CN105333983A - 一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，由被测发动机，水温恒温控制单元，机油恒温控制单元，燃油恒温控制单元，智能油耗仪，扭矩传感器，直流电力测功机，DCS调速器，控制单元，电源处理单元，电网，功率分析仪，信号偏置单元以及计算机系统14部分组成。本发明在对被测发动机的扭矩信号进行放大处理的过程中还能够确保扭矩信号的保真度，使测试人员可以准确的知道被测发动机所输出的实时功率，便于其对被测发动机的性能进行判断。

Description

一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统

技术领域

本发明涉及机械测试系统领域，具体是指一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统。

背景技术

发动机台架性能试验是衡量发动机动力性能和经济性能的必要手段。发动机台架试验设备作为性能试验的必不可少的装备，其水平高低直接影响到能否如实反映发动机的性能，是否能够提供发动机设计和改进的依据，因此，它在发动机的性能和质量的提高中居于非常重要的位置。测功机作为发动机台架试验设备的核心，在其中起着举足轻重的作用。然而，传统使用的水力测功机主要用于测试大功率发动机，其测量的精度低，测量过程操作困难；而电涡流测功机和交流电力测功机所组成的测功系统都非常昂贵，其价格在几十万到几百万，并且还不能及时记录数据，给发动机性能测试带来很大的局限性。为了解决上述问题，目前市面上出现了直流电力测功系统。然而，现有的直流电力测功系统在对采集到的发动机各种实时信号做处理时容易导致信号失真，影响了测试人员对发动机性能的判断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的直流电力测功系统在对采集到的发动机各种实时信号做处理时容易导致信号失真的缺陷，提供一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，由被测发动机，与被测发动机相连接的水温恒温控制单元、机油恒温控制单元、燃油恒温控制单元、智能油耗仪和扭矩传感器，通过联轴器与被测发动机相连接的直流电力测功机，与直流电力测功机相连接的DCS调速器，与DCS调速器相连接的控制单元和电源处理单元，与电源处理单元相连接的电网，与扭矩传感器相连接的信号偏置单元，与信号偏置单元相连接的功率分析仪，以及分别与水温恒温控制单元、机油恒温控制单元、燃油恒温控制单元、智能油耗仪、功率分析仪和控制单元相连接的计算机系统组成；所述信号偏置单元由三极管VT2，场效应管MOS1，场效应管MOS2，负极与场效应管MOS2的栅极相连接、正极则形成该信号偏置单元的一个输入端的极性电容C7，负极与场效应管MOS1的栅极相连接、正极则形成该信号偏置单元的另一个输入端的极性电容C9，P极与场效应管MOS2的漏极相连接、N极则形成该信号偏置单元的一个输出端的二极管D7，正极与三极管VT2的基极相连接、负极则形成该信号偏置单元的另一个输出端的极性电容C10，一端与三极管VT2的发射极相连接、另一端则经电阻R9后与二极管D7的N极相连接的电阻R12，P极与电阻R12和电阻R9的连接点相连接、N极则与三极管VT2的基极相连接的稳压二极管D5，P极与三极管VT2的基极相连接、N极则经电阻R10后与场效应管MOS2的栅极相连接的二极管D6，正极与二极管D6的N极相连接、负极接地的极性电容C8，一端与场效应管MOS2的源极相连接、另一端则与极性电容C10的负极相连接的电阻R11，正极与场效应管MOS2的源极相连接、负极接地的极性电容C11，以及一端与场效应管MOS1的漏极相连接、另一端则接地的电阻R13组成；所述场效应管MOS1的源极与三极管VT2的集电极相连接；所述信号偏置单元的输入端与扭矩传感器相连接、输出端则与功率分析仪相连接。

所述的电源处理单元由变压器T，设置在变压器T原边的电感线圈L1和电感线圈L2，设置在变压器T副边的电感线圈L3，同时与电感线圈L1和电感线圈L2相连接的原边电路，与原边电路输入端相连接的整流滤波电路和驱动电路，以及与电感线圈L3相连接的输出电路组成。

所述的整流滤波电路包括二极管整流器U，电阻R1以及电容C1；所述电容C1的正极经电阻R1后与二极管整流器U的正极输出端相连接、其负极接地，所述二极管整流器U的两个输入极一起形成该电源处理单元的输入端、其负极输出端则接地；所述电容C1的正极还与原边电路相连接；所述电源处理单元的输入端与电网相连接。

所述驱动电路由驱动芯片U1，三极管VT1，场效应管MOS，正极经电阻R5后与驱动芯片U1的VREF管脚相连接、负极接地的电容C4，正极与驱动芯片U1的SS管脚相连接、负极则与电容C4的负极相连接的电容C3，串接在驱动芯片U1的FB管脚和电容C4的负极之间的电阻R4，正极经电阻R2后与电容C1的正极相连接、负极与驱动芯片U1的GND管脚相连接的同时接地的电容C5，一端与驱动芯片U1的OUT管脚相连接、另一端则与场效应管MOS的栅极相连接的电阻R6，与电阻R6相并联的二极管D2，一端与场效应管MOS的源极相连接、另一端接地的电阻R7组成；所述驱动芯片U1的RVC管脚与电容C4的正极相连接，其IS管脚则与三极管VT1的基极相连接，其VCC管脚则与电容C5的正极相连接；所述三极管VT1的集电极与场效应管MOS的源极相连接，其发射极接地；所述场效应管MOS的漏极则与原边电路相连接。

所述原边电路包括电阻R3，电阻R8，电容C2，二极管D1以及二极管D3；所述二极管D3的P极与场效应管MOS的漏极相连接、其N极经电阻R3后与电容C1的正极相连接，电容C2则与电阻R3相并联，二极管D1的N极与电容C5的正极相连接、其P极则经电阻R8后与电感线圈L2的非同名端相连接；所述电感线圈L1的同名端与电容C1的正极相连接、其非同名端则与电感线圈L2的同名端相连接。

所述输出电路包括二极管D4和电容C6；所述二极管D4的P极与电感线圈L3的非同名端相连接、其N极则与电感线圈L3的同名端一起形成该电源处理单元的输出端；所述电容C6的正极与电感线圈L3的同名端相连接，其负极则与二极管D4的N极相连接；所述电源处理单元的输出端与DCS调速器相连接。

所述驱动芯片U1为FAN7554集成芯片。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用直流电力测功机进行加载，其适用于对大功率和小功率的发动机进行测试，扩大了其应用范围。

(2)本发明采用四象限的控制技术，将电机吸收的电能反馈电网，供其他设备使用，可最大限度地发挥电机的性能，并节约能源。

(3)本发明采用计算机技术和数字控制技术进行控制，提高了设备的自动化程度，同时也提高了设备的控制精度和测试精度以及设备运行的可靠性和稳定性。

(4)本发明较传统的测功系统造价更便宜，仅为传统测功系统的70％。

(5)本发明在对被测发动机的扭矩信号进行放大处理的过程中还能够确保扭矩信号的保真度，使测试人员可以准确的知道被测发动机所输出的实时功率，便于其对被测发动机的性能进行判断。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为本发明的电源处理单元的电路结构图。

图3为本发明的信号偏置单元的电路结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的基于信号偏置处理的直流电力测功系统，由被测发动机，水温恒温控制单元，机油恒温控制单元，燃油恒温控制单元，智能油耗仪，扭矩传感器，直流电力测功机，DCS调速器，控制单元，电源处理单元，电网，功率分析仪，信号偏置单元以及计算机系统14部分组成。

工作时，直流电力测功机通过联轴器与被测发动机相连接，其用于对被测发动机进行加载。DCS调速器则与直流电力测功机相连接，而电源处理单元和控制单元则分别与DCS调速器相连接，电源处理单元则还与电网相连接。其中，电网用于给整个测功系统提供电源。电源处理单元则用于对电网电压进行处理，其结构如图2所示，由变压器T，设置在变压器T原边的电感线圈L1和电感线圈L2，设置在变压器T副边的电感线圈L3，同时与电感线圈L1和电感线圈L2相连接的原边电路，与原边电路输出端相连接的整流滤波电路和驱动电路，以及与电感线圈L3相连接的输出电路组成。

所述的整流滤波电路可以把电网电压转换为平顺的直流电，其包括二极管整流器U，电阻R1以及电容C1。所述电容C1的正极经电阻R1后与二极管整流器U的正极输出端相连接、其负极接地，所述二极管整流器U的两个输入极一起形成该电源处理单元的输入端、其负极输出端则接地；所述电容C1的正极还与原边电路相连接；所述电源处理单元的输入端与电网相连接。

所述驱动电路由驱动芯片U1，三极管VT1，场效应管MOS，正极经电阻R5后与驱动芯片U1的VREF管脚相连接、负极接地的电容C4，正极与驱动芯片U1的SS管脚相连接、负极则与电容C4的负极相连接的电容C3，串接在驱动芯片U1的FB管脚和电容C4的负极之间的电阻R4，正极经电阻R2后与电容C1的正极相连接、负极与驱动芯片U1的GND管脚相连接的同时接地的电容C5，一端与驱动芯片U1的OUT管脚相连接、另一端则与场效应管MOS的栅极相连接的电阻R6，与电阻R6相并联的二极管D2，一端与场效应管MOS的源极相连接、另一端接地的电阻R7组成。

同时，该驱动芯片U1的RVC管脚与电容C4的正极相连接，其IS管脚则与三极管VT1的基极相连接，其VCC管脚则与电容C5的正极相连接；所述三极管VT1的集电极与场效应管MOS的源极相连接，其发射极接地。所述场效应管MOS的漏极则与原边电路相连接。为了达到更好的实施效果，所述驱动芯片U1优先选用FAN7554集成芯片来实现。

所述原边电路包括电阻R3，电阻R8，电容C2，二极管D1以及二极管D3。连接时，所述二极管D3的P极与场效应管MOS的漏极相连接、其N极经电阻R3后与电容C1的正极相连接，电容C2则与电阻R3相并联，二极管D1的N极与电容C5的正极相连接、其P极则经电阻R8后与电感线圈L2的非同名端相连接。所述电感线圈L1的同名端与电容C1的正极相连接、其非同名端则与电感线圈L2的同名端相连接。从原边电路输出的直流电经变压器T变压后输出给输出电路。

所述输出电路包括二极管D4和电容C6。所述二极管D4的P极与电感线圈L3的非同名端相连接、其N极则与电感线圈L3的同名端一起形成该电源处理单元的输出端；所述电源处理单元的输出端与DCS调速器相连接。所述电容C6的正极与电感线圈L3的同名端相连接，其负极则与二极管D4的N极相连接。

进一步的，经电源处理单元处理后的电压经DCS调速器后输送给直流电力测功机，由DCS调速器控制直流电力测功机的转速，而直流电力测功机则带动被测发动机工作。该直流电力测功机还可以把被测发动机传输过来的机械能转换为直流电，而DCS调速器则可以把电力测功机发出的直流电逆变为交流电反馈给电网供其它设备使用，如此则可以使本发明更加节能。

另外，水温恒温控制单元、机油恒温控制单元以及燃油恒温控制单元则组成被测发动机的保护系统，其与被测发动机相连接，用于对被测发动机进行保护，其分别可以使被测发动机的水温、机油以及燃油维持在恒定值；同时，水温恒温控制单元、机油恒温控制单元以及燃油恒温控制单元通过计算机系统进行控制，因此它们还分别与计算机系统相连接。

智能油耗仪则分别与被测发动机以及计算机系统相连接，其用于测量被测发动机的油耗，并把测量信息传输给计算机系统。扭矩传感器则与被测发动机相连接，信号偏置单元则与扭矩传感器相连接，功率分析仪则与信号偏置单元相连接，而计算机系统还分别与功率分析仪和控制单元相连接。该扭矩传感器用于采集被测发动机的扭矩信号，并传输给信号偏置单元进行放大处理，该扭矩传感器可优选为应变式扭矩传感器来实现。功率分析仪则根据扭矩信号计算出被测发动机的输出功率并传输给计算机系统，其可以优先选用日本横河机电科技生产的WT3000型功率分析仪来实现，该型号功率分析仪数据处理能力强大、相应速度快，可以很好的确保测试数据的可靠性和及时性。

为了确保经信号偏置单元放大后的扭矩信号不失真，该信号偏置单元的结构如图3所示，其由三极管VT2，场效应管MOS1，场效应管MOS2，负极与场效应管MOS2的栅极相连接、正极则形成该信号偏置单元的一个输入端的极性电容C7，负极与场效应管MOS1的栅极相连接、正极则形成该信号偏置单元的另一个输入端的极性电容C9，P极与场效应管MOS2的漏极相连接、N极则形成该信号偏置单元的一个输出端的二极管D7，正极与三极管VT2的基极相连接、负极则形成该信号偏置单元的另一个输出端的极性电容C10，一端与三极管VT2的发射极相连接、另一端则经电阻R9后与二极管D7的N极相连接的电阻R12，P极与电阻R12和电阻R9的连接点相连接、N极则与三极管VT2的基极相连接的稳压二极管D5，P极与三极管VT2的基极相连接、N极则经电阻R10后与场效应管MOS2的栅极相连接的二极管D6，正极与二极管D6的N极相连接、负极接地的极性电容C8，一端与场效应管MOS2的源极相连接、另一端则与极性电容C10的负极相连接的电阻R11，正极与场效应管MOS2的源极相连接、负极接地的极性电容C11，以及一端与场效应管MOS1的漏极相连接、另一端则接地的电阻R13组成。所述场效应管MOS1的源极与三极管VT2的集电极相连接。该信号偏置单元的输入端与扭矩传感器相连接、其输出端则与功率分析仪相连接。在工作时，该场效应管MOS1和场效应管MOS2能够很好的控制工作电压，其具备很好的偏置条件，因此可以对扭矩信号进行不失真的放大。该场效应管MOS1和场效应管MOS2优先采用MPF162型场效应管来实现。

控制单元则用于控制DCS调速器。计算机系统则作为本发明的控制中心和信号处理中心，测试人员通过计算机系统可以对测功系统进行控制，并了解被测发动机的实时状态，因此该计算机系统也作为人机交换的窗口。另外，该水温恒温控制单元、机油恒温控制单元、燃油恒温控制单元、智能油耗仪、直流电力测功机、DCS调速器以及控制单元均采用现有技术即可实现。

如上所述，便可很好的实施本发明。

Claims (7)

1.一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于，由被测发动机，均与被测发动机相连接的水温恒温控制单元、机油恒温控制单元、燃油恒温控制单元、智能油耗仪和扭矩传感器，通过联轴器与被测发动机相连接的直流电力测功机，与直流电力测功机相连接的DCS调速器，均与DCS调速器相连接的控制单元和电源处理单元，与电源处理单元相连接的电网，与扭矩传感器相连接的信号偏置单元，与信号偏置单元相连接的功率分析仪，以及分别与水温恒温控制单元、机油恒温控制单元、燃油恒温控制单元、智能油耗仪、功率分析仪和控制单元相连接的计算机系统组成；所述信号偏置单元由三极管VT2，场效应管MOS1，场效应管MOS2，负极与场效应管MOS2的栅极相连接、正极则形成该信号偏置单元的一个输入端的极性电容C7，负极与场效应管MOS1的栅极相连接、正极则形成该信号偏置单元的另一个输入端的极性电容C9，P极与场效应管MOS2的漏极相连接、N极则形成该信号偏置单元的一个输出端的二极管D7，正极与三极管VT2的基极相连接、负极则形成该信号偏置单元的另一个输出端的极性电容C10，一端与三极管VT2的发射极相连接、另一端则经电阻R9后与二极管D7的N极相连接的电阻R12，P极与电阻R12和电阻R9的连接点相连接、N极则与三极管VT2的基极相连接的稳压二极管D5，P极与三极管VT2的基极相连接、N极则经电阻R10后与场效应管MOS2的栅极相连接的二极管D6，正极与二极管D6的N极相连接、负极接地的极性电容C8，一端与场效应管MOS2的源极相连接、另一端则与极性电容C10的负极相连接的电阻R11，正极与场效应管MOS2的源极相连接、负极接地的极性电容C11，以及一端与场效应管MOS1的漏极相连接、另一端则接地的电阻R13组成；所述场效应管MOS1的源极与三极管VT2的集电极相连接；所述信号偏置单元的输入端与扭矩传感器相连接、输出端则与功率分析仪相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于：所述的电源处理单元由变压器T，设置在变压器T原边的电感线圈L1和电感线圈L2，设置在变压器T副边的电感线圈L3，同时与电感线圈L1和电感线圈L2相连接的原边电路，与原边电路输入端相连接的整流滤波电路和驱动电路，以及与电感线圈L3相连接的输出电路组成。

3.根据权利要求2所述的一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于：所述的整流滤波电路包括二极管整流器U，电阻R1以及电容C1；所述电容C1的正极经电阻R1后与二极管整流器U的正极输出端相连接、其负极接地，所述二极管整流器U的两个输入极一起形成该电源处理单元的输入端、其负极输出端则接地；所述电容C1的正极还与原边电路相连接；所述电源处理单元的输入端与电网相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于：所述驱动电路由驱动芯片U1，三极管VT1，场效应管MOS，正极经电阻R5后与驱动芯片U1的VREF管脚相连接、负极接地的电容C4，正极与驱动芯片U1的SS管脚相连接、负极则与电容C4的负极相连接的电容C3，串接在驱动芯片U1的FB管脚和电容C4的负极之间的电阻R4，正极经电阻R2后与电容C1的正极相连接、负极与驱动芯片U1的GND管脚相连接的同时接地的电容C5，一端与驱动芯片U1的OUT管脚相连接、另一端则与场效应管MOS的栅极相连接的电阻R6，与电阻R6相并联的二极管D2，一端与场效应管MOS的源极相连接、另一端接地的电阻R7组成；所述驱动芯片U1的RVC管脚与电容C4的正极相连接，其IS管脚则与三极管VT1的基极相连接，其VCC管脚则与电容C5的正极相连接；所述三极管VT1的集电极与场效应管MOS的源极相连接，其发射极接地；所述场效应管MOS的漏极则与原边电路相连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于：所述原边电路包括电阻R3，电阻R8，电容C2，二极管D1以及二极管D3；所述二极管D3的P极与场效应管MOS的漏极相连接、其N极经电阻R3后与电容C1的正极相连接，电容C2则与电阻R3相并联，二极管D1的N极与电容C5的正极相连接、其P极则经电阻R8后与电感线圈L2的非同名端相连接；所述电感线圈L1的同名端与电容C1的正极相连接、其非同名端则与电感线圈L2的同名端相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于：所述输出电路包括二极管D4和电容C6；所述二极管D4的P极与电感线圈L3的非同名端相连接、其N极则与电感线圈L3的同名端一起形成该电源处理单元的输出端；所述电容C6的正极与电感线圈L3的同名端相连接，其负极则与二极管D4的N极相连接；所述电源处理单元的输出端与DCS调速器相连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于信号偏置处理的直流电力测功系统，其特征在于：所述驱动芯片U1为FAN7554集成芯片。