CN107576863A - 车辆动力安全模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车辆动力安全地面模拟试验系统。本系统包括用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置、试验模拟平台、模拟试验控制单元、给三相异步电机供电的三相电源、车辆动力系统及其控制系统、模拟试验台数据显示界面和车辆实时仿真系统。本发明用电气装置模拟轮胎地面关系，即摩擦力与轮胎滑移率之间的非线性关系。既可以进行牵引系统的功率试验，也可以直观测量表征车辆稳定性的滑移率等参数，进一步实现ABS/TCS控制算法的验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆动力安全模拟试验系统，具体地是涉及一种以异步电机为核心的车辆动力安全模拟试验系统。
技术背景
车辆动力学安全系统是保证车辆安全行驶的重要保证，目前车辆动力系统 ABS/TCS(制动系统/牵引系统)的验证仍是个很大的难题。通常情况是，考虑模 拟尽可能的地面条件下，直接以实际驾驶车辆运行进行验证。这种方案除了试 车过程具有危险性外，由于涉及各种路面与轮胎之间非线性化关系，不可能穷 举车辆可能遇到的地面特性。采用计算机模拟来验证软件算法(数字模拟)，无 法反映功率变换和地面摩擦的关系。
发明内容
本发明的发明目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种车辆动力安全 模拟试验系统，以异步电机为核心的物理系统模拟轮胎-地面的实际(物理)关 系，并设计试验模拟台架和系统。该模拟系统可以代替车辆实际运行，实现汽 车动力学安全系统ABS/TCS的验证。
为达到上述发明目的，本发明的构思是：
如图1所示，本发明提出的一种车辆动力学性能与ABS/TCS地面试验模拟系统 示意图。这是一种用物理系统模拟轮胎-地面的实际(物理)关系的方法，该地 面试验模拟系统包括：用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置 (1)、试验模拟平台(2)、模拟试验控制单元(3)、给三相异步电机供电的三 相电源(4)、车辆动力系统及其控制系统(5)、模拟试验台数据显示界面(6)、 车辆实时仿真系统(7)。车辆动力系统及其控制系统(5)对试验模拟平台(2) 中电机进行驱动控制，用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置(1) 由给三相异步电机供电的三相电源(4)供电；车辆实时仿真系统(7)模拟车辆模型，把速度送给模拟试验控制单元(3)；模拟试验控制单元(3)计算定子 电压和转子电阻，并送给用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置 (1)加以实现，改变试验模拟平台(2)中绕线异步电动机的电压和转子电阻， 通过调整定子电源电压和转子侧电阻即可得到不同的电磁转矩-转差关系曲线， 从而模拟出不同路面特性下的摩擦力-滑移率关系曲线，实现用物理系统模拟轮 胎-地面的实际(物理)关系。
发明人在建立轮胎-地面关系数学模型的基础上，应用异步电机运行原理， 导出电机转矩与等效滑差(表征车辆轮胎-地面滑移率)模型。
本发明提出的以异步电机为核心的物理模拟系统，用电气装置模拟轮胎地 面关系，即摩擦力与车辆轮胎-地面滑移率之间的非线性关系。既可以进行牵引 系统的功率试验，也可以直观测量表征车辆稳定性的滑移率等参数，实现 ABS/TCS控制算法的验证。
采用异步电机模拟地面与轮胎关系的优势在于：异步电机本身的转矩-转差 率关系曲线类似于轮胎-地面曲线。如图7所示(a)(b)，图7(a)为异步电机 转矩特性、图7(b)为车辆轮胎-地面特性曲线。
图7(a)的异步电机转矩特性中，纵坐标为转矩(电磁转矩M、横坐标为异 步电机的滑差率s)
n1,nr分别为同步机械转速和电机转子机械转速。
图7(b)的车辆轮胎-地面特性中，纵坐标为地面作用在轮胎上的摩擦系数， 横坐标为轮胎与车辆速度表征的滑移率
(V车辆运动速度，ωr轮胎运动线速度)
将异步电机转子速度为模拟为车辆轮胎速度、将异步电机定子磁场运行速 度模拟为车辆速度。
在异步电机处于制动运行状态时，车辆的滑移率即为异步电机转差率。但 在异步电机处于牵引运行状态时，两者不相等。
为此定义异步电机新的参数——电机滑移率s’
异步电机处于牵引运行状态和制动运行状态时，电机滑移率均为车辆滑移 率，图8为异步电机电磁转矩-电机滑移率关系曲线。
对照图8和图7(b)曲线，异步电机M-s’曲线和轮胎-路面接触特性曲线相 似。利用M-s’曲线模拟轮胎-地面接触特性曲线，需要反映路面各种情况，因此 M-s’曲线必须有以下特点：
(1)最大值可变化(最大附着系数)
(2)最大附着系数对应的最大滑移率可变化
(3)车辆速度可以变化
对于(1)，与异步电机定子磁通有关，对于(2),与转子电阻有关。对于(3)， 与异步电机的定子供电频率有关，
定子磁通变化可以通过调节供电电压与(供电频率之比实现并提供。
定子供电频率可以通过反应车辆速度的仿真系统或模拟系统实现设定并由 变频装置提供。
转子电阻变化可以采用绕线式转子异步电机外串电阻实现，如图9为绕线 式异步电机的M-s’特性曲线随转子电阻R2’变化的情形。
因此，可变频、变压、变转子电阻的异步电机系统，可以作为车辆轮胎-地 面关系的物理模拟系统，并通过参数在线(实时)设定，对可能的轮胎-地面关 系进行模拟，比直接用车辆试验更具有安全性。
图2为异步电机为核心的电气模拟装置
包括：一台三相转子绕线式交流异步电机(1-1)、异步电机转子串联电阻及检 测与控制单元(1-2)、异步电机调压调频变换单元(1-3)、制动回馈单元(1-4)。 异步电机调压调频变换单元(1-3)输入端接三相电源(1-5)，输出端接绕线式 交流异步电机(1-1)定子侧，异步电机转子串联电阻及检测与控制单元(1-2) 输入端接三相电源(1-5)，输出端接入绕线式交流异步电机(1-1)转子侧回路。
模拟M-s’曲线，需要控制三个量：电压和频率、曲线的斜度。通过异步电 机变压变频单元(1-3)改变绕线异步电动机的电压和频率,通过转子串联电阻 及检测与控制单元(1-2)改变绕线异步电动机转子侧电阻。
在模拟汽车ABS状态，异步电机处于牵引工况，异步电机通过变压变频单元 (1-3)从电网吸收能量。
在模拟汽车TCS状态，异步电机处于制动状态，使得变压变频单元(1-3) 直流母线电压升高，当直流母线电压升高到一定值时，通过连接在变频器母线 的制动回馈单元(1-4)将电能回馈到电网。
图3为试验模拟平台，包括与地面连接的平台(2-1)、车辆动力系统支撑 与安装组建(2-2)、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)(反映车辆动力装 置到车轴传动比)、转矩转速传感器及安装组件(2-5)、车轮模拟飞轮(2-6)、 车轮制动器(2-7)、三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)等。车辆动力系统 支撑与安装组件(2-2)安装在与地面连接的平台(2-1)上，用于支撑安装牵 引电机；三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)安装在与地面连接的平台(2-1) 上，用于支撑安装绕线异步电动机；牵引电机、离合器(2-3)、车辆等效减速 箱(2-4)、车轮制动器(2-7)、车轮模拟飞轮(2-6)、转矩转速传感器及安装 组件(2-5)、异步电动机依次通过连接装置连接。
通过转矩传感器、转速传感器测量牵引电机输出转矩和转子速度(车轮速 度)；车轮模拟飞轮用于增加转子侧惯量，以模拟车轮旋转惯量。
图4为模拟试验控制单元，包括牵引/制动试验模式给定单元(3-1)、路面 特性设置单元(3-2)、转矩转速传感数据计算单元(3-3)、车辆运动实时模拟 单元(3-4)、异步电机频率/电压给定单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算 单元(3-6)、异步电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)、异步电机转差率和 车辆运动滑移率计算单元(3-8)、与整车动力系统数据交互接口单元(3-9)、 与异步电机调压调频变换单元的数据交互接口单元(3-10)、模拟试验台数据显 示界面接口单元(3-11)。路面特性设置单元(3-2)用于设置图7(b)所示的 路面特性用于试用。转矩转速传感数据计算单元(3-3)把测量信号送给与整车 动力系统数据交互接口单元(3-9)、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元 (3-8)、车辆运动实时模拟单元(3-4)；车辆运动实时模拟单元(3-4)、路面特 性设置单元(3-2)、牵引/制动试验模式给定单元(3-1)把数据分别送给异步电 机频率/电压给定单元(3-5)和异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)；异步电机 频率/电压给定单元(3-5)把电压给定数据送给与异步电机调压调频变换单元的 数据交互接口单元(3-10)；异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)把电阻计算数 据送给异步电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)；模拟试验台数据显示界面接 口单元(3-11)接收转矩转速传感数据计算单元(3-3)、异步电机转差率和车辆 运动滑移率计算单元(3-8)、车辆运动实时模拟单元(3-4)、异步电机频率/电 压给定单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)的输出数据。
图5为车辆动力系统及其控制系统，包括车辆动力装置(5-1)(可以为电 动机或内燃机、或混合动力装置)、整车动力控制系统(5-2)。
车辆动力装置(5-1)是本系统的动力输入装置，对于电动汽车，包括电机 与驱动控制系统。
整车动力控制系统(5-2)是在本系统中主要验证对象，即在各种路面条件 下，TCS/ABS的功能与控制效果。整车动力控制系统(5-2)包括能量管理单元、 整车动力控制单元、地面参数辨识，整车动力控制系统(5-2)根据驾驶员输入、 路面特性μ，λ、能量管理单元输出设置车辆动力装置(5-1)中电机控制器给定 转矩，车辆动力装置(5-1)中电机控制器对车辆动力装置(5-1)中电机进行 控制，电机通过车辆传动系统带动轮胎转动。
图7为车辆实时仿真系统，通过DSPACE实时仿真系统或快速计算仿真功能 的平台，实时模拟车辆运动状态，并将车辆轮胎运动速度实时传递给异步电机 为核心的电气模拟装置1(其中的异步电机调压调频变换单元(1-3))
图6的整车动力学性能与安全系统(ABS/TCS)试验模拟方案包括用于模拟 轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置(6-1)、整车试验模拟支撑连接台 架(6-2)、整车模拟试验控制单元(6-3)、给各三相异步电机供电的三相电源 (6-4)、车辆实时仿真单元(6-5)、整车及车辆动力系统及其控制系统(6-6)、 整车模拟试验台数据显示界面(6-7)。整车及车辆动力系统及其控制系统(6-6) 控制整车试验模拟支撑连接台架(6-2)上的牵引电机工作；用于模拟轮胎地面 关系以异步电机为核心的电气装置(6-1)由给各三相异步电机供电的三相电源 (6-4)供电，接收车辆实时仿真单元(6-5)的输出数据，(6-1)输出与整车 试验模拟支撑连接台架(6-2)中的异步电动机定子侧和转子侧相连；整车模拟 试验控制单元(6-3)设定车辆工况和路面特性，同时把转矩、速度、滑移率等 在整车模拟试验台数据显示界面显示(6-7)。整车及车辆动力系统及其控制系 统(6-6)是本系统中主要验证对象，即在各种路面条件下，TCS/ABS的功能与 控制效果。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案。
一种车辆动力安全模拟试验系统包括：用于模拟轮胎地面关系以异步电机 为核心的电气装置(1)、试验模拟平台(2)、模拟试验控制单元(3)、给三相 异步电机供电的三相电源(4)、车辆动力系统及其控制系统(5)、模拟试验台 数据显示界面(6)、车辆实时仿真系统(7)，车辆动力系统及其控制系统(5) 对试验模拟平台(2)中电机进行驱动控制，用于模拟轮胎地面关系以异步电机 为核心的电气装置(1)由给三相异步电机供电的三相电源(4)供电；车辆实 时仿真系统(7)模拟车辆模型，把速度送给模拟试验控制单元(3)，模拟试验控制单元(3)计算定子电压和转子电阻，并送给用于模拟轮胎地面关系以异步 电机为核心的电气装置(1)加以实现，改变试验模拟平台(2)中绕线异步电 动机的电压和转子电阻，通过调整定子电源电压和转子侧电阻即可得到不同的 电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出不同路面特性下的摩擦力-滑移率关系曲 线，实现用物理系统模拟轮胎-地面的实际(物理)关系。
所述车辆动力安全模拟试验系统，其特征在于所述的异步电机为核心的电气模拟装置(1)包括：一台三相转子绕线式交流异步电机(1-1)、异步电机转子串 联电阻及检测与控制单元(1-2)、异步电机调压调频变换单元(1-3)、制动回 馈单元(1-4)和三相电源(1-5)。
异步电机调压调频变换单元(1-3)输入端接三相电源(1-5)，输出端接三 相转子绕线式交流异步电机(1-1)定子侧，异步电机转子串联电阻及检测与控 制单元(1-2)输入端接三相电源(1-5)，输出端接入绕线式交流异步电机(1-1) 转子侧回路。
利用异步电动机转子模拟轮胎,定子磁场旋转速度模拟车辆速度(折算关系 为车轮半径)，电磁转矩模拟轮地接触摩擦力；利用异步电动机电磁转矩-转差 关系曲线与摩擦力-滑移率关系曲线的相似性，通过调整定子电源电压和转子侧 电阻即可得到不同的电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出不同路面特性下的摩 擦力-滑移率关系曲线。
所述的试验模拟平台2包括：与地面连接的平台(2-1)、车辆动力系统支 撑与安装组件(2-2)、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)(反映车辆动力 装置到车轴传动比)、转矩转速传感器及安装组件(2-5)、车轮模拟飞轮(2-6)、 车轮制动器(2-7)和三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)。车辆动力系统支 撑与安装组件(2-2)安装在与地面连接的平台(2-1)上，用于支撑安装牵引 电机；三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)安装在与地面连接的平台(2-1) 上，用于支撑安装绕线异步电动机；牵引电机、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)、车轮制动器(2-7)、车轮模拟飞轮(2-6)、转矩转速传感器及安装 组件(2-5)、异步电动机依次通过连接装置连接。
所述的模拟试验控制单元3包括牵引/制动试验模式给定单元(3-1)、路面 特性设置单元(3-2)、转矩转速传感数据计算单元(3-3)、车辆运动实时模拟单 元(3-4)、异步电机频率/电压给定单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算单元 (3-6)、异步电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)、异步电机转差率和车辆运 动滑移率计算单元(3-8)、与整车动力系统数据交互接口单元(3-9)、与异步电 机调压调频变换单元的数据交互接口单元(3-10)、模拟试验台数据显示界面接 口单元(3-11)。路面特性设置单元3-2用于设置图7(b)所示的路面特性用于 试用。转矩转速传感数据计算单元(3-3)把测量信号送给与整车动力系统数据 交互接口单元(3-9)、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(3-8)、车辆 运动实时模拟单元(3-4)；车辆运动实时模拟单元(3-4)、路面特性设置单元 (3-2)、牵引/制动试验模式给定单元(3-1)把数据分别送给异步电机频率/电压 给定单元(3-5)和异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)；异步电机频率/电压给 定单元(3-5)把电压给定数据送给与异步电机调压调频变换单元的数据交互接 口单元(3-10)；异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)把电阻计算数据送给异步 电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)；模拟试验台数据显示界面接口单元 (3-11)接收转矩转速传感数据计算单元(3-3)、异步电机转差率和车辆运动滑 移率计算单元(3-8)、车辆运动实时模拟单元(3-4)、异步电机频率/电压给定 单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)的输出数据。
所述的车辆动力系统及其控制系统(5)包括车辆动力装置(5-1)(可以为电 动机或内燃机、或混合动力装置)和整车动力控制系统(5-2)。
车辆动力装置(5-1)是本系统的动力输入装置，对于电动汽车，包括电机 与驱动控制系统。
整车动力控制系统(5-2)是在本系统中主要验证对象，即在各种路面条件 下，TCS/ABS的功能与控制效果。整车动力控制系统(5-2)包括能量管理单元、 整车动力控制单元、地面参数辨识，整车动力控制系统(5-2)根据驾驶员输入、 路面特性μ，λ、能量管理单元输出设置车辆动力装置(5-1)中电机控制器给定 转矩，车辆动力装置(5-1)中电机控制器对车辆动力装置(5-1)中电机进行 控制，电机通过车辆传动系统带动轮胎转动。
所述的车辆实时仿真系统7为虚拟现实系统，通过DSPACE实时仿真系统或 快速计算仿真功能的平台，实时模拟车辆运动状态，并将车辆轮胎运动速度实 时传递给以异步电机为核心的电气模拟装置1(其中的异步电机调压调频变换单 元1-3)
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步。
本发明提出的以异步电机为核心的物理模拟系统，用电气装置模拟轮胎地 面关系，即摩擦力与轮胎滑移率之间的非线性关系。既可以进行牵引系统的功 率试验，也可以直观测量表征车辆稳定性的滑移率等参数，进一步实现ABS/TCS 控制算法的验证。
以异步电机为核心的物理模拟系统，可以通过参数在线(实时)设定，对 可能的轮胎-地面关系进行模拟，比直接用车辆试验更具有安全性。
附图说明
图1是一种车辆动力学系统ABS/TCS地面试验模拟系统示意图
图2是异步电机为核心的电气模拟装置示意图
图3是试验模拟平台示意图
图4是模拟试验控制单元示意图
图5是车辆驱动系统及其控制系统结构图
图6是整车动力学性能与安全系统(ABS/TCS)试验模拟系统示意图
图7是异步电机转矩特性曲线与轮胎-路面特性曲线：(a)异步电机转矩特性 (b)车辆轮胎-地面特性曲线
图8是异步电动机电磁转矩-电机滑移率(M-s’)关系曲线
图9是转子电阻变化时M-s’关系曲线
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明做更详细地描述。
实施例一：
参见图1-图4，本车辆动力安全模拟试验系统,包括用于模拟轮胎地面关系 以异步电机为核心的电气装置(1)、试验模拟平台(2)、模拟试验控制单元(3)、 给三相异步电机供电的三相电源(4)、车辆动力系统及其控制系统(5)、模拟 试验台数据显示界面(6)和车辆实时仿真系统(7)。上述电气装置(1)连接 试验模拟平台(2)、三相电源(4)和模拟试验控制单元(3)，模拟试验控制单 元(3)连接车辆实时仿真系统(7)和模拟试验台数据显示界面(6)，试验模 拟平台(2)连接车辆动力系统及其控制系统(5)；所述车辆动力系统及其控制系统(5)对试验模拟平台(2)中电机进行驱动控制，用于模拟轮胎地面关系 以异步电机为核心的电气装置(1)由给三相异步电机供电的三相电源(4)供 电；所述车辆实时仿真系统(7)模拟车辆模型，把速度送给模拟试验控制单元 (3)，模拟试验控制单元(3)计算定子电压和转子电阻，并送给用于模拟轮胎 地面关系以异步电机为核心的电气装置(1)加以实现，改变试验模拟平台(2) 中绕线异步电动机的电压和转子电阻，通过调整定子电源电压和转子侧电阻即 可得到不同的电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出不同路面特性下的摩擦力- 滑移率关系曲线，实现用物理系统模拟轮胎-地面的实际物理关系。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置(1)包括：一 台三相转子绕线式交流异步电机(1-1)、异步电机转子串联电阻及检测与控制 单元(1-2)、异步电机调压调频变换单元(1-3)、制动回馈单元(1-4)和三相 电源(1-5)；
异步电机调压调频变换单元(1-3)输入端接三相电源(1-5)，输出端接三 相转子绕线式交流异步电机(1-1)定子侧，异步电机转子串联电阻及检测与控 制单元(1-2)输入端接三相电源(1-5)，输出端接入绕线式交流异步电机(1-1) 转子侧回路；利用异步电动机转子模拟轮胎,定子磁场旋转速度模拟车辆速度， 电磁转矩模拟轮地接触摩擦力；利用异步电动机电磁转矩-转差关系曲线与摩擦 力-滑移率关系曲线的相似性，通过调整定子电源电压和转子侧电阻即可得到不 同的电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出不同路面特性下的摩擦力-滑移率关 系曲线。
所述的试验模拟平台(2)包括：与地面连接的平台(2-1)、车辆动力系统 支撑与安装组件(2-2)、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)(反映车辆动 力装置到车轴传动比)、转矩转速传感器及安装组件(2-5)、车轮模拟飞轮(2-6)、 车轮制动器(2-7)和三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)。所述车辆动力系 统支撑与安装组件(2-2)安装在与地面连接的平台(2-1)上，用于支撑安装 牵引电机；三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)安装在与地面连接的平台 (2-1)上，用于支撑安装绕线异步电动机；牵引电机、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)、车轮制动器(2-7)、车轮模拟飞轮(2-6)、转矩转速传感器 及安装组件(2-5)、异步电动机依次通过连接装置连接。
所述的模拟试验控制单元3包括牵引/制动试验模式给定单元(3-1)、路面 特性设置单元(3-2)、转矩转速传感数据计算单元(3-3)、车辆运动实时模拟单 元(3-4)、异步电机频率/电压给定单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算单元 (3-6)、异步电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)、异步电机转差率和车辆运 动滑移率计算单元(3-8)、与整车动力系统数据交互接口单元(3-9)、与异步电 机调压调频变换单元的数据交互接口单元(3-10)和模拟试验台数据显示界面接 口单元(3-11)，所述路面特性设置单元3-2用于设置车辆轮胎-路面特性测试； 所述转矩转速传感数据计算单元(3-3)把测量信号送给与整车动力系统数据交 互接口单元(3-9)、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(3-8)、车辆运动实时模拟单元(3-4)；车辆运动实时模拟单元(3-4)、路面特性设置单元(3-2)、 牵引/制动试验模式给定单元(3-1)把数据分别送给异步电机频率/电压给定单 元(3-5)和异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)；异步电机频率/电压给定单元 (3-5)把电压给定数据送给与异步电机调压调频变换单元的数据交互接口单元 (3-10)；异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)把电阻计算数据送给异步电机转 子串联电阻参数设定单元(3-7)；模拟试验台数据显示界面接口单元(3-11)接收 转矩转速传感数据计算单元(3-3)、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单 元(3-8)、车辆运动实时模拟单元(3-4)、异步电机频率/电压给定单元(3-5)、 异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)的输出数据。
所述的车辆动力系统及其控制系统(5)包括车辆动力装置(5-1)和整车动力 控制系统(5-2)。
所述车辆动力装置(5-1)是本系统的动力输入装置，对于电动汽车，包括 电机与驱动控制系统；
所述整车动力控制系统(5-2)是在本系统中主要验证对象，即在各种路面 条件下，TCS/ABS的功能与控制效果；整车动力控制系统(5-2)包括能量管理 单元、整车动力控制单元、地面参数辨识，整车动力控制系统(5-2)根据驾驶 员输入、路面特性μ，λ、能量管理单元输出设置车辆动力装置(5-1)中电机控 制器给定转矩，车辆动力装置(5-1)中电机控制器对车辆动力装置(5-1)中 电机进行控制，电机通过车辆传动系统带动轮胎转动。
所述的车辆实时仿真系统(7)为虚拟现实系统，通过DSPACE实时仿真系 统或快速计算仿真功能的平台，实时模拟车辆运动状态，并将车辆轮胎运动速 度实时传递给以异步电机为核心的电气模拟装置(1)。
实施例三：
图1为本实施例的一种车辆动力学性能与ABS/TCS地面试验模拟系统示意 图。这是一种用物理系统模拟轮胎-地面的实际(物理)关系的方法，该地面试 试验模拟平台(2)、模拟试验控制单元(3)、给三相异步电机供电的三相电源 (4)、车辆动力系统及其控制系统(5)、模拟试验台数据显示界面(6)、车辆 实时仿真系统(7)。
车辆动力系统及其控制系统(5)对试验模拟平台(2)中永磁同步电机输 出转矩进行控制，进行牵引/制动算法研究。试验模拟平台(2)中永磁同步电 机通过离合器、减速箱与绕线式异步电动机连接，以异步电机为核心的电气装 置(1)由给三相异步电机供电的三相电源(4)供电；用于模拟轮胎地面关系 以异步电机为核心的电气装置(1)输出端与试验模拟平台(2)中异步电机定 子侧、转子侧相连；车辆实时仿真系统(7)模拟车辆模型，根据转矩计算车辆 运行速度，把速度送给模拟试验控制单元(3)，模拟试验控制单元(3)根据汽车工况、路面特性、车辆实时仿真系统7输出的车辆速度计算定子电压和转子 电阻，并送给用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置(1)加以实 现，改变试验模拟平台(2)中绕线异步电动机的电压和转子电阻，通过调整定 子电源电压和转子侧电阻即可得到不同的电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出 不同路面特性下的摩擦力-滑移率关系曲线，实现用物理系统模拟轮胎-地面的 实际(物理)关系。
图2示出异步电机为核心的电气装置(1)，包括：一台三相转子绕线式交 流异步电机(1-1)、异步电机转子串联电阻及检测与控制单元(1-2)、异步电机 调压调频变换单元(1-3)、制动回馈单元(1-4)。异步电机调压调频变换单元 (1-3)输入端接三相电源(1-5)，输出端接三相转子绕线式交流异步电机(1-1) 定子侧，异步电机转子串联电阻及检测与控制单元(1-2)输入端接三相电源 (1-5)，输出端接入绕线式交流异步电机(1-1)转子侧回路。
模拟M-s’曲线，需要控制三个量：电压和频率、曲线的斜度。通过异步电 机变压变频单元(1-3)改变绕线异步电动机的电压和频率,通过转子串联电阻及 检测与控制单元(1-2)改变绕线异步电动机转子侧电阻。
在模拟汽车ABS状态，异步电机处于牵引工况，异步电机通过变压变频单元 (1-3)从电网吸收能量。
在模拟汽车TCS状态，异步电机处于制动状态，使得变压变频单元(1-3)直 流母线电压升高，当直流母线电压升高到一定值时，通过连接在变频器母线的 制动回馈单元(1-4)将电能回馈到电网。
图3为试验模拟平台2，包括与地面连接的平台(2-1)、车辆动力系统支 撑与安装组建(2-2)、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)(反映车辆动力装置 到车轴传动比)、转矩转速传感器及安装组件(2-5)、车轮模拟飞轮(2-6)、车轮 制动器(2-7)、三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)等。车辆动力系统支撑与 安装组件(2-2)固定安装在与地面连接的平台(2-1)上，用于支撑安装牵引 电机；三相交流异步电机安装支撑组件(2-8)固定安装在与地面连接的平台 (2-1)上，用于支撑安装绕线异步电动机；牵引电机、离合器(2-3)、车辆等效减速箱(2-4)、车轮制动器(2-7)、车轮模拟飞轮(2-6)、转矩转速传感器 及安装组件(2-5)、异步电动机依次通过连接装置连接。
通过转矩传感器、转速传感器测量牵引电机输出转矩和转子速度(车轮速 度)；车轮模拟飞轮用于增加转子侧惯量，以模拟车轮旋转惯量。
图4为模拟试验控制，包括牵引/制动试验模式给定单元3-1、路面特性设 置单元3-2、转矩转速传感数据计算单元3-3、车辆运动实时模拟单元3-4、异 步电机频率/电压给定单元3-5、异步电机转子串联电阻计算单元3-6、异步电 机转子串联电阻参数设定单元3-7、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元 3-8、与整车动力系统数据交互接口单元3-9、与异步电机调压调频变换单元的 数据交互接口单元3-10、模拟试验台数据显示界面接口单元3-11。路面特性设 置单元3-2用于设置图7(b)所示的路面特性用于试用。路面特性设置单元 3-2用于设置图7(b)所示的路面特性用于试用。转矩转速传感数据计算单元 (3-3)把转矩、速度送给与整车动力系统数据交互接口单元(3-9)、异步电机转 差率和车辆运动滑移率计算单元(3-8)、车辆运动实时模拟单元(3-4)；车辆运 动实时模拟单元(3-4)把车辆速度、路面特性设置单元(3-2)把路面特性、 牵引/制动试验模式给定单元(3-1)把牵引/制动模式分别送给异步电机频率/电 压给定单元(3-5)和异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)；异步电机频率/电压 给定单元(3-5)把电压、频率信号送给与异步电机调压调频变换单元的数据交互 接口单元(3-10)；异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)把转子侧电阻送给异步 电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)；模拟试验台数据显示界面接口单元(3-11)接收转矩转速传感数据计算单元(3-3)，异步电机转差率和车辆运动滑 移率计算单元(3-8)，车辆运动实时模拟单元(3-4)，异步电机频率/电压给定 单元(3-5)，异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)的输出数据。
车辆运动实时模拟单元根据测量转矩和车辆模型计算车辆速度，得到异步 电机定子供电频率ω1；根据牵引/制动模式，路面特性和定子供电频率(车辆速 度)ω1计算得到异步电机定子电压U1和转子串联电阻R2’使M-s’模拟路面特性 曲线；定子电压U1和供电频率ω1经由数据交互接口单元送给异步电机调压调频 变换单元；异步电机转子串联电阻参数设定单元根据转子串联电阻R2’设定转子 侧电压并送给参数给转子串联电阻及检测与控制单元；转矩、转速和牵引/制动 模式通过接口单元3-9送给整车动力控制器；根据定子电源频率(车速)ω1和 电机转速ω计算车辆滑移率和电机转差率，滑移率、转差率、转矩、转速等数据 经由模拟试验台数据显示界面接口单元3-11送给图1中模拟试验台数据显示界 面进行显示。
图5为车辆动力系统及其控制系统，包括车辆动力装置5-1(可以为电动机 或内燃机、或混合动力装置)、整车动力控制系统5-2。
车辆动力装置5-1是本系统的动力输入装置，对于电动汽车，包括电机与 驱动控制系统。
整车动力控制系统5-2是在本系统中主要验证对象，即在各种路面条件下， TCS/ABS的功能与控制效果。整车动力控制系统(5-2)包括能量管理单元、整 车动力控制单元、地面参数辨识，整车动力控制系统(5-2)根据驾驶员输入、 路面特性μ，λ、能量管理单元输出设置车辆动力装置(5-1)中电机控制器给定 转矩，车辆动力装置5-1中电机控制器对车辆动力装置(5-1)中电机进行控制， 电机通过车辆传动系统带动轮胎转动。
图7为车辆实时仿真系统，通过DSPACE或快速计算仿真功能的平台，实时 模拟车辆运动状态，并将车辆轮胎运动速度实时传递给异步电机为核心的电气 模拟装置1(其中的异步电机调压调频变换单元1-3)
图6的整车动力学性能与安全系统(ABS/TCS)试验模拟方案包括用于模拟 轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置6-1、整车试验模拟支撑连接台架 6-2、整车模拟试验控制单元6-3、给各三相异步电机供电的三相电源6-4、车 辆实时仿真单元6-5、整车及车辆动力系统及其控制系统6-6、整车模拟试验台 数据显示界面6-7。整车及车辆动力系统及其控制系统(6-6)控制整车试验模 拟支撑连接台架(6-2)上的牵引电机工作在转矩控制模式或者速度控制模式； 用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置(6-1)由给各三相异步电 机供电的三相电源(6-4)供电，接收车辆实时仿真单元(6-5)的车辆速度，(6-1)输出与整车试验模拟支撑连接台架(6-2)中的异步电动机定子侧和转子侧相连； 整车模拟试验控制单元(6-3)设定车辆工况和路面特性，同时把转矩、速度、 滑移率等在整车模拟试验台数据显示界面显示(6-7)。整车及车辆动力系统及 其控制系统(6-6)是本系统中主要验证对象，即在各种路面条件下，TCS/ABS 的功能与控制效果。
Claims (6)
1.一种车辆动力安全模拟试验系统，包括用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置（1）、试验模拟平台（2）、模拟试验控制单元（3）、给三相异步电机供电的三相电源（4）、车辆动力系统及其控制系统（5）、模拟试验台数据显示界面（6）和车辆实时仿真系统（7），其特征在于：上述电气装置（1）连接试验模拟平台（2）、三相电源（4）和模拟试验控制单元（3），模拟试验控制单元（3）连接车辆实时仿真系统（7）和模拟试验台数据显示界面（6），试验模拟平台（2）连接车辆动力系统及其控制系统（5）；所述车辆动力系统及其控制系统（5）对试验模拟平台（2）中电机进行驱动控制，用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置（1）由给三相异步电机供电的三相电源（4）供电；所述车辆实时仿真系统（7）模拟车辆模型，把速度送给模拟试验控制单元（3），模拟试验控制单元（3）计算定子电压和转子电阻，并送给用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置（1）加以实现，改变试验模拟平台（2）中绕线异步电动机的电压和转子电阻，通过调整定子电源电压和转子侧电阻即可得到不同的电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出不同路面特性下的摩擦力-滑移率关系曲线，实现用物理系统模拟轮胎-地面的实际物理关系。
2.根据权利要求1所述车辆动力安全模拟试验系统，其特征在于：所述的用于模拟轮胎地面关系以异步电机为核心的电气装置（1）包括：一台三相转子绕线式交流异步电机（1-1）、异步电机转子串联电阻及检测与控制单元（1-2）、异步电机调压调频变换单元（1-3）、制动回馈单元（1-4）和三相电源（1-5）；
异步电机调压调频变换单元（1-3）输入端接三相电源（1-5），输出端接三相转子绕线式交流异步电机（1-1）定子侧，异步电机转子串联电阻及检测与控制单元（1-2）输入端接三相电源（1-5），输出端接入绕线式交流异步电机（1-1）转子侧回路；利用异步电动机转子模拟轮胎,定子磁场旋转速度模拟车辆速度，电磁转矩模拟轮地接触摩擦力；利用异步电动机电磁转矩-转差关系曲线与摩擦力-滑移率关系曲线的相似性，通过调整定子电源电压和转子侧电阻即可得到不同的电磁转矩-转差关系曲线，从而模拟出不同路面特性下的摩擦力-滑移率关系曲线。
3.根据权利要求1所述车辆动力安全模拟试验系统，其特征在于：所述的试验模拟平台（2）包括：与地面连接的平台（2-1）、车辆动力系统支撑与安装组件（2-2）、离合器（2-3）、车辆等效减速箱（2-4）（反映车辆动力装置到车轴传动比）、转矩转速传感器及安装组件（2-5）、车轮模拟飞轮（2-6）、车轮制动器（2-7）和三相交流异步电机安装支撑组件（2-8）；所述车辆动力系统支撑与安装组件（2-2）安装在与地面连接的平台（2-1）上，用于支撑安装牵引电机；三相交流异步电机安装支撑组件（2-8）安装在与地面连接的平台（2-1）上，用于支撑安装绕线异步电动机；牵引电机、离合器（2-3）、车辆等效减速箱（2-4）、车轮制动器（2-7）、车轮模拟飞轮（2-6）、转矩转速传感器及安装组件（2-5）、异步电动机依次通过连接装置连接。
4.根据权利要求1所述车辆动力安全模拟试验系统，其特征在于：所述的模拟试验控制单元3包括牵引/制动试验模式给定单元(3-1)、路面特性设置单元(3-2)、转矩转速传感数据计算单元(3-3)、车辆运动实时模拟单元(3-4)、异步电机频率/电压给定单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)、异步电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(3-8)、与整车动力系统数据交互接口单元(3-9)、与异步电机调压调频变换单元的数据交互接口单元(3-10)和模拟试验台数据显示界面接口单元(3-11)，所述路面特性设置单元3-2用于设置车辆轮胎-路面特性测试；所述转矩转速传感数据计算单元(3-3)把测量信号送给与整车动力系统数据交互接口单元(3-9)、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(3-8)、车辆运动实时模拟单元（3-4）；车辆运动实时模拟单元（3-4）、路面特性设置单元（3-2）、牵引/制动试验模式给定单元(3-1)把数据分别送给异步电机频率/电压给定单元(3-5)和异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)；异步电机频率/电压给定单元(3-5)把电压给定数据送给与异步电机调压调频变换单元的数据交互接口单元(3-10)；异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)把电阻计算数据送给异步电机转子串联电阻参数设定单元(3-7)；模拟试验台数据显示界面接口单元(3-11)接收转矩转速传感数据计算单元（3-3）、异步电机转差率和车辆运动滑移率计算单元（3-8）、车辆运动实时模拟单元（3-4）、异步电机频率/电压给定单元(3-5)、异步电机转子串联电阻计算单元(3-6)的输出数据。
5.根据权利要求1所述车辆动力安全模拟试验系统，其特征在于：所述的车辆动力系统及其控制系统(5)包括车辆动力装置(5-1)和整车动力控制系统(5-2)；所述车辆动力装置（5-1）是本系统的动力输入装置，对于电动汽车，包括电机与驱动控制系统；
所述整车动力控制系统（5-2）是在本系统中主要验证对象，即在各种路面条件下，TCS/ABS的功能与控制效果；整车动力控制系统（5-2）包括能量管理单元、整车动力控制单元、地面参数辨识，整车动力控制系统（5-2）根据驾驶员输入、路面特性、能量管理单元输出设置车辆动力装置（5-1）中电机控制器给定转矩，车辆动力装置（5-1）中电机控制器对车辆动力装置（5-1）中电机进行控制，电机通过车辆传动系统带动轮胎转动。
6.根据权利要求1所述车辆动力安全模拟试验系统，其特征在于：所述的车辆实时仿真系统（7）为虚拟现实系统，通过DSPACE实时仿真系统或快速计算仿真功能的平台，实时模拟车辆运动状态，并将车辆轮胎运动速度实时传递给以异步电机为核心的电气模拟装置（1）。
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