CN110132587A - 一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台 - Google Patents

一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台 Download PDF

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Abstract

一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，由数据实时采集控制平台和实验台架组成；该平台具有如下特点：基于搭建的电动轮电动车模型和磁粉制动器加载控制模型，能够实时准确的计算出需要模拟的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力；针对磁粉制动器转矩和控制电流不是严格的线性关系，在负载模拟过程中会导致转矩控制精度低这一问题，在磁粉制动器加载模型中引入PID闭环控制，保证了负载力矩的精确控制；为了提高负载模拟精度并降低负载模拟的难度，采用组合式的飞轮装置精确模拟整车的等效转动惯量；该电动轮试验台具有成本低、精度高的优势，可为电动轮及电动轮电动车的开发测试提供良好的试验平台。

Description

一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台
技术领域
本发明属于电动轮电动车性能测试领域，更具体地说，它涉及一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台。
背景技术
台架测试多应用在汽车及总成开发领域，在汽车开发前期，通过台架试验，能够模拟汽车的起步、加速、爬坡、制动等工况，如果精度可接近实车道路实验，就可提高整车及部件实验的安全性，减少对实验场地的依赖性，降低整车及部件的开发成本，更可有效缩短整车及部件的开发周期。
电动轮作为一种新型的动力传递技术，省去了传统汽车上包括减速器、差速器和传动轴等在内的机械传动部件，将电机及传动机构集成到了轮毂内，能直接带动车轮旋转，在带来驱动效率高、可优化底盘布置等优势的同时，如何精确测试单个电动轮的驱动性能也就成为电动轮电动车开发的关键，而如何精确模拟电动轮电动车行驶过程的车轮阻力也就成为电动轮性能测试的关键。
试验台负载模拟系统是电动轮性能测试的关键，目前电机的负载模拟系统多采用测功机，但是由于测功机价格昂贵、占用空间较大，使得一些学校和单位不便使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，该试验台包括数据实时采集控制平台和试验台架。
数据实时采集控制平台由宿主机和目标机组成；宿主机为普通PC机，目标机为工控机，宿主机通过TCP/IP网络与目标机相连；在宿主机上装有Matlab/Simulink软件，并基于Matlab/Simulink软件搭建有行驶工况模型、驾驶员模型、整车控制模型、车辆模型、车辆行驶环境模型和负载转矩加载控制模型；上述模型在宿主机中被通过RTW编译成可以在目标机中运行的实时代码，通过TCP/IP网络将模型的目标实时代码下载到目标机中，并在目标机中实时运行。
目标机中装有一个型号为ADVANTECH PCI-1680U的CAN通信卡和一个型号为ADVANTECH PCI-1712的数据采集卡。
试验台架包括电动轮、电动轮控制器、飞轮装置、联轴器、转速转矩传感器、V/F转换器、磁粉制动器和程控电源。
电动轮通过联轴器与飞轮装置相连，飞轮装置通过联轴器与转速转矩传感器相连，转速转矩传感器通过联轴器与磁粉制动器相连。
电动轮电动车行驶过程中所受到的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力由磁粉制动器模拟，通过以目标负载转矩和实际负载转矩为输入变量的PID控制，实现对负载转矩的闭环调整；采用组合式的飞轮装置精确模拟整车的等效转动惯量，即电动轮电动车行驶过程中所受到加速阻力由飞轮组模拟，考虑到加强台架的通用性和满足不同车型的需求，用常用飞轮来模拟汽车平移质量，剩余的转动惯量用等公比数列分级方法分成的可自由结合的飞轮组模拟。
目标机中ADVANTECH PCI-1680U CAN通信卡和试验台架中电动轮电机控制器组成CAN网络；PCI-1680U CAN通信卡将由整车控制模型计算得到的电动轮驱动转矩值发送到CAN网络上，并由试验台架中的电动轮控制器接收；电动轮控制器按一定周期将电流、电压、温度等电机状态信息发送到CAN网络上；相关信息由PCI-1680U CAN通信卡接收；目标机中数据采集卡PCI-1712的任一DA输出通道将由负载转矩模型和PID控制计算得到的磁粉制动器控制电流值发送给试验台架中的程控电源；试验台架转速转矩传感器测得不同负载下电动轮的转速和转矩值，并通过V/F转换器转换为频率信号发送给目标机上PCI-1712数据采集卡的任意两个计数器通道。
本发明提出一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，该平台具有如下特点：基于搭建的电动轮电动车模型和磁粉制动器加载控制模型，能够实时准确的计算出需要模拟的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力；针对磁粉制动器转矩和控制电流不是严格的线性关系，在负载模拟过程中会导致转矩控制精度低这一问题，在磁粉制动器加载模型中引入PID闭环控制，保证了负载力矩的精确控制；为了提高负载模拟精度并降低负载模拟的难度，采用组合式的飞轮装置精确模拟整车的等效转动惯量；与现有的测功机方案相比具有成本低、精度高的优势，可为电动轮及电动轮电动车的开发测试提供良好的试验平台。
附图说明
图1是本发明的一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台的结构组成和工作原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，能够准确再现电动轮电动车在实车行驶时受到的行驶阻力，为测试电动轮性能提供接近实车行驶的环境。
一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台包括数据实时采集控制平台和试验台架。
所述的数据实时采集控制平台包括：宿主机、目标机、用于目标机的一个型号为ADVANTECH PCI-1680U的CAN通信卡和一个型号为ADVANTECH PCI-1712的数据采集卡；所述的试验台架包括：电动轮、电动轮控制器、飞轮装置、联轴器、转速转矩传感器、V/F转换器、磁粉制动器、程控电源。
数据实时采集控制平台采用xPC技术，宿主机为普通PC机，在宿主机上装有Matlab/Simulink软件，宿主机实现如下功能：(1)基于宿主机中安装的Matlab/Simulink软件，搭建基于人-车-路的电动轮驱动电动车模型和负载转矩加载控制模型并进行离线验证，基于人-车-路的电动轮驱动电动车模型包括行驶工况模型、驾驶员模型、整车控制模型、车辆模型和车辆行驶环境模型，负载转矩加载控制模型包括负载转矩模型和PID控制模型；(2)将验证后的模型通过RTW编译成可以在目标机中运行的实时代码，并通过TCP/IP网络将模型的目标实时代码下载到目标机中；(3)为了监控整个试验过程，在宿主机上建立监控界面，该监控界面直接采用Matlab中的xPC-Target explorer搭建，可以实现试验过程中数据的实时显示以及对目标机的实时控制。
数据实时采集控制平台中的目标机为工控机，含CPU、内存等PC组件；所述的目标机可实现如下功能：(1)实时运行基于人-车-路的电动轮驱动电动车模型和负载转矩加载控制模型；(2)目标机作为数据采集卡的载体，使得数据实时采集控制平台能够完成与试验台架中各传感器和控制器之间的信息交互；(3)将实验数据通过TCP/IP网络实时发送给宿主机。
所述宿主机与目标机通过TCP/IP网络进行数据交互，TCP/IP网络具有如下优势：硬件价格低廉，设备性能要求不高，传输速率和可靠性均较高，并可实现远距离通讯。
目标机中型号为PCI-1712的数据采集卡具有16路单端或8路差分模拟量输入通道，2路12位模拟量输出通道，16路数字量输入通道和16路数字量输出通道，3路16位可编程计数器；目标机中型号为PCI-1680U的CAN通信卡通过内置的CAN控制器可通过自动重发功能实现总线仲裁和差错检测功能，极大的降低数据丢失几率，从而保证系统可靠性，PCI-1680U CAN通信卡可同时操作两个独立的CAN网络，传输速率最高可达1Mbps；PCI-1680UCAN通信卡和试验台架中电动轮控制器组成CAN网络；PCI-1680U CAN通信卡将由整车控制模型计算得到的某一电动轮的驱动转矩值发送到CAN网络上，并由试验台架中的电动轮控制器接收；同时，电动轮控制器按一定周期将电流、电压、温度等电机状态信息发送到CAN网络上；相关信息由PCI-1680U CAN通信卡接收；目标机中PCI-1712数据采集卡的任一路DA输出通道将由负载转矩模型和PID控制计算得到的磁粉制动器控制电流值发送给试验台架中的程控电源；试验台架中的转速转矩传感器测得不同负载下电动轮的转速和转矩值，并将测得的两路频率信号通过V/F转换器转换为频率信号发送给目标机上PCI-1712数据采集卡的任意两个计数器通道。
一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台能够精确模拟汽车在道路上行驶时受到的阻力：滚动阻力、空气阻力、加速阻力、和坡度阻力。
滚动阻力由下式计算：
Ff＝mgf
空气阻力由下式计算：
坡度阻力由下式计算：
Fi＝mg sinα
加速阻力由下式计算：
其中，m为整车质量，f为滚动阻力系数，Cd为空气阻力系数，A为汽车迎风面积，g为重力加速度，u为行驶车速，δ为旋转质量换算系数，α为坡度角。
由上述方程知，要模拟汽车行驶过程中受到的阻力，需要实时算出车辆的行驶车速、坡度角和加速度值，为了提高负载模拟的精度，本发明选用磁粉制动器与组合式飞轮装置相结合的方案模拟电动轮电动车负载，其中磁粉制动器主要用来模拟整车的滚动阻力、空气阻力和爬坡阻力，组合式飞轮装置主要用来模拟整车的加速阻力；磁粉制动器是一种便于控制、体积小、价格便宜的负载模拟装置，应用十分广泛；针对磁粉制动器转矩和控制电流不是严格的线性关系，在负载模拟过程中会导致转矩控制精度低这一问题，在磁粉制动器加载模型中引入PID闭环控制，保证了负载力矩的精确控制，具体设置在下文详细说明；为了提高负载模拟精度并降低负载模拟的难度，采用组合式的飞轮装置精确模拟整车的等效转动惯量，并给出了详细的飞轮组合设计方法，具体设置在下文详细说明。
基于人-车-路的电动轮驱动电动车模型包括行驶工况模型、驾驶员模型、整车控制模型、车辆模型和车辆行驶环境模型，负载转矩加载控制模型包括负载转矩模型和PID控制模型；行驶工况模型是车速与时间的关系，其输出是汽车的目标行驶速度；驾驶员模型是一个基于目标车速和实际车速的PI控制器模型，模型的输入为实际车速和目标车速的差值，模型的输出为加速踏板和制动踏板的开度，驾驶员模型还向车辆模型输出方向盘转角信号；整车控制模型的输入包括驾驶员模型输出的加速踏板开度、制动踏板开度，车辆模型输出的车速、质心侧偏角、纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、车轮滑移率等信号；整车控制模型通过计算可得到前左轮驱动转矩、前右轮驱动转矩、后左轮驱动转矩、后右轮驱动转矩，并将其传给车辆模型；车辆模型接收驾驶员模型输出的方向盘转角、整车控制模型输出的四个车轮驱动转矩，根据计算得到车速、质心侧偏角、纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、车轮滑移率，其中车速、质心侧偏角、纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、车轮滑移率传递给整车控制模型，纵向加速度、车速传递给负载转矩模型；负载转矩模型接收车辆行驶环境模型输出的道路坡度角和由PCI-1712计数器通道采集得到的电动轮转速，负载转矩模型根据这些信号计算得到所需的磁粉制动器目标负载转矩，该目标转矩与实际负载转矩相减，差值作为PID控制的输入；实际负载转矩由转速转矩传感器测得后，经V/F转换器转换为频率信号，由PCI-1712的计数器通道采集后，输入给负载转矩模型，PID控制根据上述输入可计算得到磁粉制动器控制电流，相应的电流值通过PCI1712的DA输出通道输出给程控电源，从而控制磁粉制动器的输出力矩大小。
程控电源控制磁粉制动器加载的原理：磁粉制动器的转子和定子之间有一定的间隙，在该间隙中装有磁粉；当电流流过磁粉制动器中的励磁线圈时形成磁场，转子和定子之间的磁粉被磁化，被磁化了的磁粉在转子和定子的空隙中相互运动，将定子和转子表面连接起来，当转子随着输入轴转动时，就必须克服磁粉与定子、磁粉与转子表面之间的摩擦力，而所有的摩擦力就形成了抑制转子转动的制动力矩；其输出转矩可通过励磁电流的改变而控制，在特定励磁电流下，其转矩与转速无关；程控电源是可以通过外部控制来设定输出电压、输出电流的电源，程控电源根据接收的转矩指令为磁粉制动器提供所需要的设定电流，控制磁粉制动器在实时给定的负载转矩下运行。
由于磁粉制动器的转矩和控制电流不是严格的线性关系，因此在负载模拟的过程中会导致转矩控制的精度较低，为此本发明在负载加载控制中引入PID控制，对目标负载转矩和实际负载转矩的差值进行PID控制，从而保证负载力矩的精确控制；实际负载转矩由转速转矩传感器采集，经V/F转换器转换成正比的频率信号，发送给目标机中PCI-1712数据采集卡的计数器通道。
本发明中的PID转矩闭环控制的原理为：将目标负载转矩和实际负载转矩的差值ΔT作为PID控制的输入，PID控制的输出是程控电源输入的电流值u(t),相应的公式如下：
式中，u(t)为控制系统的输出；ΔT为控制系统的输入；Kp为控制系统的比例系数；Ti为控制系统的积分时间；Td为控制系统的微分时间；T为系统采样周期。
上述公式中的Kp、Ti、Td需在Matlab/Simulink中预先调试好，以保证整个控制系统达到精确稳定。
通过对目标负载转矩和实际负载转矩的差值进行PID控制，可以实时调整负载转矩的值，以保证对负载力矩的精确控制。
通过对磁粉制动器的闭环控制可以实现对滚动阻力、空气阻力和坡度阻力的精确模拟，除上述三个阻力外，还需要精确模拟整车的加速阻力，而加速阻力与整车等效转动惯量密切相关，为了提高模拟精度，本发明通过设计飞轮组来模拟汽车在加速工况和减速工况时的转动惯量，该方式更接近整车实际情况，控制更方便。
对于在实际路面上行驶的汽车来说，其总动能由两部分组成：移动动能和转动动能，本发明中的试验台应能模拟单个电动轮驱动汽车时的总动能，具体公式如下：
式中，m为1/4的汽车质量，u为车速，Jw为车轮的转动惯量，ωw为电动轮转动角速度，为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，其结果表达式可以由下式表达：
在上式中，me为等效质量，由于转动惯量的存在，me要大于m，多出的部分是由电动轮的转动惯量引起的，对上式进行简化可以得到：
当电动轮中没有减速机构时，ωw＝ωm；当电动轮中有减速机构，且减速比为i时ωw＝ωm×i；其中，ωm为电机的转动角速度；
得到等效质量后，电动车的等效转动惯量可以按照下式得出：
式中，Jew表示车辆的等效转动惯量，进一步可以得出：
除此之外，电动轮试验台模拟的惯量，还要满足被测试车辆空载和满载情况下的惯量，同时根据模块化设计思想，加强台架的通用性，也要满足不同车型的需求；为此，根据被测的质量范围(mmin～mmax)计算确定所需飞轮组模拟的转动惯量范围(Jmin～Jmax)，用一常用飞轮Jc来模拟汽车平移质量mmin，剩余的质量Δm＝mmax-mmin用等公比数列分级方法分成若干个可自由结合的飞轮组Ji，最终就用常用飞轮Jc与自由结合飞轮Ji组结合起来模拟各种车型车辆转动惯量。

Claims (3)

1.一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，其特征在于：由数据实时采集控制平台和试验台架组成；
数据实时采集控制平台由宿主机和目标机组成；
宿主机为普通PC机，目标机为工控机，宿主机通过TCP/IP网络与目标机相连；在宿主机上装有Matlab/Simulink软件，并基于Matlab/Simulink软件搭建有行驶工况模型、驾驶员模型、整车控制模型、车辆模型、车辆行驶环境模型和负载转矩加载控制模型；上述模型在宿主机中通过RTW编译成可以在目标机中运行的实时代码，通过TCP/IP网络将模型的目标实时代码下载到目标机中，并在目标机中实时运行；
目标机中装有一个型号为ADVANTECH PCI-1680U的CAN通信卡和一个型号为ADVANTECHPCI-1712的数据采集卡；
试验台架包括电动轮、电动轮控制器、飞轮装置、联轴器、转速转矩传感器、V/F转换器、磁粉制动器和程控电源；电动轮通过联轴器与飞轮装置相连，飞轮装置通过联轴器与转速转矩传感器相连，转速转矩传感器通过联轴器与磁粉制动器相连。
2.按照权利要求1所述的一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，其特征在于：电动轮电动车行驶过程中所受到滚动阻力、空气阻力和坡度阻力由磁粉制动器模拟，通过以目标负载转矩和实际负载转矩为输入变量的PID控制，实现对负载转矩的闭环调整；采用组合式的飞轮装置精确模拟整车的等效转动惯量，即电动轮电动车行驶过程中所受到加速阻力由飞轮组模拟，用常用飞轮来模拟汽车平移质量，剩余的转动惯量用等公比数列分级方法分成的可自由结合的飞轮组模拟。
3.按照权利要求1所述的一种基于实时仿真工具和负载模拟系统的电动轮试验台，其特征在于：目标机中ADVANTECH PCI-1680U CAN通信卡和试验台架中电动轮电机控制器构成CAN网络；PCI-1680U CAN通信卡将由整车控制模型计算得到的电动轮驱动转矩值发送到CAN网络上，并由试验台架中的电动轮控制器接收；电动轮控制器按一定周期将电流、电压、温度等电机状态信息发送到CAN网络上；相关信息由PCI-1680U CAN通信卡接收；目标机中数据采集卡PCI-1712的任一DA输出通道将由负载转矩模型和PID控制计算得到的磁粉制动器控制电流值发送给试验台架中的程控电源；试验台架转速转矩传感器测得不同负载下电动轮的转速和转矩值，并通过V/F转换器转换为频率信号发送给目标机上PCI-1712数据采集卡的任意两个计数器通道。
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