CN110031233B - 一种可模拟车辆风阻的轮地试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可模拟车辆风阻的轮地试验系统，该试验系统包括以新型电机为核心的模拟轮胎地面关系的电机对拖平台、带动新型电机定子旋转的动力装置、模拟车辆风阻的风机、轮地模拟控制单元、车辆动力系统控制单元和模拟试验台数据显示界面；电机对拖平台由车辆驱动总成与新型电机同轴对拖，新型电机定子由动力装置带动旋转，电机对拖平台的新型电机定子与模拟车辆风阻的风机同轴联接，风阻的大小由叶片的结构及轮地模拟控制单元输出的车速确定。电机对拖平台模拟的路面条件由轮地模拟控制单元设定，电机对拖平台的车辆驱动总成由车辆动力系统控制单元控制驱动。本发明用带风机的电机对拖平台模拟轮胎地面关系，能准确反映出真实工况，可广泛应用于车辆安全性能测试中。
Description
技术领域
本发明是关于一种可模拟车辆风阻的轮地试验系统，属于车辆安全性能测试领域。
背景技术
车辆在湿滑路面紧急牵引或制动或者给定电机转矩过大超出安全范围内时，可能会出现车轮的滑转，此时车辆处于不稳定且方向失控的状态。车辆动力学安全系统是车辆稳定安全行驶的重要保证，学者们提出了各种先进的制动防抱死系统ABS和驱动防滑控制系统TCS用于提高车辆动力学安全性能。但目前车辆动力系统ABS/TCS的安全性能测试仍是个很大的难题。对ABS/TCS算法进行实车道路测试，需要专用的测试跑道，成本高，测试过程中受外界环境的影响大，效率低且存在着车毁人亡的风险，这些原因导致ABS/TCS算法开发周期长、成本高。而采用计算机模拟来验证算法数字模拟，无法反映功率变换和地面摩擦的关系，且精度低。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提出一种可模拟车辆风阻轮地试验系统，是一种低成本的能够准确模拟车辆动力性能的安全试验系统。
一种可模拟车辆风阻的轮地试验系统,为达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：包括模拟轮胎地面关系的电机对拖平台、带动新型电机定子旋转的动力装置、模拟车辆风阻的风机、轮地模拟控制单元、车辆动力系统控制单元和模拟试验台数据显示界面；其特征在于所述电机对拖平台由车辆驱动总成与新型电机同轴对拖，所述带动新型电机定子旋转的动力装置带动新型电机定子旋转，所述模拟车辆风阻的风机与对拖平台的新型电机定子同轴联接，模拟车辆运行中受到的风阻，风阻的大小由叶片的结构及轮地模拟控制单元输出的车速确定，所述轮地模拟控制单元设定电机对拖平台模拟的路面条件，所述车辆动力系统控制单元控制驱动对拖平台的车辆驱动总成，所述模拟试验台数据显示界面显示车速、轮速和转矩等试验数据波形。
进一步地，所述电机对拖平台包括：一套车辆驱动总成、一台新型电机、新型电机定子侧直流调压单元、制动回馈单元、车轮惯量模拟飞轮和车身惯量模拟飞轮；一套车辆驱动总成由车辆动力系统控制单元控制驱动，一台新型电机的定子侧由新型电机定子侧直流调压单元供电，转子侧与车辆驱动总成同轴联接。新型电机定子侧直流调压单元输入端接三相电源，输出端接新型电机定子侧，所述车轮惯量模拟飞轮通过调节惯量盘大小使电机对拖平台惯量与车轮惯量相等，所述车身惯量模拟飞轮通过调节惯量盘大小使风机惯量与车身惯量相等。
进一步地，其特征在于：新型电机定子侧通过滑环馈入直流电，并由动力装置带动旋转，形成机械式的旋转磁场。转子绕组切割磁场产生感应电动势，新型电机的旋转定子和常规异步电机定子一样，产生旋转速度可控制的旋转磁场。利用新型电机电磁转矩-转差关系曲线与摩擦力-滑移率关系曲线的相似性，可由转子旋转速度模拟车轮速度,定子旋转速度模拟车身速度，电磁转矩模拟轮地接触摩擦力，通过调整定子电源电压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。
进一步地，所述带动新型电机定子旋转的动力装置包括：旋转电机、电机控制单元、齿轮；所述旋转电机与新型电机定子侧通过齿轮联接，所述电机控制单元控制旋转电机的转速。
进一步地，所述模拟车辆风阻的风机包括：可变叶轮、进风口、出风口、机械联接装置和防护罩；所述可变叶轮的叶片结构可调节，可模拟出不同的迎风面积，所述进风口从风口抽入空气，所述出风口从风口排出空气，所述机械联接装置联接风机和新型电机的定子。
进一步地，所述轮地模拟控制单元包括：轮地模拟控制单元包括：牵引/制动试验模式给定单元、路面特性设置单元、转矩转速传感器数据处理单元、新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元、与新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元、与车辆动力系统控制单元的数据交互接口单元和模拟试验台数据显示界面数据交互接口单元；所述牵引/制动试验模式给定单元用于设置模拟试验车辆的工况为牵引或制动，所述路面特性设置单元用于设置路面条件如干路面、湿路面和冰雪路面等，所述转矩转速传感器数据处理单元用于对转矩转速传感器数据滤波处理并将数据送给与新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元和与车辆动力系统控制单元的数据交互接口单元，所述新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元用于计算新型电机转差率并将其换算到车辆运动滑移率，路面特性设置单元把数据送给与新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元；模拟试验台数据显示界面数据交互接口单元接收转矩转速传感器数据处理单元、新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元、与新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元的输出数据。
进一步地，所述的车辆动力系统控制单元包括电机驱动控制系统、防滑控制系统，所述电机驱动控制系统控制电机对拖平台的车辆驱动总成，所述防滑控制系统是本轮地试验系统的验证对象，即防滑控制系统在各种路面条件下的控制性能，防滑控制系统包括稳定性判别单元、路面识别单元、滑移率控制单元。
本发明提出的以新型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，即车辆轮胎地面摩擦力与滑移率之间的非线性关系。既可以进行动力系统的功率试验，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防滑控制算法的验证。
采用新型电机模拟地面与轮胎关系的优势在于：新型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6所示(a)(b)中，图(a)为新型电机转矩特性、图(b)为车辆轮胎地面特性曲线。新型电机的定子联接风机可模拟出车辆受到的风阻。
图6(a)的新型电机转矩特性中，纵坐标为转矩(电磁转矩M、横坐标为新型电机的滑差率s)
n1,nr分别为电机定子机械转速和电机转子机械转速。
图6(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，横坐标为车轮与车身速度表征的滑移率。
V为车身速度，ωr为车轮速度。
将新型电机转子速度模拟为车轮速度，新型电机定子速度模拟为车身速度。
在新型电机处于制动运行状态时，车辆的滑移率即为新型电机转差率。但在新型电机处于牵引运行状态时，两者不相等。
为此定义新型电机新的参数——电机滑移率s’。
新型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，图为新型电机电磁转矩-电机滑移率关系曲线。
对照图6(b)和图7曲线，新型电机M-s’曲线和轮胎路面接触特性曲线相似。利用Ms’曲线模拟轮胎地面接触特性曲线，需要反映路面各种情况。
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。
1.本发明提出的以新型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，即车辆轮胎地面摩擦力与滑移率之间的非线性关系。既可以进行动力系统的功率试验，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防滑控制算法的验证。
2.本发明以新型电机为核心的物理模拟系统，可以通过参数在线实时设定，对各种路面条件进行模拟，与实车试验相比更具有安全性。
3.本发明由于设置风机模拟车辆的风阻，飞轮模拟车辆和车轮的惯量，与实际车辆系统相对应，精度高。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明以新型电机为核心的模拟轮胎地面关系电机对拖平台示意图；
图3是新型电机结构示意图；
图4是本发明模拟车辆风阻的风机结构图；
图5是本发明轮地模拟控制单元示意图；
图6是新型电机转矩特性曲线与轮胎-路面特性曲线，其中图6(a)为新型电机转矩特性曲线，
图6(b)为车辆轮胎-地面特性曲线；
图7是新型电磁转矩电机滑移率M-s’关系曲线；
具体实施方式
下面是本发明的优选实施结合附图对本发明进行详细的描绘。附图的提供仅为了更好地理解本发明，他们不应该理解成对本发明的限制。
实施例一
参见图1-图5，本发明提供的可模拟车辆风阻的轮地试验系统，包括以新型电机为核心的模拟轮胎地面关系的电机对拖平台(1)、带动新型电机定子旋转的动力装置(2)、模拟车辆风阻的风机(3)、轮地模拟控制单元(4)、车辆动力系统控制单元(5)和模拟试验台数据显示界面(6)。上述电机对拖平台(1)由车辆驱动总成与新型电机同轴对拖，带动新型电机定子旋转的动力装置带动新型电机定子旋转，模拟车辆风阻的风机与对拖平台(1)的新型电机定子同轴联接，模拟车辆运行中受到的风阻，风阻的大小由叶片的结构及轮地模拟控制单元(4)输出的车速确定，轮地模拟控制单元(4)设定电机对拖平台(1)模拟的路面条件，车辆动力系统控制单元(5)控制驱动对拖平台(1)的车辆驱动总成，模拟试验台数据显示界面(6)显示车速、轮速和转矩等试验数据波形。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
如图2所示的以新型电机为核心的模拟轮胎地面关系的电机对拖平台(1)包括：一套车辆驱动总成(1-1)、一台新型电机(1-2)、新型电机定子侧直流调压单元(1-3)、制动回馈单元(1-4)、车轮惯量模拟飞轮(1-5)和车身惯量模拟飞轮(1-6)；一套车辆驱动总成(1-1)由车辆动力系统控制单元(5)控制驱动，一台新型电机(1-2)的定子侧由新型电机定子侧直流调压单元(1-3)供电，转子侧与车辆驱动总成(1-1)同轴联接。新型电机定子侧直流调压单元(1-3)输入端接三相电源(1-6)，输出端接新型电机(1-2)定子侧，所述车轮惯量模拟飞轮(1-5)通过调节惯量盘大小使电机对拖平台(1)惯量与车轮惯量相等，所述车身惯量模拟飞轮(1-6)通过调节惯量盘大小使风机惯量与车身惯量相等。
如图3所示新型电机(1-2)定子侧通过滑环馈入直流电，并由动力装置(2)带动旋转，形成机械式的旋转磁场。转子绕组切割磁场产生感应电动势，新型电机的旋转定子和常规异步电机定子一样，产生旋转速度可控制的旋转磁场。利用新型电机电磁转矩-转差关系曲线与摩擦力-滑移率关系曲线的相似性，可由转子旋转速度模拟车轮速度,定子旋转速度模拟车身速度，电磁转矩模拟轮地接触摩擦力，通过调整定子电源电压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。
所述带动新型电机定子旋转的动力装置(2)包括：旋转电机(2-1)、电机控制单元(2-2)、齿轮(2-3)；所述旋转电机(2-1)与新型电机定子侧通过齿轮(2-3)联接，所述电机控制单元(2-2)控制旋转电机的转速。
如图4所示的所述模拟车辆风阻的风机(3)包括：可变叶轮(3-1)、进风口(3-2)、出风口(3-3)、机械联接装置(3-4)和防护罩(3-5)；可变叶轮(3-1)的叶片结构可调节，可模拟出不同的迎风面积，进风口(3-2)从风口抽入空气，出风口(3-3)从风口排出空气，所述机械联接装置(3-4)联接风机和新型电机的定子。
如图5所示的轮地模拟控制单元(4)包括：轮地模拟控制单元(4)包括：牵引/制动试验模式给定单元(4-1)、路面特性设置单元(4-2)、转矩转速传感器数据处理单元(4-3)、新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)、与新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元(4-5)、与车辆动力系统控制单元的数据交互接口单元(4-6)和模拟试验台数据显示界面数据交互接口单元(4-7)；所述牵引/制动试验模式给定单元(4-1)用于设置模拟试验车辆的工况为牵引或制动，所述路面特性设置单元(4-2)用于设置路面条件如干路面、湿路面和冰雪路面等，所述转矩转速传感器数据处理单元(4-3)用于对转矩转速传感器数据滤波处理并将数据送给与新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)和与车辆动力系统控制单元的数据交互接口单元(4-6)，所述新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)用于计算新型电机转差率并将其换算到车辆运动滑移率，路面特性设置单元(4-2)把数据送给与新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元(4-5)；模拟试验台数据显示界面数据交互接口单元(4-7)接收转矩转速传感器数据处理单元(4-3)、新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)、与新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元(4-5)的输出数据。
车辆动力系统控制单元(5)包括电机驱动控制系统(5-1)、防滑控制系统(5-2)，电机驱动控制系统(5-1)控制电机对拖平台的车辆驱动总成，防滑控制系统(5-2)是本轮地试验系统的验证对象，即防滑控制系统在各种路面条件下的控制性能，防滑控制系统(5-2)包括稳定性判别单元、路面识别单元、滑移率控制单元。
上述各实施实例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (1)
1.一种可模拟车辆风阻的轮地试验系统，包括模拟轮胎地面关系的电机对拖平台(1)、带动新型电机定子旋转的动力装置(2)、模拟车辆风阻的风机(3)、轮地模拟控制单元(4)、车辆动力系统控制单元(5)和模拟试验台数据显示界面(6)；其特征在于：
所述电机对拖平台(1)主要由车辆驱动总成与新型电机同轴对拖构成，所述带动新型电机定子旋转的动力装置(2)连接带动新型电机定子旋转，所述模拟车辆风阻的风机(3)与对拖平台(1)的新型电机定子同轴联接，模拟车辆运行中受到的风阻，风阻的大小由叶片的结构及轮地模拟控制单元(4)连接定子旋转动力装置(2)并输出的车速确定，所述轮地模拟控制单元(4)设定电机对拖平台(1)模拟的路面条件，所述车辆动力系统控制单元(5)连接控制电机对拖平台(1)的车辆驱动总成，所述模拟试验台数据显示界面(6)显示车速、轮速和转矩试验数据波形；
所述电机对拖平台(1)包括：一套车辆驱动总成(1-1)、一台新型电机(1-2)、新型电机定子侧直流调压单元(1-3)、制动回馈单元(1-4)、车轮惯量模拟飞轮(1-5)和车身惯量模拟飞轮(1-6)；一套车辆驱动总成(1-1)由车辆动力系统控制单元(5)控制驱动，一台新型电机(1-2)的定子侧由新型电机定子侧直流调压单元(1-3)供电，转子侧与车辆驱动总成(1-1)同轴联接，新型电机定子侧直流调压单元(1-3)输入端接三相电源，输出端接新型电机(1-2)定子侧，所述车轮惯量模拟飞轮(1-5)通过调节惯量盘大小使电机对拖平台(1)惯量与车轮惯量相等，所述车身惯量模拟飞轮(1-6)通过调节惯量盘大小使风机惯量与车身惯量相等；
所述新型电机(1-2)定子侧通过滑环馈入直流电，并由动力装置(2)带动旋转，形成机械式的旋转磁场；转子绕组切割磁场产生感应电动势，新型电机的旋转定子和异步电机定子一样，产生旋转速度可控制的旋转磁场；利用新型电机电磁转矩-转差关系曲线与摩擦力-滑移率λ关系曲线的相似性，由转子旋转速度模拟车轮速度ωr，定子旋转速度模拟车身速度V，电磁转矩模拟轮地接触摩擦力，通过调整定子电源电压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；
利用车轮速度ωr与车身速度V表征的滑移率λ如下：
其中，V为车身速度，ωr为车轮速度；
所述带动新型电机定子旋转的动力装置(2)包括：旋转电机(2-1)、电机控制单元(2-2)和齿轮(2-3)；所述旋转电机(2-1)与新型电机定子侧通过齿轮(2-3)联接，所述电机控制单元(2-2)控制旋转电机的转速；所述模拟车辆风阻的风机(3)包括：可变叶轮(3-1)、进风口(3-2)、出风口(3-3)、机械联接装置(3-4)和防护罩(3-5)；所述可变叶轮(3-1)的叶片结构可调节，可模拟出不同的迎风面积，所述进风口(3-2)从风口抽入空气，所述出风口(3-3)从风口排出空气，所述机械联接装置(3-4)联接风机和新型电机的定子；
所述轮地模拟控制单元(4)包括：牵引/制动试验模式给定单元(4-1)、路面特性设置单元(4-2)、转矩转速传感器数据处理单元(4-3)、新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)、新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元(4-5)、车辆动力系统控制单元的数据交互接口单元(4-6)和模拟试验台数据显示界面数据交互接口单元(4-7)；所述牵引/制动试验模式给定单元(4-1)用于设置模拟试验车辆的工况为牵引或制动，所述路面特性设置单元(4-2)用于设置路面条件干路面、湿路面和冰雪路面，所述转矩转速传感器数据处理单元(4-3)用于对转矩转速传感器数据滤波处理并将数据送给新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)和车辆动力系统控制单元的数据交互接口单元(4-6)，所述新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)用于计算新型电机转差率并将其换算到车辆运动滑移率，路面特性设置单元(4-2)把数据送给新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元(4-5)；模拟试验台数据显示界面数据交互接口单元(4-7)接收转矩转速传感器数据处理单元(4-3)、新型电机转差率和车辆运动滑移率计算单元(4-4)、新型电机定子侧直流调压单元的数据交互接口单元(4-5)的输出数据；
所述车辆动力系统控制单元(5)包括电机驱动控制系统(5-1)和防滑控制系统(5-2)，所述电机驱动控制系统(5-1)控制电机对拖平台(1)的车辆驱动总成，所述防滑控制系统(5-2)是本轮地试验系统的验证对象，即防滑控制系统在各种路面条件下的控制性能，防滑控制系统(5-2)包括稳定性判别单元、路面识别单元、滑移率控制单元。
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