启飞汽车

    式中:FR—电涡流机加载力;Fm—测功机内部机械阻力;Fg—驱动轮与滚筒之间的滚动阻力;FJ—惯性力 (测功机的滚筒、轴系旋转部件产生的) ;Fj—汽车的飞轮以及驱动轮转动惯量折算到车轮的惯性力。

3.测功机模拟汽车行驶阻力方程建立

    汽车在实际路面行驶时, 由传动系自身阻力造成的功率损耗与测功机上运行时是一致的, 可不考虑。汽车在测功机上运行时, 相对于地面是静止的, 因此不存在空气阻力和车辆平移质量部分产生的加速阻力;同时车辆处于水平状态, 不存在坡度阻力;从动轮静止不动, 其滚动阻力也不存在。这些缺失的外部阻力都需要通过电涡流加载来模拟。通过控制和调节加载装置的加载力, 使汽车在路面上的行驶阻力等于在测功机上的行驶阻力, 从而模拟汽车在真实路面上的受力状况, 这样在室内检测时结果才能与道路试验结果一致。通过对比汽车在路面上与在测功机上的行驶阻式 (1) 、式 (2) , 可求出准确的进行阻力模拟需满足如下方程:
 

    式中:Fm—某底盘测功机的内阻换算到滚筒表面的切向力 (N) ;V—滚筒表面线速度 (km/h) 。

    驱动轮在滚筒表面的滚动阻力系数可通过方程 (6) 确定:
 

图1 某底盘测功机的内阻曲线图

4.电涡流测功器特性分析

    忽略涡电流的电枢反映, 同时不计磁滞损耗, 假设定子线圈与转盘的导电和导磁系数均为一固定值, 依据相关的电磁知识,
 

图2 控制系统框图

    底盘测功机的加载控制采用的是双闭环控制方式, 外环是转矩环, 内环是电流环。为了稳定涡流机的励磁电流, 设计了内环, 采取的是PI控制器进行闭环控制。采用预测补偿解耦控制以减小因转速变化而影响加载力矩的控制效果。

2.模糊控制器设计

    模糊PID控制系统有模糊控制器和参数可调PID两部分。此控制系统主要是确定PID的kp、ki以及kd同e和ec之间的相应关系。运行时, 模糊控制器依据e与ec的变化, 经过相应的模糊推理得到Δkp、Δki和Δkd, 从而来对PID参数进行在线的调整, 进而实现在不同的工况下对控制参数的要求, 因而与经典PID控制器相比, 有更好的鲁棒性。
    模糊PID控制器结构图, 如图3所示。其输入为偏差e和偏差变化率ec, 经过模糊推理从而得出Δkp、Δki、Δkd, 从而将Δkp、Δki、Δkd送入PID控制器, 进而实现在线调整。按照常规模糊控制器进行设计。
 

图3 模糊PID控制结构

    模糊控制器采取两个参数输入, 三个参数输出的设计结构。输入是偏差e以及偏差的变化率ec, 输出是PID参数kp、ki与kd的修正值。偏差e与偏差变化率ec论域均采用[-3, 3], 模糊子集采用{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。输出kp、ki、kd, 论域和模糊子集设计同e和ec, 各变量的隶属度函数均采取三角形函数。采取Mamdani算法, 拟定49条模糊规则, 如表1所示。去模糊化采取重心法。
 

表1 参数调整规则表

    为将模糊PID控制器经自动代码生成的方式下载到在实际控制器中, 考虑控制器运行效率问题, 使用MATLAB自身的System test工具将模糊控制器转化为查表模块, 这将提高系统的运行效率, 同时也有利于节约系统资源。

3.反馈预测补偿解耦

    由风冷式电涡流测功机自身特点, 在车速偏低时, 加载扭矩与车速间存在较强的耦合。解耦控制采取对扭矩控制器输出结果进行修正的方案。为简化解耦控制器的设计, 采取反馈预测扭矩补偿的方案。
    预测补偿扭矩模型为:
 

图4 Fuzzy PID控制器

图5 晶闸管整流电路

    晶闸管整流调压电路采用Simpowersystems建模, 如图5所示。采用单向半控桥式可控整流电路, 输入电压为50Hz、220V, 改变触发器移相控制信号, 从而调节晶闸管的控制角, 改变输出的电压的大小。输出电压平均值为:Ud=0.45 (1+cosα) 当移相控制角为0时, 输出最大电压0.9U=198V。通过系统自动控制移相控制角的大小从而调节输出电压的值, 使其满足加载力的要求。
    某型号底盘测功机滚筒直径是370 mm, 基本惯量是500kg, 某乘用车整车整备质量m=1080kg, 车辆基准质量 (整车整备质量+100kg) m0=1180kg, 车轮半径r=340mm, 空气阻力系数Cd=0.31, 旋转质量换算系数δ=1.05, 迎风面积A=2.2m2。测功内阻由式 (5) 确定, 汽车在滚筒上的滚动阻力系数由式 (6) 确定。对加载装置进行模拟加载的过程中, 应能满足从达到“目标驱动力× (1±10%) ”时刻至进入“目标驱动力±20N”区间的时间不超过3s的标准的要求。
    现设定电流PI控制器的kp=120、ki=1, 在恒电流控制方式下, 给定输入5V的输入电压 (对应最大理论电流值为20A) , 可得系统响应曲线, 如图6所示。电流能快速跟随给定信号, 而且加载电流越小响应速度越快。对加载力控制, 设定汽车速度为80km/h, 加载装置需模拟的加载力FR=94.15N。从图7可知, 此时的加载电流为1.12A, 加载装置实际加载力能较好地满足理论给定值, 测功机加载力控制误差在±4N范围以内, 完全满足规定的±20N界限。
 

图6 电流加载响应

图7 加载力响应曲线

    在进行上述的仿真验证后, 为实现在现实环境中的控制, 需进行定点化离散化处理, 将控制部分自动生成嵌入式C代码。同时, 为了验证生成C代码的优劣, 进行了软件在环测试, 仿真结果与图6, 图7相同, 说明C代码功能是可行的。通过移除被控对象的仿真模型, 在输出端和传感器部分添加控制输出端口和AD转换等接口模块, 从而实现与底层程序的连接, 快速实现所需代码的生成。

四、结论

    依据电涡流测功机的机械特性, 采取转矩、电流双闭环以及模糊自校正PID的控制方案, 解决了电涡流测功器自身存在的不足, 实现了对理论加载力矩的良好控制, 满足国标要求。采用基于模型的设计方法可以快速实现算法的验证, 在得到正确的仿真结果后可轻松实现代码生成, 从而进行硬件在环试验。

作者：李水良  史伟伟   耿伊方  来源：机械设计与制造
 

福利：做任何事情，都有方法。比如汽车行业如何最短时间内获取高薪，其实，是一件很容易的事情，结合汽车行业十多年工作经历，我做了一次系统全面总结无偿分享大家，文章共计十篇。帮助更多的网友在汽车行业快速发展。同时，我业余时间整理一套免费经典的CATIA视频教程， 汽车设计领域必备软件工具，大家有需要的，可以给我留言，请加qq:1011852705，微信qifei1799。提“启飞”就可以获取下载链接:汽车行业快速突破月薪过万绝密分享和catia视频精品一套。明确方向，精准学习，为以后在汽车行业职场做好铺垫。