1)+uo(1-3)j=o式中k——采樣序號k=0,1,2，...；uk一第k次采樣時刻的計算機輸出值；ek——第k次采樣時刻的輸入偏差值；uk-i——第k-1次采樣時刻的計算機輸出值；Ki——積分系數，Ki=KpT/TiKd——微分系數，Kd=Kp.Td/T;Uo——PID控制時初始值；式(1-2)及式(1-3)稱為位置式的PID控制算法。實際工程中，增量式的PID算法更常見。增量式PID控制算法增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量Auk,增量式PID的算法由式(l-2)得第k-1次采樣時刻的計算機輸出值uk-i=Kp[ek-1+(T/Ti)Zej+(Td/T)(ek-i-ek-2)]+u。(1—4)將式(1-2)與式(1-4)相減,并整理得到Auk=uk-uk-i=Kp[ek-ek-i+(T/Ti)ek+(TD/T)(ek-2ek-i+ek-2)]=Aek+Bek-i+Cek-2(1-5)式中A=Kp(1+T/Ti+Td/T)B=-Kp(1+2Td/T)C=Kp.Td/T我們可以迸一步整理得到下面的形式△urfp(Aek+T/Tixek+T。/TXA2ek)=Kp(Aek+Ixek+DXA2ek)(1-6)式中1=T/TiD=Td/T△ek=ek-ek-i△2ek=Aek-Aek-i=ek_2ek-1+ek-2由式(l-5)可以看出增量式，當采用周期T確定后，通過整定A、B、C，計算過程較簡單，能很好滿足控制的實時控制要求。實際工程應用中，位置PID算法通過增量PID算法進一步轉換得到Uk=Uk-l+Auk(1-7)△uk=Aek+Bek_i+Cek_2(1-8)本系統選用位置式PID控制算法,算法依據算式(1-7)及(1-8),程序框圖如圖1所示。程序的入口參數設定值r、測量值y、偏差ek-1、ek-2、輸出值uk-i,四個參數每個個參數占用2各字節(jié),把各個參數整型化,可以大大提高系統的計算速度。乘法運算采用雙字節(jié)乘雙字節(jié),加法采用32BIT有符號加法運算。PID參數的整定比例環(huán)節(jié)P的作用對偏差e瞬間作出反應,偏差一旦產生,控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數Kp,Kp越大,控制越強,但過大的Kp會導致系統振蕩,破壞系統的穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)I的作用把偏差的累積作為輸出，在控制工程中，只要有偏差存在,積分環(huán)節(jié)的輸出不但增大,直到偏差e接近零，因此它的作用主要是消除靜態(tài)誤差。積分的作用可以有效的消除靜態(tài)誤差,但也會降低系統的響應速度,增加系統的超調量，因此積分環(huán)節(jié)I的參數大小需要合理的選擇和整定。微分環(huán)節(jié)D的作用主要是阻止偏差的變化;它根據偏差的變化趨勢進行控制。偏差變化越快，微分控制器的輸出就越大,并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入,有助于減小超調量，克服振蕩，使系統趨于穩(wěn)定，特別對于高階系統非常有利，它加快了系統的響應速度。但微分的作用對于信號的噪聲很敏感,從而導致系統控制不穩(wěn)定。因此,微分環(huán)節(jié)的大小對控制系統的穩(wěn)定十分重要，需要取得合適的值,過大或者過小都不利用系統的控制效果。數字PID控制器中，采樣周期的選擇，理論上講，采樣周期越小越好,但實際應用中，由于采集精度的限制,過小的采樣周期，前后兩次采樣信號數值很接近，將會使積分作用減弱，從而不能消除靜態(tài)誤差。因此,采樣周期的選擇根據系統控制具體情況而綜合考慮。采樣周期應滿足香農(Shannon)采用定理T〈l/2fmax式中ffflax—被采樣信號的最高頻率；實際應用采樣周期的選擇，對fmax'的值放大4一6倍；數字PID控制器的參數選擇及調試方法有兩種第一種方法湊試法此方法在實際工程中經常使用，湊試法的順序先比例—后積分—再微分,如此反復調試,直到達到滿意的結果。具體步驟如下首先只調整比例部分,將比例系數由小變大，并觀察系統所對于德響應，直到得到響應快、超調量小的響應曲線為止。如果這時系統的靜態(tài)誤差已在允許范圍內，并且達到1/4衰減度的響應曲線(最大超調衰減到1/4時，已進入允許的靜態(tài)誤差范圍)，那么只需要調節(jié)積分和微分環(huán)節(jié)即可。比例系數可大致確定。系統的靜態(tài)誤差一般需要積分環(huán)節(jié)。先給一個較大值,并將上一步調整時獲得的比例系數略微減小(如取原來80%),然后逐步減小積分常數進行湊試，并根據所獲得的響應曲線進一步調試比例系數和積分常數,直到獲得滿意的動態(tài)性能為止。如果使用比例積分環(huán)節(jié)雖然消除了靜態(tài)誤差，但系統的動態(tài)品質仍然不能令人滿意，這時加入微分環(huán)節(jié)。先給一個較小的微分常數值,然后逐步增大微分常數進行湊試,并相應的改變比例系數和積分常數，直到獲得滿意的動態(tài)性能為止。注意比例、積分、微分三者的控制作用有相互重疊之處,某一環(huán)節(jié)的作用減小往往可以由其他環(huán)節(jié)的作用增加來補償，因此,能達到滿意的效果的參數組合并不是唯一的。第二種方法經驗法用湊試法確定PID參數需要經過多次反復的試驗,為了減少湊試的次數，提高工作效率,可以借鑒他人的經驗，并根據一定的要求，事先作少量的試驗，以得到若干基準參數,然后按照經驗公式,用這些基準參數導出PID控制參數,這就是經驗法。臨界比例法就是一種經驗法。這種方法首先將控制器選為純比例控制器，并形成閉環(huán)，改變比例系數,使系統對階躍輸入的響應達到臨界狀態(tài),這時記下比例系數Kr、臨界振蕩周期Tr,根據Ziegle-Nichole提供的經驗公式，就可以由這兩個參數得到不通類型的PID控制參數，如下表l。表1:臨界比例法確定的模擬控制器參數<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上述臨界比例法是針對模擬PID控制器的,對于數字PID控制器,只要采樣周期取得較小，原則上也同樣合適。在測功機控制中，先采用臨界比例法獲得的參數作為基礎,再用湊試法進一步完善,從而得到滿意的效果。本發(fā)明無刷直流電動機單片機系統板具有的檢測功能發(fā)動機轉速，用霍爾式的傳感器測量發(fā)動機的轉速，檢測范圍1—10000r/min,精度0.1%±1個字.特點選用霍爾式的傳感器,旋轉飛輪和傳感器的感應點距離允許范圍4一10mm,范圍寬,距離遠,檢測輸出信號幅值大,抗干擾能力強。發(fā)動機的扭矩，選用應變式的拉壓力傳感器(帶溫度補償)，測量范圍0—500N.m,精度為0.3%。發(fā)動機排氣溫度，選用K型熱電偶，檢測范圍0—IOO(TC,精度1%，帶環(huán)境溫度補償。發(fā)動機輸出功率,根據檢測的轉速和扭矩值計算出發(fā)動機的輸出功率值。本發(fā)明無刷直流電動機單片機系統板具有的控制功能恒轉速控制，發(fā)動機的轉速設定由電位器給定，反饋信號是發(fā)動機的轉速，通過控制測功機的電樞電流來調節(jié)發(fā)動機的轉速，控制策略:數字PID控制,輸出由PWM輸出至模塊從而控制驅動電路。恒扭矩控制,發(fā)動機的扭矩設定由電位器給定，反饋信號是發(fā)動機的扭矩,通過控制測功機的電樞電流來調節(jié)發(fā)動機的轉速,控制策略:數字PID控制,輸出由PWM輸出至模塊從而控制模塊輸出。狀態(tài)I/O控制,保護發(fā)動機及測功機系統安全可靠地工作而設計的開關控制。②本發(fā)明無刷直流電動機專用集成電路LM621及驅動、交直流電力變流裝置直流電力測功機系統電機控制主要原理是采用三相星形聯結全橋驅動方式專用集成電路LM621適應于三相或四相無刷直流電機控制。三相無刷直流電機可以全橋或半橋驅動，角形或者星形聯結方式；四相無刷直流電動機采用半橋驅動。它的輸出提供35mA基極電流可以直接驅動雙極型晶體管或功率M0SFET管；要求電動機用霍爾式的位置傳感器，可以直接與外部P麗信號接口，實現速度調節(jié)功能；有轉向控制功能，有死區(qū)調節(jié)功能，有過流保護功能和欠壓保護功能。LM621芯片采用雙列直插式封裝，18引腳。本系統選用的控制模式三相全橋驅動，星形聯結，30°間距角，二二導通方式的換向邏輯進行驅動。死區(qū)設計時間4.8w，設有過流保護功能，由單片機輸出PWM信號，實時控制由LM621完成，只有需要調速及改變轉向才要單片機進行干預，所以單片機有充足的時間做其他工作。從而提高了系統可靠性。電動機的調速控制，長期以來驅動電路的性能起至關重要的作用；近幾年來，電力電子開關器件發(fā)展十分迅猛，不斷出現新型的開關器件，它們具有更優(yōu)異的性能。目前常用的電力電子開關器件有可關斷晶體管(GT0)、功率晶體管(GTR)、場效應管(M0SEFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT);其中MOSFET開關管在中、小功率中具有優(yōu)勢；GTR和IGBT在中、大功率占統治地位。本系統驅動電路部分選用M0SFET及IGBT開關管。功率場效應管(metal,oxidesemiconductorfieldeffecttransistor,縮寫M0SFET)是只由一種載流子導電的單極性器件，它要求柵極驅動電流很小，可看成電壓驅動型器件。其特點開關速度快、損耗低、驅動功率小、無二次擊穿等優(yōu)點，目前在很多領域有廣泛的應用。當電機功率不大于20KW，可選用M0SFET開關管，如2SK313，日立公司產。絕緣雙極晶體管IGBT(insulatedgatebipolartransistor縮寫)是由MOSFET和GTR技術結合而成的復合型的開關器件其特點阻斷電壓高、導通電流大、驅動功率小等優(yōu)點，在各種逆變技術有廣泛的應用。一般IGBT選用專用的驅動集成電路，在控制系統中選用M57962L,可以驅動400A/600V或200A/1400V的IGBT,最高使用頻率為20kHz。無刷直流測功機控制系統的主要性能是功率范圍20一一150KW轉速0一_8000r/min恒轉速控制精度±5r/min恒扭矩控制精度±0.4%F.S轉速測量精度0.1%F.S扭矩測量精度0.3%F.S工作環(huán)境一2Q一一65。c相對濕度《80%測功機可以在四象限工作，當在2、4象限工作時發(fā)出的電能可以回饋電網，也可以用負載電阻消耗。本發(fā)明無刷直流測功機使用時的參數測量方法一、轉速測量對于轉速的測量方法有兩種，一種是頻率法，另一種為周期法。頻率法:測量單位時間里信號的脈沖個數。測量測功機的轉速,常用的測量方法是頻率法，一般測量的方法是在測功機的主軸上嵌一個齒數為60齒或120齒的齒盤，齒盤和轉子同步旋轉，在齒盤的外端軸承座上安裝磁電傳感器，當齒盤旋轉時磁電傳感器就感應出正弦波信號，如果齒數為60,當主軸旋轉一圈則輸出60正弦波信號。設齒盤的齒數為K,磁電傳感器輸出信號頻率為f(單位:Hz),測功機的轉速n(單位r/min)計算方法n=60f/K當齒數K=60,則n=f;齒數K=120,則n=f/2此種測量方法是目前檢測發(fā)動機轉速的常用的方法。測量范圍一般lQG—lG()G()r/min。缺點:超低轉速無法測量，傳感器在低速信號弱，容易受到干擾。周期法通過測量旋轉體旋轉一周所用的時間再通過計算來間接測量其轉速。它一般需要單片機或MCU微處理器通過計算而間接測量，特點是測量范圍廣，精度高；測量范圍0.1—10000;測量的傳感器可以用霍爾式傳感器，光電傳感器。測量方法:傳感器輸出信號通過整形處理接入單片機的INTO中斷口，通過中斷測量測功機旋轉一周的時間t,k為時間單元的個數，、為時間單元，對于單片機為微機的機器周期,單位為Us,測量的轉速為n(r/min),計算方法t=kXtn=60/t=60/kT當t-liis時n=60/kt=60000000/k此測量方法在微機控制系統中經常使用，特點是測量精度高、范圍寬。本系統選用此測量方法。二、轉矩測量在測功機的殼體上安裝拉壓力傳感器，可以通過檢測力來間接測量測功機的轉矩(也稱扭矩)，因為測量發(fā)動機的功率需要測量其轉矩和轉速，我們知道扭矩等于力和力距的乘積,而力距就是軸的中心線到傳感器的垂直距離，是個常數；設力矩為T(單位:Nra),傳感器受的力f(單位:N),力距為L(單位:m)T=Lf=CfC:為常數實際測量系統中，力矩的測量通過一套標定裝置獲得常數C,標定裝置由標定力臂、托盤、砝碼等組成。測功機的扭矩標定一般要求周期性的進行。它的精度對于功率的測量精度至關重要。三、功率測量我們知道功率的測量是通過檢測轉速和轉矩，由公式計算出來,其計算方法如下，設轉速為n(單位:r/min)，轉矩為T(單位:Nm)，功率為P(單位:kw)P=nT/9550它的測量精度取決于n、T,而n的精度較高，為O.1%F.S,因此主要取決于T,它的精度一般為O.4%F.S。權利要求1、無刷直流電力測功機由電機機械部分和系統部分構成；其特征在于直流電力測功機機械部分由雙組軸承組成，其中一組軸承是用于轉子高速旋轉的轉動軸承，此軸承最高轉速為10000r/min，依靠高速潤滑脂來潤滑；另一組軸承為擺動軸承，軸承的外圓和測功機的外殼定子聯接，這樣測功機的定子部分也可以轉動，在拉壓力傳感器連接端增加一套減振機構，無刷直流測功機的輸出軸兩端配置法蘭盤，測功機水平安裝在鐵地板上或水坭機座上；直流電力測功機系統部分控制核心是以單片機微處理系統及專用電機驅動芯片LM621構成。全文摘要無刷直流電力測功機的目的是提出一種成本低廉，體積小，適合復雜環(huán)境使用的直流電力測功機；本發(fā)明無刷直流電力測功機由電機機械部分和系統部分構成；其特征在于主機部分由雙組軸承組成，在殼體一側伸出一搖臂，在搖臂的下端安裝拉壓力傳感器，測功機水平安裝在鐵地板上或水坭機座上；無刷直流電力測功機的控制核心是以單片機微處理系統及專用電機驅動芯片LM621，由于電機部分采用無刷機構，與普通的直流測功機相比具有結構簡單，無易損件，維修保養(yǎng)簡單方便。文檔編號G01P3/68GK101118195SQ20071005322公開日2008年2月6日申請日期2007年9月14日優(yōu)先權日2007年9月14日發(fā)明者蔡秀華申請人:蔡秀華