18年12月 机械科学与技术 December 第37卷第12期 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering Vol 37 DOI:10.13433/ i. enki.1003-8728.20180135 动态试验中机械转动惯量 电模拟技术研究综述 回之 王皖君',顾洲·,徐漪荃1,陆袁博!,王东2 1.南京林业大学机械电子工程学院,南京210037 2.东南大学仪器科学与工程学院,南京210096 摘要:转动惯量决定了动态试验过程的客观性和有效性,电模拟在可控和可调性方面优于机械飞轮 组模拟,是未来动态试验中惯量模拟的主流。为展现机械转动惯量电模拟技术的硏究成果和促进 技术进步,在阐述机械转动惯量电模拟原理的基础上分析了该技术在汽车传动系统试验台和风力 机动态特性模拟领域中应用的技术特征,根据参与控制的信号将已研究的控制方法归纳为角加速 度控制法、扭矩控制法和转速跟踪控制法,并分析了这些控制方法的特点和存在的问题,从工程应 用的角度提出进一步研究需要考虑实际系统中的非线性摩擦及弹性特性、控制所需信号的实时检 测、系统延迟的影响及补偿方法。 关键词:动态试验;转动惯量;电模拟 中图分类号:TH6929 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2018)12-1847-07 Review of mechanical inertia Electrical emulation Technology for Dynamic Test Wang Wanjun, Gu Zhou, Xu Yi 1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 2. School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China Abstract The moment of inertia determines the objectivity and effectiveness of the dynamic test process. The electrical emulation has the advantages of the tunability and controllability than emulation by the mechanical flywheel groups, and will be the most promising method for the dynamic test in the future. In order to illustrate the research conclusions of the mechanical inertia electrical emulation and promote technological progress, th of the electrical emulation was illustrated, and then technology characteristics of the application in the field of vehicle transmission system test platform and the dynamic behavior emulation of wind turbine were analyzed. The researched control methods were summarized as angular acceleration control method, torque control method and peed tracking control method according to the signal take part in the control method. The characteristics of these ontrol methods and the existing problems were analyzed. Furthermore, the key problems being considered in the future researches were proposed from the engineering application aspect. They are the nonlinear friction and elastic properties in actual system, the real-time detection for signal take part in the control method as well as the system time delay effect and compensation method Keywords: dynamic test; moment of inertia; electrical emulation 收稿日期:2017-11-25 根据相似性原理,在试验台架上对实际装置或 基金项目:国家自然科学基金面上项目(61473156)与江苏省高等学 校自然科学研究面上项目(17KJB413002)资助 部件进行试验是现代机电传动系统领域研究和创新 作者简介:王皖君(1984-),讲师,博士,研究方向为机械转动惯量电的重要途径,通过试验可反映出被试对象的相关特 模拟技术, wwSu@qcom 性,并为理论研究和设计提供数据支撑。动态试验 通讯作者:顾洲,教授,博土生导师,ghl808@163.com 各类动力传动系统研发、生产和测试过程中的重
圆园员愿 年 第 猿苑 卷 员圆 月 第 员圆 期 机 械 科 学 与 技 术 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬造 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠 枣燥则 粤藻则燥泽责葬糟藻 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 阅藻糟藻皂遭藻则 灾燥造援猿苑 圆园员愿 晕燥援员圆 阅韵陨院员园援员猿源猿猿 辕 躁援糟灶噪蚤援员园园猿鄄愿苑圆愿援圆园员愿园员猿缘 澡贼贼责院 辕 辕 躁燥怎则灶葬造泽援灶憎责怎援藻凿怎援糟灶 辕 收稿日期院圆园员苑 员员 圆缘 基金项目院国 家自 然科学基金面上项目 渊远员源苑猿员缘远冤 与 江苏省 高等学 校自 然科学研究面上项目 渊员苑运允月源员猿园园圆冤资助 作者简介院王皖 君渊员怨愿源原冤袁讲师袁博士袁研究方向 为 机械转动惯量电 模拟技术袁憎憎躁泽藻怎岳 择择援糟燥皂 鄢 通讯作者院顾洲袁教授袁博士生导师袁早扎澡员愿园愿岳 员远猿援糟燥皂 动态试验中机械转动惯量 电模拟技术研究综述 王皖君员 袁顾洲员袁鄢袁徐漪荃员 袁陆袁博员 袁王东圆 员援 南京林业大学 机械电 子工程学院 袁南京 圆员园园猿苑 圆援 东南大学 仪器科学与工程学院 袁南京 圆员园园怨远 摘要院转动惯量决定了动态试验过程的客观性和有效性袁电模拟在可控和可调性方面优于机械飞轮 组模拟袁是未来动态试验中惯量模拟的主流遥 为展现机械转动惯量电模拟技术的研究成果和促进 技术进步袁在阐述机械转动惯量电模拟原理的基础上分析了该技术在汽车传动系统试验台和风力 机动态特性模拟领域中应用的技术特征袁根据参与控制的信号将已研究的控制方法归纳为角加速 度控制法尧扭矩控制法和转速跟踪控制法袁并分析了这些控制方法的特点和存在的问题袁从工程应 用的角度提出进一步研究需要考虑实际系统中的非线性摩擦及弹性特性尧控制所需信号的实时检 测尧系统延迟的影响及补偿方法遥 关键词院动态试验曰转动惯量曰电模拟 中图分类号院栽匀远怨圆援怨 文献标识码院粤 文章编号院员园园猿鄄愿苑圆愿渊圆园员愿冤员圆鄄员愿源苑鄄园苑 砸藻增蚤藻憎 燥枣 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬造 陨灶藻则贼蚤葬 耘造藻糟贼则蚤糟葬造 耘皂怎造葬贼蚤燥灶 栽藻糟澡灶燥造燥早赠 枣燥则 阅赠灶葬皂蚤糟 栽藻泽贼 宰葬灶早 宰葬灶躁怎灶 员 袁 郧怎 在澡燥怎 员袁鄢袁 载怎 再蚤择怎葬灶 员 袁 蕴怎 再怎葬灶遭燥 员 袁 宰葬灶早 阅燥灶早 圆 员援 悦燥造造藻早藻 燥枣 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬造 葬灶凿 耘造藻糟贼则燥灶蚤糟 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁 晕葬灶躁蚤灶早 云燥则藻泽贼则赠 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠袁 晕葬灶躁蚤灶早 圆员园园猿苑袁 悦澡蚤灶葬 圆援 杂糟澡燥燥造 燥枣 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁 杂燥怎贼澡藻葬泽贼 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠袁 晕葬灶躁蚤灶早 圆员园园怨远袁 悦澡蚤灶葬 粤遭泽贼则葬糟贼院 栽澡藻 皂燥皂藻灶贼 燥枣 蚤灶藻则贼蚤葬 凿藻贼藻则皂蚤灶藻泽 贼澡藻 燥遭躁藻糟贼蚤增蚤贼赠 葬灶凿 藻枣枣藻糟贼蚤增藻灶藻泽泽 燥枣 贼澡藻 凿赠灶葬皂蚤糟 贼藻泽贼 责则燥糟藻泽泽援 栽澡藻 藻造藻糟贼则蚤糟葬造 藻皂怎造葬贼蚤燥灶 澡葬泽 贼澡藻 葬凿增葬灶贼葬早藻泽 燥枣 贼澡藻 贼怎灶葬遭蚤造蚤贼赠 葬灶凿 糟燥灶贼则燥造造葬遭蚤造蚤贼赠 贼澡葬灶 藻皂怎造葬贼蚤燥灶 遭赠 贼澡藻 皂藻糟澡葬灶蚤糟葬造 枣造赠憎澡藻藻造 早则燥怎责泽袁 葬灶凿 憎蚤造造 遭藻 贼澡藻 皂燥泽贼 责则燥皂蚤泽蚤灶早 皂藻贼澡燥凿 枣燥则 贼澡藻 凿赠灶葬皂蚤糟 贼藻泽贼 蚤灶 贼澡藻 枣怎贼怎则藻援 陨灶 燥则凿藻则 贼燥 蚤造造怎泽贼则葬贼藻 贼澡藻 则藻泽藻葬则糟澡 糟燥灶糟造怎泽蚤燥灶泽 燥枣 贼澡藻 皂藻糟澡葬灶蚤糟葬造 蚤灶藻则贼蚤葬 藻造藻糟贼则蚤糟葬造 藻皂怎造葬贼蚤燥灶 葬灶凿 责则燥皂燥贼藻 贼藻糟澡灶燥造燥早蚤糟葬造 责则燥早则藻泽泽袁 贼澡藻 责则蚤灶糟蚤责造藻 燥枣 贼澡藻 藻造藻糟贼则蚤糟葬造 藻皂怎造葬贼蚤燥灶 憎葬泽 蚤造造怎泽贼则葬贼藻凿袁 葬灶凿 贼澡藻灶 贼藻糟澡灶燥造燥早赠 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 燥枣 贼澡藻 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 蚤灶 贼澡藻 枣蚤藻造凿 燥枣 增藻澡蚤糟造藻 贼则葬灶泽皂蚤泽泽蚤燥灶 泽赠泽贼藻皂 贼藻泽贼 责造葬贼枣燥则皂 葬灶凿 贼澡藻 凿赠灶葬皂蚤糟 遭藻澡葬增蚤燥则 藻皂怎造葬贼蚤燥灶 燥枣 憎蚤灶凿 贼怎则遭蚤灶藻 憎藻则藻 葬灶葬造赠扎藻凿援 栽澡藻 则藻泽藻葬则糟澡藻凿 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿泽 憎藻则藻 泽怎皂皂葬则蚤扎藻凿 葬泽 葬灶早怎造葬则 葬糟糟藻造藻则葬贼蚤燥灶 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿袁 贼燥则择怎藻 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿 葬灶凿 泽责藻藻凿 贼则葬糟噪蚤灶早 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿 葬糟糟燥则凿蚤灶早 贼燥 贼澡藻 泽蚤早灶葬造 贼葬噪藻 责葬则贼 蚤灶 贼澡藻 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿援 栽澡藻 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 燥枣 贼澡藻泽藻 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿泽 葬灶凿 贼澡藻 藻曾蚤泽贼蚤灶早 责则燥遭造藻皂泽 憎藻则藻 葬灶葬造赠扎藻凿援 云怎则贼澡藻则皂燥则藻袁 贼澡藻 噪藻赠 责则燥遭造藻皂泽 遭藻蚤灶早 糟燥灶泽蚤凿藻则藻凿 蚤灶 贼澡藻 枣怎贼怎则藻 则藻泽藻葬则糟澡藻泽 憎藻则藻 责则燥责燥泽藻凿 枣则燥皂 贼澡藻 藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 葬泽责藻糟贼援 栽澡藻赠 葬则藻 贼澡藻 灶燥灶造蚤灶藻葬则 枣则蚤糟贼蚤燥灶 葬灶凿 藻造葬泽贼蚤糟 责则燥责藻则贼蚤藻泽 蚤灶 葬糟贼怎葬造 泽赠泽贼藻皂袁 贼澡藻 则藻葬造鄄贼蚤皂藻 凿藻贼藻糟贼蚤燥灶 枣燥则 泽蚤早灶葬造 贼葬噪藻 责葬则贼 蚤灶 贼澡藻 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿 葬泽 憎藻造造 葬泽 贼澡藻 泽赠泽贼藻皂 贼蚤皂藻 凿藻造葬赠 藻枣枣藻糟贼 葬灶凿 糟燥皂责藻灶泽葬贼蚤燥灶 皂藻贼澡燥凿援 运藻赠憎燥则凿泽院 凿赠灶葬皂蚤糟 贼藻泽贼曰 皂燥皂藻灶贼 燥枣 蚤灶藻则贼蚤葬曰 藻造藻糟贼则蚤糟葬造 藻皂怎造葬贼蚤燥灶 根据相似性原理袁在试验台 架上对实际 装置或 部件进行试验是现代机电 传动系统领域研究和创新 的 重要途径袁通过试验可反映 出 被试对象的 相关特 性袁并为理论研究和 设计提供数据支撑遥 动态试验 是各类动力传动系 统研发尧生产和 测 试过程中 的 重
1848 机械科学与技术 第37卷 要环节,如车辆传动系零部件及总成系统试验1、 根据试验需要电机可工作在拖动或加载模式, 制动器及摩擦材料性能研究。8、风力发电系统在通常设计有扭矩转速传感器用来测量试验过程中的 风速大范围变化或发生故障时的动态性能研扭矩、转速和轴功率,飞轮组用于模拟被试系统中的 究、电力推进系统试验等 等效转动惯量,电模拟系统则可以省去飞轮组的复 为了保证整个转速范围内转速变化的动态过程与杂机械结构。 目标系统一致,传统的动态试验系统广泛采用机械飞 如忽略联轴器的弹性变形、轴系的粘性摩擦和 轮组模拟需要的转动惯量。尽管具有响应快、控制简库仑摩擦,在相同驱动和加载扭矩作用时,飞轮模拟 单等优点,但同时也存在飞轮组惯量固定、存在模拟级系统和电模拟系统的动力学方程分别为 差、调整机械机构复杂等缺点,而且高速旋转的飞轮对 加工精度、动平衡和旋转轴的轴承要求极高,并存在一 (JM+Je)=To-tl 定的安全隐患。电模拟是通过对试验台架中用于拖动 的电机或用于稳态加载的电机进行转速或扭矩控制 (2) dt 从而实现模拟机械飞轮的储能特性,以惯性扭矩的形 为了使得动态过程一致,电模拟系统必须额外 式作用在旋转轴上,使得模拟系统和原机械飞轮系统模拟惯性扭矩,式(2)修改为 的动力学特性一致,即转速变化过程一致。与机械 TD 3) 飞轮组模拟相比,电模拟可以在设计范围内连续、实时 的调整所需的转动惯量,在先进控制技术下还可以模 由式(1)和(3)可得 拟飞轮无法实现的负惯量。同时该项技术具有简单、 便捷、成本低和高附加值等优点,因此,机械转动惯量 电模拟技术逐渐成为动态试验设备的必备功能。 机械转动惯量电模拟性能的优劣直接关系到相关 (5) 领域研究水平和进展,如果模拟差异超过允许范围,则 不仅失去了应用电模拟技术的意义,更严重的是会给 理论上,如果在动态过程中根据式(4)或(5)来 相关研究带来错误的试验数据和结论。鉴于机械转动调整电机的电磁扭矩,即可以实现机械转动惯量电 惯量电模拟技术对于提高试验水平和研究效率具有非模拟但在工程实践中,联轴器和扭矩传感器的弹性 常重大的促进作用相关领域动态试验对该技术又有变形电机控制系统的动态特性、检测信号的质量、 着迫切的需求,国内外科学家和工程师已从不同角度轴系摩擦等因素都会影响机械转动惯量电模拟的 进行了研究,然而缺乏对其中关键问题进行系统的概性能。 况和总结。为全面展示该技术的研究现状和促进成果 转化,本文对已发表文献的研究成果进行梳理评述,总2研究与应用概况 结目前国内外机械转动惯量电模拟技术的研究和应用 概况,并详尽分析了目前研究通用之处和各自的特点, 机械转动惯量电模拟技术的研究工作起源 最后提出了将来应用过程中需要解决的关键问题。 于汽车试验领域,并应用于底盘测功机、变速器 试验台、制动器试验台等,如 Meiden、AVL 1基本原理 HORIBA、RENK、 Mustang、Link等公司1。由于 该技术具有高附加值,作为核心机密,仅以商业 典型动态试验系统扭矩转速特性(T=f(m)模宣传的形式简要介绍其性能,公开发表的研究文 拟装置的结构图如图1所示。 献非常罕见。 Ahlawat r等研究了自动变速器 动力装置连接物飞轮组扭矩转速传感器电机 硬件在回路试验时发动机和车辆瞬态负载的模 拟方法,将发动机脉动扭矩分解为惯量分量和爆 燃分量,给出了加速要求、电机惯量已知时模拟 指定发动机惯量对电机功率和扭矩的要求。随 着新能源汽车技术研究的需要,惯量电模拟技术 的研究更加深入。 Fajr P等[89针对美国环境 图1动态试验系统扭矩转速特性模拟装置结构图 保护局(EPA)用作认证车辆排放的城市道路循 不(UDDS)和用于乘用车高速公路燃油经济性测 httpjournals
机 械 科 学 与 技 术 第 猿苑 卷 澡贼贼责院 辕 辕 躁燥怎则灶葬造泽援灶憎责怎援藻凿怎援糟灶 辕 要环节袁如车辆传动系 零部件及总 成系 统试验咱员鄄缘暂 尧 制动器及摩 擦材料性能 研究咱远鄄愿暂 尧风 力 发电 系 统在 风 速 大 范 围 变 化 或 发 生 故 障 时 的 动 态 性 能 研 究咱怨鄄员猿暂 尧电 力推进系 统试验等咱员源鄄员远暂 遥 为了 保证整个转速范围 内 转速变化的 动态过程与 目 标系统一致袁传统的 动态试验系统广泛采用机械飞 轮组模拟需要的 转动惯量遥 尽管具有响 应快尧控制简 单等优点袁但同 时也存在飞轮组惯量固 定尧存在模拟级 差尧调整机械机构复杂等缺点袁而且高速旋转的 飞轮对 加工精度尧动平衡和旋转轴的 轴承要求极高袁并存在一 定的安全隐患遥 电模拟是通过对试验台架中 用于拖动 的 电 机或用于稳态加载的 电 机进行转速或扭矩控制袁 从而实现模拟机械飞轮的 储能特性袁以 惯性扭矩的 形 式作用在旋转轴上袁使得模拟系统和原机械飞轮系统 的动力学特性一致袁即 转速变化过程一致咱员苑暂 遥 与机械 飞轮组模拟相比 袁电 模拟可以 在设计范围 内 连续尧实时 的 调整所需的 转动惯量袁在先进控制技术下还可以 模 拟飞轮无法实现的 负惯量遥 同 时该项技术具有简单尧 便捷尧成本低和高附加值等优点袁因 此袁机械转动惯量 电 模拟技术逐渐成为动态试验设备的必备功能遥 机械转动惯量电模拟性能的优劣直接关系到相关 领域研究水平和进展袁如果模拟差异超过允许范围 袁则 不仅失去了 应用电 模拟技术的 意义袁更严重的 是会给 相关研究带来错误的试验数据和结论遥 鉴于机械转动 惯量电 模拟技术对于提高试验水平和研究效率具有非 常重大的 促进作用袁相关领域动态试验对该技术又有 着迫切的 需求袁国 内 外科学家和工程师已 从不同 角 度 进行了 研究袁然而缺乏对其中 关键问 题进行系统的 概 况和总结遥 为全面展示该技术的 研究现状和促进成果 转化袁本文对已 发表文献的 研究成果进行梳理评述袁总 结目 前国 内 外机械转动惯量电 模拟技术的 研究和应用 概况袁并详尽分析了 目 前研究通用之处和各自 的 特点袁 最后提出 了 将来应用过程中 需要解决的关键问题遥 员 基本原理 典型动态试验系统扭矩鄄转速特性渊栽 越 枣渊憎冤冤模 拟装置的 结构图 如图 员 所示遥 图 员 动态试验系 统扭矩鄄转速特性模拟装置结构图 根据试验需要电 机可工作在拖动或加载模式袁 通常设计有扭矩转速传感器用来测量试验过程中 的 扭矩尧转速和轴功率袁飞轮组用于模拟被试系统中 的 等效转动惯量袁电 模拟系 统则可 以 省 去飞 轮组的 复 杂机械结构遥 如忽略联轴器的 弹性变形尧轴系 的 粘性摩擦和 库仑摩擦袁在相同 驱动和加载扭矩作用时袁飞轮模拟 系统和电 模拟系统的 动力学方程分别为院 渊允酝 垣 允云 冤 凿憎 凿贼 越 栽阅 原 栽蕴 渊员冤 允酝 凿憎 凿贼 越 栽阅 原 栽蕴 渊圆冤 为了 使得动态过程一致袁电 模拟系 统必须额外 模拟惯性扭矩袁式渊圆冤修改为 允酝 凿憎 凿贼 越 栽阅 原 栽蕴 原 栽藻皂怎 渊猿冤 由 式渊员冤和渊猿冤可得 栽藻皂怎 越 允云 凿憎 凿贼 渊源冤 或 栽藻皂怎 越 允云 允云 垣 允酝 渊栽阅 原 栽蕴 冤 渊缘冤 理论上袁如果在动态过程中 根据式渊源冤或渊缘冤来 调整电 机的 电 磁扭矩袁即 可 以 实现机械转动惯量电 模拟袁但在工程实践中 袁联轴器和扭矩传感器的 弹性 变形尧电 机控制系 统的 动态特性尧检测 信号的 质量尧 轴系 摩擦等因 素 都会影响 机械转 动 惯量电 模拟 的 性能遥 圆 研究与应用概况 机械转 动 惯 量 电 模 拟 技 术 的 研 究 工 作 起 源 于 汽 车 试验 领 域袁并 应 用 于 底 盘 测 功 机尧变 速 器 试 验 台 尧 制 动 器 试 验 台 等袁 如 酝藻蚤凿藻灶尧 粤灾蕴尧 匀韵砸陨月粤尧砸耘晕运尧酝怎泽贼葬灶早尧蕴蚤灶噪 等 公 司 咱 员苑暂 遥 由 于 该技 术 具有 高 附 加 值袁作 为 核 心 机 密 袁仅 以 商 业 宣 传的 形式简 要介 绍 其性能 袁公开 发表 的 研究 文 献非 常 罕 见遥 粤澡造葬憎葬贼 砸 等 咱 员暂 研究 了 自 动 变 速 器 硬件在回 路 试验 时 发 动 机 和 车 辆 瞬 态 负 载 的 模 拟方法袁将发动 机脉 动 扭矩 分解 为 惯量 分量 和 爆 燃 分量袁给 出 了 加 速 要 求尧电 机 惯 量 已 知 时 模 拟 指 定发 动 机 惯 量 对 电 机 功 率 和 扭 矩 的 要 求遥 随 着新能 源 汽 车 技术 研究 的 需 要袁惯 量 电 模拟 技 术 的 研究 更 加 深 入遥 云葬躁则蚤 孕 等 咱 员愿鄄员怨暂 针 对 美 国 环 境 保护 局 渊 耘孕粤冤 用 作 认证车 辆 排 放 的 城 市 道 路 循 环渊哉阅阅杂冤 和 用 于 乘用 车 高 速公路燃油 经 济 性测 员愿源愿
王皖君等:动态试验中机械转动惯量电模拟技术研究综述 1849 试的循环( HWFET),分别研究了预定行驶循环出了扭矩反馈实现惯性扭矩补偿的控制方法,采 和随杋驾驶行为时电动汽车道路行驶条件的模用负载扭矩观测器来估算被动作用在模拟电机 拟方法。预定行驶循环时直接采用速度谱得到轴上的扭矩,并考虑了负载转矩的计算延迟。该 试验台上的等效加速度,并以此模拟机械转动惯研究工作避免了动态转矩的检测,但需要精确的 量;随机驾驶行为时根据驱动电机的扭矩、预先数学模型来设计观测器。针对上述问题,刘颖 计算的理论行驶阻力矩以及车辆的等效转动惯等21通过结构图等效变换和改造模拟电机扭矩 量计算目标转速,然后控制测功电机跟踪目标转闭环控制,提岀了转矩伪微分反馈控制的模拟方 速实现动态过程的模拟,该方法仅适用于行驶工法,理论分析和实验研究验证了提出控制策略的 况已知的情形,适用性不足。由于惯量模拟在各有效性,该研究的特色在于避免了微分计算和改 领域研究课题动态试验中的现实需求,吸引了国造了扭矩闭环控制器。 内许多科研单位的广泛关注和研究。东南大学 国内外研究和应用状况充分表明了机械转 张为公首先进行了机械转动惯量电模拟在汽车动惯量电模拟技术用于各类动态试验或动态模 传动试验台架上的应用研究,并给出了转速环和拟中具有充分的可行性和先进性,且电模拟的可 电流环给定值的调节规律。朱晓锦提出引人对调和可控性相对于机械飞轮模拟有着显著的性 负载扰动进行补偿的前馈控制并形成复合控制能优势。对比国内外技术研究及应用的现状可 的思想,在控制方法方面取得了阶段性成果1。知,深入研究制约机械转动惯量电模拟技术应用 吉林大学、重庆大学、武汉理工大学、北京理工大的关键问题十分紧迫。 学等也相继开展了制动器试验台机械转动惯量 电模拟控制方法的仿真和试验研究,标志着该技3控制方法分析 术进入发展阶段,并取得了一定的研究进展和有 价值的结论。MaJ等针对扭矩控制法在轻度 各类动态试验对转动惯量模拟的需求促进 制动工况下模拟小惯量时精度低的问题提出了了该方向研究工作的进步,在控制方法研究方面 一种基于补偿摩擦功和机械转动惯量储存能量取得了一定的成果,所有控制方法的最终目标都 的差值实现惯量模拟的能量补偿法,将扭矩控制是补偿惯性扭矩,从而使得模拟系统和目标系统 法中电动机在整个制动过程中补偿的能量压缩动态过程一致;关键在于电机扭矩闭环控制系统 到预先设定的补偿时间内进行补偿,从而提高惯的性能以及参考惯性扭矩计算,可以采用的信号 量模拟精度。闻居博在研究传动试验台架负有旋转轴的瞬时转速、主动加载的扭矩和被动作 载电模拟技术时提出结合扭矩开环逆模型控制用的扭矩。根据参与控制的信号,可以归纳为以 和转速闭环控制的优点来实现模拟系统的动态下三种控制方法 特性接近目标系统,并通过仿真和实验证明联合 方法一:采用传感器检测旋转轴的瞬时角速度, 控制方法具有较好的控制效果。 输入到目标机械动力学逆模型计算当前电机应模拟 随着电机及其控制技术、电力电子技术和数的惯性扭矩。从式(4)可知,惯性扭矩的数值为转 字控制技术的发展惯量电模拟技术的研究亦进动惯量与角加速度的乘积在转速变化时方向与角 入蓬勃发展期,进一步拓展和应用到风力机的动加速度的方向相反。因此,通称这种方法为角加速 态模拟领域,在实验室环境下通过模拟风力机的 控制或逆向模型控制,其控制原理框图如 特性可以有效提高风力发电技术的研究效率。图2所示。 为了使得模拟系统与实际风力机的转速变化过 控制系 程一致, Gassmann U等0提出了一种用于风力机 实际扭矩 试验台惯量补偿的方法,其研究工作考虑轴系的试验扭矩转速特性 弹性,根据气动转矩、实际风力机的惯量和传动 T=f(w) 扭矩 频 链的模型计算出虚拟转速,并控制模拟电机跟踪 惯量模拟扭矩 控制器」器 该转速从而模拟真实风力机的动态过程。郭鸿 与被试动力装置相连 浩9采用电动机模拟风力机的动态运行过程时 实际转速 分析了基于加速度反馈的控制方法,指出滤波器 的引入会使得加速度的求取存在延迟,导致补偿 2方法一控制原理框图 转矩产生滞后,模拟的准确性降低。文献[21]给
第 员圆 期 王皖君等院动态试验中 机械转动惯量电 模拟技术研究综述 澡贼贼责院 辕 辕 躁燥怎则灶葬造泽援灶憎责怎援藻凿怎援糟灶 辕 试的 循 环 渊 匀宰云耘栽冤 袁分 别 研 究 了 预 定 行 驶 循 环 和 随 机驾 驶 行 为 时 电 动 汽 车 道 路 行 驶 条 件 的 模 拟 方法遥 预 定 行 驶 循 环 时 直 接 采 用 速 度 谱 得 到 试验台 上的 等效加 速 度袁并以 此模拟 机械 转 动 惯 量曰随 机 驾 驶 行 为 时 根 据 驱 动 电 机 的 扭 矩尧预 先 计算的 理 论 行 驶 阻 力 矩 以 及 车 辆 的 等 效 转 动 惯 量计算目 标转速袁然 后 控 制 测 功 电 机 跟踪 目 标转 速实 现动 态过程的 模拟袁该方法 仅适 用 于 行驶工 况 已 知 的 情形袁适用 性不 足 遥 由 于 惯 量 模拟 在 各 领域研究课题动 态 试验中 的 现 实 需 求袁吸 引 了 国 内 许多 科 研 单 位 的 广 泛 关注 和 研 究遥 东 南 大 学 张 为 公首 先 进 行 了 机 械 转 动 惯 量 电 模 拟 在 汽 车 传动 试验台 架上 的 应 用 研究袁并 给 出 了 转 速 环 和 电 流 环 给 定 值 的 调 节 规 律遥 朱 晓 锦 提 出 引 入 对 负 载 扰动 进 行 补 偿的 前 馈 控 制 并 形 成 复 合 控 制 的 思 想袁在控制 方 法 方 面 取得 了 阶 段 性 成 果咱 员苑暂 遥 吉 林大学尧重庆大学尧武 汉 理工 大 学尧北 京 理工 大 学等也相 继 开 展 了 制 动 器 试验 台 机 械 转 动 惯 量 电 模拟控制 方法的 仿真 和 试验研究袁标志 着 该技 术进入发展阶 段袁并 取得 了 一 定 的 研究 进 展 和 有 价值的 结论遥 酝葬 允 等 咱 远暂 针 对 扭 矩 控 制 法 在 轻 度 制 动 工况下模拟 小 惯 量 时 精 度 低 的 问 题袁提 出 了 一 种 基于 补 偿摩 擦 功 和 机 械 转 动 惯 量 储 存 能 量 的 差值实 现惯量模拟 的 能 量 补 偿法袁将扭 矩 控 制 法中 电 动 机 在 整 个 制 动 过 程 中 补 偿的 能 量 压 缩 到 预先设定的 补 偿时 间 内 进 行补 偿袁从而 提 高 惯 量模拟精度遥 闻 居 博咱 圆园暂 在 研究 传 动 试验 台 架 负 载 电 模拟 技 术 时 提 出 结 合 扭 矩 开 环 逆 模 型 控 制 和 转速闭 环 控 制 的 优 点 来 实 现 模 拟 系 统 的 动 态 特性接近 目 标系 统袁并通 过仿真 和 实 验证明 联 合 控制 方法具有较好的 控制 效果遥 随 着电 机及其控 制 技 术尧电 力 电 子 技 术 和 数 字控制 技术的 发展袁惯量 电 模拟 技 术 的 研究 亦进 入蓬勃发展期 袁进一 步 拓 展和 应 用 到 风 力 机 的 动 态 模拟领域袁在实 验室 环 境下 通 过模拟 风 力 机的 特性可 以 有 效 提 高 风 力 发 电 技 术 的 研 究 效 率遥 为 了 使得 模 拟 系 统 与 实 际 风 力 机 的 转 速 变 化 过 程一致袁允葬泽泽皂葬灶灶 哉 等 咱 员园暂 提出 了 一种 用 于 风 力 机 试验台 惯量补偿的 方法袁其研究 工 作 考虑 轴 系 的 弹 性袁根 据 气 动 转 矩尧实 际 风 力 机 的 惯 量 和 传 动 链的 模型 计算出 虚 拟 转 速袁并 控 制 模拟 电 机 跟踪 该转速从 而 模 拟 真 实 风 力 机 的 动 态 过 程遥 郭 鸿 浩 咱 怨暂 采用 电 动 机 模 拟 风 力 机 的 动 态 运 行 过 程 时 分析了 基于 加 速度 反 馈的 控 制 方法袁指 出 滤 波 器 的 引 入会使得加 速度 的 求 取存在 延迟袁导 致补 偿 转矩产生滞后袁模拟的 准 确 性降 低遥 文献咱 圆员暂 给 出 了 扭矩反馈实 现 惯性 扭矩 补 偿的 控 制 方法袁采 用 负 载扭 矩 观 测 器 来 估 算 被 动 作 用 在 模 拟 电 机 轴 上的 扭矩袁并考 虑 了 负 载 转 矩 的 计算 延迟遥 该 研究工作避免了 动 态 转 矩 的 检 测 袁但需 要 精 确 的 数学模型 来 设 计 观 测 器遥 针 对 上 述 问 题袁 刘 颖 等 咱 圆圆暂 通过结构 图 等 效 变 换 和 改 造 模拟 电 机 扭 矩 闭 环控制 袁提出 了 转 矩 伪 微分反 馈 控 制 的 模拟 方 法袁理论分析和 实 验研究 验证了 提 出 控 制 策 略 的 有效性袁该研究的 特色 在 于 避 免了 微分计算 和 改 造了 扭矩闭 环控制 器遥 国 内 外研 究 和 应 用 状 况 充 分 表 明 了 机 械 转 动 惯量电 模 拟 技 术 用 于 各 类 动 态 试验 或 动 态 模 拟中 具有 充分的 可 行性 和 先进 性袁且电 模拟 的 可 调 和 可 控 性 相 对 于 机 械 飞 轮 模 拟 有 着 显 著 的 性 能 优势 遥 对 比 国 内 外 技 术 研 究 及 应 用 的 现 状 可 知 袁深入研究制 约 机械 转 动 惯量 电 模拟 技 术 应 用 的 关键问 题十 分紧 迫 遥 猿 控制方法分析 各类动 态 试 验 对 转 动 惯 量 模 拟 的 需 求 促 进 了 该方向 研究工作 的 进 步袁在 控 制 方法 研究 方面 取得了 一 定的 成果袁所有 控 制 方法 的 最 终目 标都 是补偿惯性扭矩袁从而 使得 模拟 系 统 和 目 标 系 统 动 态过程一致曰关键在 于 电 机扭 矩 闭 环 控 制 系 统 的 性能 以 及参考惯 性扭 矩计算袁可 以 采 用 的 信号 有旋转轴 的 瞬 时 转 速尧主 动 加 载 的 扭矩 和 被 动 作 用 的 扭矩遥 根据参与 控 制 的 信号袁可 以 归 纳 为 以 下三 种 控制 方法院 方法一院采用传感器检测旋转轴的 瞬时角 速度袁 输入到目 标机械动力学逆模型计算当 前电 机应模拟 的 惯性扭矩遥 从式渊源冤 可 知袁惯性扭矩的 数值为 转 动惯量与角 加速度的 乘积袁在转速变化时 方向 与 角 加速度的 方向 相反遥 因 此袁通称这种方法为 角 加速 度控制咱员苑暂 或逆向 模型 控制咱圆猿暂 袁其控制 原理框图 如 图 圆 所示遥 图 圆 方法一控制原理框图 员愿源怨
1850 机械科学与技术 第37卷 这种方法从机械飞轮转动惯量总是阻碍转速变动作用在旋转轴上的扭矩,并利用该扭矩和已知主 化的物理规律出发,尽管原理清晰,结构简单,但存动作用扭矩的代数和共同驱动前述动力学模型,将 在理论上的困难,首先,参考转矩的计算模型中含有其输出作为参考转速,转速控制系统输出参考惯性 转速的微分项(即角加速度),但目前尚无合适的角扭矩,由扭矩闭环自动调节模拟的惯性扭矩,使得实 加速度传感器,无法避免通过对角速度微分计算获际电机的转速跟踪参考转速,宏观上实现被试系统 取瞬时角加速度,然而在数字控制系统中微分会放模拟出目标系统的动力学特性。这种方法的核心是 大角速度检测信号中的噪声而导致系统振荡;其次,转速跟踪控制,虽然避免了微分计算,但对转速环的 逆模型无法描述系统的非线性动态特性。而且数字频率特性要求较高,而且动态过程中必然存在闭环 控制系统的采样频率对这种方法的控制性能有一定控制造成的超调或振荡现象31。为了提高响应速 影响模拟的目标转动惯量与机械本体转动惯量的度和跟踪能力熊会元等应用智能控制理论设计 比值存在一个临界值,当超过此临界值时,系统会不转速控制器,张志刚等结合离合器试验系统特 稳定。由于约束因素较多,对角加速度估计及其点提出了转矩反馈转速闭环控制的机械惯量电模 在机械转动惯量电模拟方向的应用研究比较罕见。拟控制方法。 方法二:若被动作用在电机旋转轴上的扭矩 控制系统 可获取的前提下,同时已知旋转轴上主动加载的 目标系统动 实际扭矩 扭矩,以目标系统和模拟系统在动态过程中旋转 学模型 加速度相等为依据,可根据旋转轴的动力学方程 直接推算需要模拟的惯性扭矩,如式(5)所示,通 控制器 感□力 器 称为扭矩控制法,其控制原理框图如图3所示。 7=f) 控制系统 实际扭矩 实际转速 试验扭矩-转速特性 图4方法三控制原理框图 7=fw) 上述三种控制方法各自具有不同的特点,由于 实际转速参与控制的信号难以获取,深入研究方法一和方法 图3方法二控制原理框图 二的文献不多,而方法三的综合可执行性最好,吸引 了众多研究者的关注和应用。叶晓等2在进行汽 车动力系统排放及燃油经济性台架试验时采用前向 该方法的关键是实时检测被动作用的动态扭 模型跟踪的方法设计了测功机动态负载模拟算法。 矩。虽然可以用扭矩传感器直接测量,但由目前邹喜红针对自动变速器试验采用转速跟踪算法 常用的应变型、磁弹性、相位差式等扭矩传感器的实现动态负载模拟,试验过程中扭矩最大相对误差 结构和测量原理可知,其中都含有信号调制、变换 为8%,但在模拟起步过程时,加载电机转速会脉 和滤波电路,这些因素对传感器的动态特性影响动。张仲石等为研究前驱电动汽车制动滑移率 较大。扭矩测量系统測得的动态扭矩结果与实际控制分析了基于转速闭环的负载模拟算法,针对制 动态扭矩之间必然存在一定的时间延迟和幅度误动参考模型的非线性问题,分别加入了驱动电机输 差,必须对传感器的动态特性进行补偿才能满足出扭矩前馈和逆向动力学模型补偿控制,仿真结果 控制要求,但目前还缺乏相应的动态扭矩标定装验证了研究的有效性。然而在实际应用时,三种方 置和方法{。而通过设计扭矩观测器代替传感器法都会涉及传感器信号通过低通滤波器引入的滞后 需要用到精确的模拟系统固有参数,而且还需检和数字控制带来的延迟,这可能会导致系统不稳定 测瞬时转速和电磁扭矩作为输入,但其中的噪声或造成模拟误差。 会限制观测器增益的取值,因此观测器的响应速 郭鸿浩在研究风力机模拟系统时,采用角 度有限,这种方法的适用性有待实验验证。 加速度控制法,考虑了离散控制产生的延迟,分析 方法三:该方法通称为转速跟踪控制法或前向了保证模拟系统稳定时可模拟的临界转动惯量, 模型跟踪控制法。图4示出了这种方法的控制原理并研究了离散时间、角加速度低通滤波时间常数 框图。它以转速控制系统为基础,建立包含惯量信对惯量模拟系统的稳定性和准确性的影响,并开 息的目标系统动力学模型并作为控制目标,测量被展了仿真研究和实验验证。刘力康等[在研究传 httpjournals
机 械 科 学 与 技 术 第 猿苑 卷 澡贼贼责院 辕 辕 躁燥怎则灶葬造泽援灶憎责怎援藻凿怎援糟灶 辕 这种方法从机械飞轮转动惯量总是阻碍转速变 化的 物理规律出 发袁尽管原理清晰袁结构简单袁但存 在理论上的 困 难袁首先袁参考转矩的 计算模型中 含有 转速的 微分项渊即 角 加速度冤袁但目 前尚 无合适的 角 加速度传感器袁无法避免通过对角 速度微分计算获 取瞬时角 加速度袁然而在数字控制 系 统中 微分会放 大角 速度检测信号中 的 噪声而导致系统振荡曰其次袁 逆模型无法描述系统的 非线性动态特性遥 而且数字 控制系统的 采样频率对这种方法的 控制性能有一定 影响 袁模拟的 目 标转动 惯量与 机械本体转动 惯量的 比 值存在一个临 界值袁当 超过此临 界值时袁系统会不 稳定咱圆源暂 遥 由 于约束因 素较多袁对角 加速度估计及其 在机械转动惯量电 模拟方向 的 应用研究比 较罕见遥 方法二院若被 动 作 用 在 电 机 旋转 轴 上 的 扭 矩 可获取的 前提 下袁同 时 已 知 旋转 轴 上 主 动 加 载 的 扭矩袁以 目 标系 统 和 模拟 系 统 在 动 态 过 程 中 旋 转 加速度相 等 为 依据袁可 根 据 旋转 轴 的 动 力 学 方 程 直接推算需要模拟 的 惯性扭矩袁如 式渊 缘冤 所示袁通 称为 扭矩控制法袁其控制原理框图 如 图 猿 所示遥 图 猿 方法二控制原理框图 该方法的 关键是实 时 检测 被动 作用 的 动 态 扭 矩遥 虽然可 以 用 扭 矩 传感 器 直 接 测 量袁但由 目 前 常用的 应变型 尧磁弹 性尧相 位差式等扭矩传感器的 结构和 测量原理可 知 袁其中 都含有信号 调 制尧变 换 和 滤波电 路袁这 些 因 素 对传感器 的 动 态 特 性 影 响 较大遥 扭矩测量系 统测 得的 动 态 扭矩结果与 实 际 动态扭矩之间 必然 存在一定的 时 间 延迟和 幅 度 误 差袁必须对传感 器的 动 态 特 性进 行补 偿才 能 满 足 控制要求袁但目 前还 缺乏 相 应 的 动 态 扭 矩 标 定 装 置和 方法咱员苑暂 遥 而通过设计扭矩观测器代替传感器 需要用到 精 确 的 模拟 系 统 固 有 参数袁而 且 还 需 检 测 瞬 时 转速 和 电 磁扭矩 作 为 输入袁但其中 的 噪 声 会限 制观测 器 增 益 的 取值袁因 此观测 器的 响 应 速 度有限 袁这种方法的 适用性有待实验验证遥 方法三院该方法通称为转速跟踪控制法或前向 模型跟踪控制法遥 图 源 示出 了 这种方法的 控制原理 框图 遥 它以 转速控制 系 统为基础袁建立包含惯量信 息的 目 标系统动力 学模型 并作为 控制 目 标袁测量被 动作用在旋转轴上的 扭矩袁并利 用该扭矩和 已 知 主 动作用扭矩的 代数和 共同 驱动前述动 力 学模型袁将 其输出 作为参考转速袁转速控制 系 统输出 参考惯性 扭矩袁由 扭矩闭 环自 动调节模拟的 惯性扭矩袁使得实 际电 机的 转速跟踪参考转速袁宏观上实现被试系 统 模拟出 目 标系 统的 动力学特性遥 这种方法的 核心是 转速跟踪控制袁虽然避免了 微分计算袁但对转速环的 频率特性要求较高袁而且动 态过程中 必然存在闭 环 控制造成的 超调 或 振荡现象咱圆缘暂 遥 为 了 提高 响 应速 度和跟踪能力袁熊会元等咱圆远暂 应用智 能控制理论设计 转速控制 器袁张 志 刚 等咱圆苑暂 结合离 合器试验系 统特 点袁提出 了 转矩反馈转速闭 环控制 的 机械惯量电 模 拟控制方法遥 图 源 方法三控制原理框图 上述三种控制方法各自 具有不同 的 特点袁由 于 参与控制的 信号难以 获取袁深入研究方法一和 方法 二的 文献不多袁而方法三的 综合可执行性最好袁吸引 了 众多研究者的 关注和 应用遥 叶 晓 等咱圆猿暂 在进行汽 车动力系统排放及燃油经济性台 架试验时采用前向 模型跟踪的 方法设计了 测 功机动 态负 载模拟算法遥 邹喜红咱圆缘暂 针对自 动 变速器试验采用 转速跟踪算法 实现动态负载模拟袁试验过程中 扭矩最大相对误差 为 愿豫袁但在模拟 起步 过程 时袁加 载 电 机 转 速 会脉 动遥 张仲石等咱圆愿暂 为 研究前驱电 动 汽 车 制 动 滑移率 控制分析了 基于转速闭 环的 负 载模拟算法袁针对制 动参考模型的 非线性问 题袁分别加入了 驱动电 机输 出 扭矩前馈和逆向 动 力 学模型 补偿控制袁仿真结果 验证了 研究的 有效性遥 然而在实际 应用时袁三种方 法都会涉及传感器信号通过低通滤波器引 入的 滞后 和数字控制带来的 延迟袁这可能会导致系 统不稳定 或造成模拟误差遥 郭鸿浩咱怨暂 在 研究 风 力 机 模拟 系 统 时 袁采 用 角 加速度控制法袁考虑 了 离散控制 产生 的 延迟袁分析 了 保证模拟 系 统 稳 定 时 可 模拟 的 临 界 转 动 惯 量袁 并研究了 离 散 时 间 尧角 加 速 度 低 通 滤 波 时 间 常 数 对惯量模拟 系 统 的 稳 定 性 和 准 确 性的 影 响 袁并 开 展了 仿真研究和 实验验证遥 刘力 康等咱圆怨暂 在研究传 员愿缘园
王皖君等:动态试验中机械转动惯量电模拟技术研究综述 1851 动系动态性能试验台驱动模拟方案时,针对系统增加,而扭矩观测器(或负载观测器)虽然可以弥补 建模的不确定性,提出了扭矩前馈-转速闭环的控传感器动态特性,但对模型的准确度、观测器参数以 制方法;考虑传感器滤波引入的延迟,运用 Smith及测量噪声比较敏感,进一步的研究可以考虑融合 预估器来抑制延迟对控制性能的影响,然而该方扭矩检测和观测信息。 法对于过程精确度要求很高,对于模型误差十分 3)数字控制存在模数和数模转换时间、计算时 敏感,在实际运用中可能并不能取得理想的效果。间、离散化延迟等固有的延迟问题,决定了控制驱动 分析已发表文献可知,尽管在控制方法和应用系统无法立即响应指令输出电流使得电机产生需要 研究方面各领域研究者取得了一定的研究成果,但的惯性扭矩,降低了系统的稳定裕度,导致难以实现 离实际应用还有一段距离,还存在着一些亟待解决满意的机械转动惯量电模拟性能,在极端情况下,系 的关键问题。 统会发生振荡甚至失去稳定性,无法实现理想控制 方法的目标。该技术的应用还需深入研究延迟对模 尚需考虑和解决的关键问题 拟系统稳定性、惯量模拟范围和模拟准确性影响的 机理及补偿方法,进而提出控制周期的选择方法以 控制方法的局限性、控制所需瞬时信号的检测及运用信号预测算法进行延迟补偿 存在困难、数字控制固有的延迟以及实际系统的非 为了提高机械转动惯量电模拟技术的控制性 线性摩擦等基础问题一直限制了机械转动惯量电模能、可实现性和经济性,将来的硏究需要从控制方法 拟技术在工程上的推广应用,困扰着学术界和工程综合与优化、参与控制所需信号的获取和影响控制 技术界,尤其是动态性能要求较高的试验场合,需要性能的机理及补偿方法三个方面开展,从而提出综 响应快速、准确控制才能达到模拟并取代机械飞轮合性的解决方案,推进机械转动惯量电模拟技术的 的目标。 应用,促进相关行业的技术进步。 机械转动惯量电模拟技术的工程应用还需要解 决以下三个方面的关键问题 5结束语 1)实际系统必定存在的非线性摩擦和联轴器 的弹性特性。目前控制方法研究所采用的动力学模 随着新能源汽车、风力发电等领域研究的深 型几乎都直接采用传递函数表示的理想线性模型作人,对动态试验的需求日益增长,对试验台的模拟 为控制对象进行控制方法的分析和综合,这会导致能力要求越来越高,机械转动惯量电模拟技术吸 控制方法的局限性,只适用于一些缓变动态过程的引了国内外学者的广泛关注,然而目前该方向的 应用场合,而且控制方法的研究忽略了对传感器性研究尚不能满足应用要求,如何综合应用现代电 能的要求。因此,需要在综合和优化现有方法优点机控制技术、检测技术、信号处理和控制理论的最 的基础上考虑实际系统的约束研究控制方法。 新成果解决该技术应用面临的关键问题是未来深 2)控制所需的瞬时转速、角加速度或者被动作研究的内容。 用扭矩的实时、准确检测。现代电机普遍采用光电 编码器测量转速,该物理量从理论上就无法从单次 [参考文献] 采样得到,至少需要两次采样并且需要获取采样的 时间间隔才能计算得到,这种原理性延迟也对电模[1] Ahlawat I, Jiang S g, MedonzaD,etal. Onemulating 拟控制性能造成影响;而角加速度则没有可选用的 商业化传感器,普遍采用观测器估算,涉及比较复杂 the-loop experiments[ J]. Mechatronics, 2012, 22(7) 的数值计算,无法避免计算延迟,观测器的参数对估 989996 计性能也有较大影响;此外,实际应用中的传感器的 精度和分辨率有限,由此产生的误差会被角加速度 [2]李文礼,石晓辉,柯坚,等动力总成试验台架动态模 估计方法放大,未来的角加速度获取方法需要综合 拟技术[J]中国公路学报,2014,27(11):120-126 考虑测量噪声、滤波延迟、离散延迟等因素。扭矩检 Li W L, Shi X H, Ke j, et al. Dynamic simulation 测涉及模拟信号的放大、调制、滤波等,难以获得精 technology for powertrain test bench[J]. China Journal 确的动态扭矩,根据幅值和相位都有误差的信号来 of Highway and Transport, 2014, 27(11): 120-126(in 控制电机模拟惯量会导致模拟系统与目标系统有较 大的差异,高动态性能的扭矩传感器势必导致成本[3]何承坤,王丽芳,张仲石,等基于容差控制的电动汽
第 员圆 期 王皖君等院动态试验中 机械转动惯量电 模拟技术研究综述 澡贼贼责院 辕 辕 躁燥怎则灶葬造泽援灶憎责怎援藻凿怎援糟灶 辕 动系 动态 性 能 试验 台 驱 动 模拟 方案 时 袁针 对系 统 建模的 不确 定性袁提出 了 扭矩前馈鄄转速闭 环 的 控 制方法曰考 虑 传感 器滤 波 引 入 的 延 迟袁运 用 杂皂蚤贼澡 预估器来抑 制 延迟 对控 制 性能 的 影 响 袁然 而 该方 法对于过程 精 确 度 要 求 很高袁对于 模型 误差 十 分 敏感袁在实际 运用中 可能并不能取得理想的 效果遥 分析已 发表文献可知袁尽管在控制方法和 应用 研究方面各领域研究者取得了 一定的 研究成果袁但 离实际应用还有一段距离袁还存在着一些亟 待解决 的 关键问 题遥 源 尚需考虑和解决的关键问题 控制方法的 局限性尧控制所需瞬时信号的 检测 存在困 难尧数字控制 固 有的 延迟以 及实际 系 统的 非 线性摩擦等基础问 题一直限制了 机械转动惯量电 模 拟技术在工程上的 推广应用袁困 扰着学术界和 工程 技术界袁尤其是动态性能要求较高的 试验场合袁需要 响 应快速尧准确控制才能达到 模拟并取代机械飞 轮 的 目 标遥 机械转动惯量电 模拟技术的 工程应用还需要解 决以 下三个方面的 关键问 题院 员冤 实际系 统必定存在的 非线性摩擦和 联轴器 的 弹性特性遥 目 前控制方法研究所采用的 动力学模 型几乎都直接采用传递函 数表示的 理想线性模型作 为控制对象进行控制 方法的 分析和 综合袁这会导致 控制方法的 局限性袁只 适用于 一些缓变动态过程的 应用场合袁而且控制方法的 研究忽 略了 对传感器性 能的 要求遥 因 此袁需要在综合和 优化现有方法优点 的 基础上考虑实际系统的 约束研究控制方法遥 圆冤 控制所需的 瞬时转速尧角 加速度或者被动作 用扭矩的 实时尧准确 检测遥 现代电 机普遍采用光电 编码器测量转速袁该物理量从理论上就无法从单次 采样得到 袁至少需要两次采样并且需要获取采样的 时间 间 隔 才能计算得到袁这种原理性延迟也对电 模 拟控制性能造成影响 曰而角 加速度则没有可选用 的 商业化传感器袁普遍采用观测器估算袁涉及比 较复杂 的 数值计算袁无法避免计算延迟袁观测器的 参数对估 计性能也有较大影响 曰此外袁实际应用中 的 传感器的 精度和分辨率有限袁由 此产生的 误差会被角 加速度 估计方法放大袁未来的 角 加速度获取方法需要综合 考虑测量噪声尧滤波延迟尧离散延迟等因 素遥 扭矩检 测涉及模拟信号的 放大尧调制尧滤波等袁难以 获得精 确的 动态扭矩袁根据幅 值和 相位都有误差的 信号来 控制电 机模拟惯量会导致模拟系 统与目 标系统有较 大的 差异袁高动态性能 的 扭矩传感器势必导致成本 增加袁而扭矩观测器渊或负 载观测器冤虽然可以 弥补 传感器动态特性袁但对模型的 准确度尧观测器参数以 及测量噪声比 较敏感袁进一步的 研究可以 考虑融合 扭矩检测和观测信息遥 猿冤 数字控制存在模数和数模转换时间 尧计算时 间 尧离散化延迟等固 有的 延迟问 题袁决定了 控制驱动 系统无法立即 响 应指令输出 电 流使得电 机产生需要 的 惯性扭矩袁降低了 系统的 稳定裕度袁导致难以 实现 满意的 机械转动惯量电 模拟性能袁在极端情况下袁系 统会发生振荡甚至失去稳定性袁无法实现理想控制 方法的 目 标遥 该技术的 应用还需深入研究延迟对模 拟系 统稳定性尧惯量模拟范 围 和 模拟准确 性影响 的 机理及补偿方法袁进而提出 控制 周 期的 选择方法以 及运用信号预测算法进行延迟补偿遥 为 了 提高 机械转动 惯量电 模拟 技术的 控制 性 能尧可实现性和经济性袁将来的 研究需要从控制方法 综合与优化尧参与控制所需信号的 获取和 影响 控制 性能的 机理及补偿方法三个方面开展袁从而提出 综 合性的 解决方案袁推进机械转动 惯量电 模拟技术的 应用袁促进相关行业的 技术进步遥 缘 结束语 随着新能 源 汽 车尧风 力 发 电 等 领 域 研 究 的 深 入袁对动态试验的 需求日 益增 长袁对试验台 的 模拟 能力 要求 越 来 越 高袁机 械 转 动 惯量 电 模 拟 技 术 吸 引 了 国 内 外学 者 的 广 泛关注袁然 而 目 前 该方 向 的 研究尚 不 能 满 足 应 用 要 求袁如 何综 合应 用 现 代 电 机控制技术尧检测 技术尧信号处理和 控制 理论的 最 新成果解决该技术应用 面 临 的 关键问 题是未来深 入研究的 内 容遥 咱参考文献暂 咱员暂 粤澡造葬憎葬贼 砸袁 允蚤葬灶早 杂 郧袁 酝藻凿燥灶扎葬 阅袁 藻贼 葬造援 韵灶 藻皂怎造葬贼蚤灶早 藻灶早蚤灶藻 葬灶凿 增藻澡蚤糟造藻 贼则葬灶泽蚤藻灶贼 造燥葬凿泽 枣燥则 贼则葬灶泽皂蚤泽泽蚤燥灶鄄蚤灶鄄 贼澡藻鄄造燥燥责 藻曾责藻则蚤皂藻灶贼泽咱 允暂援 酝藻糟澡葬贼则燥灶蚤糟泽袁 圆园员圆袁圆圆渊 苑冤院 怨愿怨鄄怨怨远 咱圆暂 李文礼袁石晓 辉袁柯坚袁等援动 力 总 成试验台 架动 态模 拟技术咱允暂援中 国 公路学报袁圆园员源袁圆苑渊员员冤院员圆园鄄员圆远 蕴蚤 宰 蕴袁 杂澡蚤 载 匀袁 运藻 允袁 藻贼 葬造援 阅赠灶葬皂蚤糟 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 贼藻糟澡灶燥造燥早赠 枣燥则 责燥憎藻则贼则葬蚤灶 贼藻泽贼 遭藻灶糟澡咱 允暂援 悦澡蚤灶葬 允燥怎则灶葬造 燥枣 匀蚤早澡憎葬赠 葬灶凿 栽则葬灶泽责燥则贼袁 圆园员源袁圆苑渊员员冤院员圆园鄄员圆远 渊 蚤灶 悦澡蚤灶藻泽藻冤 咱猿暂 何承坤袁王丽芳袁张仲 石袁等援基于 容差控制 的 电 动 汽 员愿缘员