台架试验系统构成成果-先进汽车缓速器理论与试验

永磁缓速器是一种新型缓速器，其研制、生产和应用尚处于起步阶段。为了检测永磁缓速器的性能以及进一步的研究和开发，需要建设专门的试验设备。这些设备除了能进行常规的试验项目外，还须能用于永磁缓速器的研究和开发，如研究制动力矩与磁极、气隙与温升以及磁铁结构和材质等的关系的试验；模拟汽车下坡，节约试验成本；试验台采用工控计算机直接控制，数据采集、处理和控制全部由计算机完成；可以安装不同规格系列的永磁缓速器进行试验。

液冷式永磁缓速器台架试验系统由电控系统、传动系统和测试系统组成，采用高精度的电量传感器和转矩转速传感器，以满足对试验模块的项目试验要求。在试验模块的组成中主控制台是通过工控计算机及编程软件实现电机驱动、试验数据的采集、相关控制和数据处理与监控的功能，其操作及显示部分通过编程软件及显示器分别显示试验项目，如系统转矩、转速及功率；主控制柜装有交流变频器及相关控制元件，采用高精度变频系统实现对主驱动电机的变频驱动；315kW级系统驱动电机须既能保证电机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出，其与变频系统构成的调速系统，噪声低、振动小，节能效果显著，调速性能好，调速范围广；转矩转速传感器及转矩仪是指测量各种动力机械传动力矩、转速及机械功率的精密测量仪器，其中传感器通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩和转速转换成具有相位差的两组交流电信号，而转矩仪则采用计算机技术，可智能测定各种动力机械和动力传输机械的转矩、转速和功率，并可将测量数据直接显示。试验台架设计框架图如图10-1所示，机械系统布置图如图10-2所示。

图10-1 试验台架设计框架图

图10-2 机械系统布置图

1—控制柜 2—T型铁板 3—驱动电机 4—联轴器 5—转速转矩传感器 6—温度传感器 7—缓速器 8—冷却液管道 9—冷却风扇

北京工业大学结合教育部汽车结构部件先进制造技术教育部工程研发中心建设、机电学院车辆工程博士点的建设及北京市科委重大专项的实际需要，建设完成了一套315kW级汽车缓速器台架试验装置，建成后台架试验系统如图10-3所示。

图10-3 台架试验系统

a）台架主体 b）冷却系统 c）控制柜

该试验系统由电控系统、传动系统、测量及数据分析系统等构成，包括集中控制平台、变频调速控制柜、变频调速电机、多档变速器、转矩检测传感系统等，采用先进的工控程序软件和高精度的电量传感器及NJ型转矩转速传感器，以满足对试验模块的项目试验要求。系统主要零部件的技术性能描述如下：

（1）驱动电机 驱动电机为西安西玛科技有限公司生产的YJTG355L3-4型号，额定电压为380V，额定功率为315kW。YJTG系列变频调速三相异步电机在0～50Hz范围内实现恒转矩调速以及在50～100Hz范围内实现恒功率调速。该电机在高频时具有过载能力，在低频时保持恒转矩输出，无爬行现象，其与变频装置构成的调速系统，与其他调速方式相比，节能效果显著，调速性能好，调速范围广，噪声低、振动小，可与国内外各种变频器配套使用。(www.xing528.com)

（2）变频控制系统 交流变频主电机控制系统是由西玛科技生产的SMYB-315/380型号，其外型尺寸为1000mm×800mm×2200mm。

改变感应电机的转速有三种途径：一是改变感应电机的极对数p；二是改变感应电机转差率s；三是改变电源频率f。当今的变频调速已经广泛应用于各种交流传动，并将以其迅猛的发展趋势逐步取代直流传动的调速。变频调速无论是在调速比方面还是在节能方面，都是其他许多调速方式无法比拟的，其技术和性能在交流电机调速控制方面胜过其他任何一种调速方式。变频调速以其显著的节能效果，高的调速精度，宽的调速范围，很高的系统效率，完善的电力、电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的肯定，在运行时安全可靠、安装使用、维修和维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为采用电机调速方式的首选。变频调速的应用已成为交流电机调速的主流。

本系统的核心控制单元——交流变频器，选用日本三菱交流变频器FR-F540-S315K，此装置为性价比较高的传统产品。变频控制系统主要性能特点有：控制方式有柔性PWM控制、高载波频率PWM控制，模拟量输入时最大输出频率在±0.2%以内，数字量输入时设定输入频率在0.01%以内；加/减速时间设定0～3600s（可分别设定加速和减速时间），可选择直线型或S型加/减速模式；频率设定信号分为模拟输入和数字输入，运行功能由上、下限频率设定，频率跳变运行；功率电路模块化设计，维护简单，互换性好；简体中文操作界面，彩色液晶触摸屏操作；输入功率因数高，电流谐波少，无需功率因数补偿、谐波抑制装置；完善的故障监测、精确的故障保护及准确的定位显示和报警保护功能：过电流保护，再生过电压断路，电压不足、瞬时断电等。

（3）集中控制平台 集中控制平台实现对台架试验系统的集中控制，数据的采集、分析、存储和打印。系统控制采用两种方案：一种是通过工控计算机实现自动化控制，工控计算机编入可视化操作界面，通过工控软件实现计算机远程控制；另一种是在集中控制平台上手动操作，按照操作程序手动控制各部分的试验动作。中控台上装有工控计算机和转矩仪，可实现缓速器模块试验测试数据的采集、处理与屏幕监控。

系统采用由研华工控计算机和组态软件平台构成的上位机管理系统，完成电机及变频器运行控制、状态监视、故障记录以及通信、打印等功能；采用一台西门子PLCS7-200、研华工控计算机及传感器构成控制单元；上位机管理系统与西门子PLC之间联成MPI网路，实现信息交换，并把转速参数设定值等对电气设备的操作从上位机传到PLC；PLC和采集卡将各设备的状态和工艺、电气参数及故障信息收集起来，送到上位机管理系统进行显示。硬件系统集中控制拓扑图如图10-4所示。

通过集中控制平台完成对变频系统的如下控制和相关试验数据的采集：网络功能PLC→变频器、RUN→起动信号（DO）、STOP→停止信号（DO）、VCTL→给定设定信号（DO）、RME→运行状态指示（DI）、RMA→停止状态指示（DI）、W→轻故障报警（DI）、输入输出电流、输入输出电压。

主要参数的实时显示：上位机监控功能，监控设备运行情况，显示试验过程的仿真图，实时仿真开/停机、冷却液泵起/停；试验采集参数的数字量实时显示；试验采集主要参数的模拟量棒状图实时显示；故障报警信息；故障信息与查询。

图10-4 硬件系统集中控制拓扑图

主要画面：实现友好的人机交互界面，实现现场试验数据在计算机上的实时及真实显示，并根据试验数据绘制实时曲线，对异常情况作出报警处理，根据需要对试验数据进行记录，查询历史报警数据及历史曲线，生成试验报表。画面有主画面、分画面（各个分系统）、实时趋势画面、历史趋势画面、参数列表画面、参数棒状图画面、报表画面。

（4）转矩仪及传感器 转矩转速传感器及转矩仪选用北京世通科创技术有限公司TQ-660系列1500N·m转矩传感器和TQ系列转矩转速显示仪表。

TQ-660系列转矩传感器是以电阻应变为敏感元件和集成电路构成的一体化产品。转速转矩传感器和转矩仪配套使用，是一种测量各种动力机械转矩、转速及机械功率的精密测量仪器。转速转矩传感器的基本原理是：通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩和转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比。采用计算机技术设计的一种可智能测定各种动力机械和动力传输机械的转矩、转速和功率的高精度测量仪器，可直接显示出转矩。