罗克韦尔自动化ACD系列交流底盘测功机的电控系统

　底盘测功机是汽车、摩托车行业重要的试验设备。以前一直要从国外全套进口。我所从2000年开始进行研制，经过几年的努力，现已形成多种规格的ACD系列交流底盘测功机商品，推向市场后受到用户的欢迎和好评。这里介绍我们开发的，以1336变频器、SLC500系列PLC、DeviceNet总线为主要部件的交流底盘测功机电控系统，以期得到同行的指正。
一  底盘测功机的基本原理
底盘测功机的基本结构请参看图1。试验摩托车的后轮放在一个大转鼓上，用转鼓的表面代替路面，相对于车辆作旋转运动。转鼓轴端与测功机同轴相联，构成测功机—转鼓机组。试验时测功机给转鼓施加阻转矩来模拟车辆在道路行驶时的阻力。摩托车前轮用“前轮夹持器”夹住，保证车辆前后不能移动左右不会倾倒。试验车辆的正前方安放一个风机，用于冷却车辆。冷却风机的出口风速要求严格跟踪车速（转鼓表面线速度），其电控也是整个系统的一部分，通常由底盘测功机生产厂商配套提供。


试验时车辆后轮带动转鼓-测功机旋转。测功机提供阻转矩，使车辆发动机受到的阻力等效于同等工况下在道路试验中受到的阻力；风机的风速跟踪车速，使车辆发动机（还有传动箱、轮胎等）的冷却条件与道路试验等效。这样车辆就可以在底盘测功机上模拟道路行驶。系统还配备了对速度、时间、距离、温度、压力、油耗等项目的测量环节，由计算机进行数据采集和控制。整个系统协调运转，驾驶员在显示器的提示下按照试验要求驾驶车辆，这样就可以在底盘测功机上进行车辆的性能试验了。例如加速性能、最高车速、燃油消耗、工况排放（要另配排气分析仪）等项目试验。与室外道路试验相比，在底盘测功机上进行车辆试验具有安全、高效和重复性好的优点。
    汽车用底盘测功机原理相同，也是驱动轮放在转鼓上进行试验。只是转鼓宽，测功机功率大一些。
用于加载的测功机是最重要的部件。测功机（包括其控制系统）的形式、性能、精度直接决定了整套设备的性能和精度。可供利用的测功机主要有3种：电涡流测功机、直流测功机和交流测功机。从1960年代到1990年代直流测功机是电力测功机的主流。1990年代中期以后随着变频器技术的成熟与进步，交流测功机逐步取代直流测功机发展成为电力测功机的主流。
                       二  变频器的选型
   底盘测功机是一种试验设备，要求的转速、转矩控制精度比一般生产设备高得多，因此其电控系统对变频器的要求也比一般的生产设备严格得多，主要体现在：
   1四象限运行   测功机既能提供驱动转矩（电动运行）又能提供阻转矩（发电运行），而且绝大部分时间运行在发电状态。测功机发出的电通过变频器回馈电网。
   2 高精度转速/转矩控制   底盘测功机通常有三种运行模式：
2.1 ASR(Auto Speed Regulate ) 转速自动控制。调速范围＞200:1，精度优于0.1%。
2.2 ATR(Auto Torque Regulate )  转矩自动控制。转矩调整范围＞500:1 精度 0.5%
2.3 ALR(Auto Load Regulate ) 自动道路负荷控制。每一车辆的行驶阻力是车辆惯性质量、行驶速度、加速度、爬坡坡度角等变量的函数。测功机要按照设定的函数关系实时控制测功机的阻转矩，使车辆在底盘测功机上试验与在道路行驶试验效果一样。
我们分析怎样用变频器来实现上面3种运行模式：
ASR模式，对于工程型变频器，只要加上编码器反馈形成转速闭环控制，很容易满足要求。
ATR模式，精度要求太高，现有的各种变频器，无论是矢量控制、直接转矩控制（DTC）还是磁场定向技术（Force），用直接控制转矩的方法都达不到0.5%的精度。各变频器厂商给出的转矩控制精度指标大体是：有编码器反馈2%，无编码器反馈5%。这样精度对于大部分生产机械或许够了，对于测功机还不行。要满足测功机的转矩控制精度要求，必须使用转矩闭环控制。
ALR模式是ATR的扩展，要另外用一个称作“道路阻力设定器”的单元来完成速度的实时测量和行驶阻力的计算，算出的结果作为转矩指令下达给变频器，变频器控制测功机的转矩输出。
3 上述3种模式能在动态运行中平稳切换。
4 电磁干扰要小。底盘测功机电控系统里至少要有2台变频器，而且要向电网回馈电能。极易对周围的电器造成干扰。实验室周围往往有许多其他仪器、试验设备。因此变频器的电磁兼容性一定要好。
我们根据上面的要求在市场上初选了4个品牌变频器，经过进一步调查分析后选用了Lockwell AB公司的1336系列变频器。
三  系统构成
    参看图2 。这是一个双电机传动系统。主回路中使用了整流回馈单元1336Regen；可将直流母线上的电能回馈电网，以保证测功机四象限运行。对于转矩控制要求严格的测功机变频器选用了具有Force技术的1336Impact，风机变频器只有转速控制，用了1336PlusⅡ。


整流回馈单元Regen设定在DCbus工作模式，测功机变频器Impact和风机变频器PlusⅡ与Regen共用直流母线，由Regen供/馈电。这样的结构使测功机发出的电可以经过变频器直流母线直接送到风机变频器和驱动电机。
　　底盘测功机系统中的双电机传动系统有这样一些特点：
1底盘测功机在正常做车辆试验时，测功机总是提供阻转矩处于发电状态，风机电机总是提供驱动转矩处于电动状态；
2风机电机的转速（成比例）跟踪测功机转速；
3两台电机有共同的转速-转矩特性：转矩与转速的平方成正比；
4两台电机的额定功率处于同一量级：（摩托车用）测功机22-55kW，风机电机30-55kW。
对于这样的双电机传动系统而言，两个电机共用直流母线无疑是最佳的方案。测功机发出的电功率大于/小于风机电机耗电功率时，只有差额部分通过整流回馈单元Regen自动向电网回馈/索取，电能大部分在系统内部通过直流母线交换，使整个系统与电网之间电能交换功率降至最小，对电网的污染也降至最低。众所周知工作在PWM状态下的变流器对电网会造成污染，向电网馈电比从电网用电污染更甚。我们实际测量了不同情况下系统直流母线的流向，进行摩托车试验时，一般总是测功机发电功率小于风机电机耗电功率，向电网馈电的机会不多。当测功机和风机在高速大负荷运转时整个设备的进线电流却不大，这种现象引起客户的关注继而得到好评。
    测功机是一种动态控制、测量动力机械转速、转矩的设备，安装有高精度的转角编码器和转矩测量装置。为实现ASR转速控制运行方式，在Impact上加装了编码器接口板L7E，测功机的编码器通过L7E接入Impact构成转速闭环，轻轻松松达到0.05%的调速精度。
再来看转矩控制，变频器里显示的“转矩”是根据电压、电流、相位等电参数算出来的的“电机电磁转矩”，与测功机实测出的“机械轴转矩”相比，精度差得远，达不到千分之几的精度。再者无论变频器内部各种控制环节如何复杂，从“变频器-测功机”系统总体上看直接转矩控制方式是“开环”的。因此直接利用变频器转矩控制功能是达不到测功机ATR工作方式精度要求的。测功机控制系统必需构成转矩闭环控制，并且转矩大小必须是用力学方法测量出来的机械轴转矩。而不是用电参数算出来的电磁转矩。
从自动控制理论我们知道构成闭环控制必须要有测量、反馈、调节器、执行器等几个环节。测功机本体上已经安装了高精度转矩测量装置，执行器就是变频器和测功机，现在只缺少进行比较计算的调节器。可以用运算放大器构成硬件PID调节器，这是早期测功机控制系统的典型做法；也可以用计算机构成数字PID调节器，用软件来实现，这种方法对计算机系统的实时性要求很高，容易与其它子系统争夺系统资源，导致可靠性不高。我们为转矩闭环问题颇费了一番心思，最后利用Impact内部的Ptrim功能构成了转矩闭环。测功机转矩信号通过Impact的Analog Input 1端口接入变频器作为反馈信号，变频器里的Ptrim环节包含一个PI调节器，用作转矩调节器，通过设置、链接相关Parameter构成了转矩闭环控制。这样比前面说的方法简单、可靠、效果好。测功机转矩控制精度达到了0.5%，测功机动态特性良好，充分展示了交流测功机精度高和响应速度快的优良特性，为整套底盘测功机的高技术指标打下坚实的基础。
    底盘测功机是一种复杂的、自动化程度很高的设备，计算机、变频器、PLC之间传输的信息不少。现在我们用AB公司的SLC500系列PLC做底层测量和控制，诸如互锁、报警等均由PLC管理。试验车辆的温度、转速等一些测量工作由Flex IO模块担当。PLC、变频器、Flex IO通过DeviceNet网络互连，主控计算机通过以太网线与PLC相连，这样就组成了一个小小的内部网络，各种指令、信息通过网络传输。与我们早期的IO单线传输方式相比，使用DeviceNet网络的测功机设备的特点是：
　　１设备内部连接电缆大大减少，现场安装工作快捷。
　　２传输的信息量大了。
　　３传输的指令、信息精度高了。原来IO方式下转速、转矩指令经由计算机算出后要经过DA转换板转换成模拟电压接入到变频器的Analog Input端口，再由变频器内部的AD转换器转换成数字量才能进行计算控制。本来计算机和变频器里用的都是数字量，中间传输环节这么AD、DA的转换两次不但费事还人为的降低了精度加进了失真。
　　 4 信号抗干扰能力提高了，原来的一些模拟信号线（例如转速、转矩指令）容易受到变频器等外界干扰，现在用网络传输，外界干扰影响少多了。
　　 ５ 造价提高了。DeviceNet需要通过PLC里的Scaner实现计算机和变频器的信息传输，而低档的PLC没有Scaner 这就限制了用户只能使用较为高档的PLC；另外DeviceNet的原装电缆、接头价格不菲，这些都导致了成本的上升。　　　　　
四  使用效果
底盘测功机的技术指标和可靠性主要取决于测功机-转鼓机组和电控系统。对此我们采取的措施是：
测功机-转鼓机组  采用我所具有完全知识产权的专利产品“外风冷全封闭式交流电力测功机”。精心设计制造的机械结构加上装有高精度光电编码器（转速传感器）和0.02级力传感器（转矩传感器），从根本上保证了转速转矩的测量精度。
电控系统  以Lockwel AB公司的产品（1336系列变频器、SLC500系列PLC、DeviceNet网络）为基础件，构成完善可靠的控制环节。
1336Impact变频器的优良性能（转速、转矩控制精度）和丰富功能令人满意，所需要的功能变频器里几乎都给准备好了，其精度大可完全放心。如果要建立一个复杂的高精度的电气传动系统，只要认真学习其原理，合理设置通道、建立信号链接，调整好信号通道的满度系数、偏移量、通道带宽等参数，就可望达到所期望的效果。
以Lockwell AB公司器件为主的ACD系列交流底盘测功机具有优异的技术指标和良好的可靠性，自主研发的测功机与1336Impact变频器配合良好，相得益彰，整套设备的主要技术指标（转矩静校、转矩动态控制精度、速度控制精度等）达到了工业发达国家同类产品的水平。