交流底盤測功機(jī)下位機(jī)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn) 摘 要 本論文主要介紹了摩托車交流底盤測功機(jī)系統(tǒng)下位機(jī)的研究開發(fā)過程，以及研究過程中遇到的一些問題和成果。本文首先介紹摩托車交流底盤測功機(jī)的基本概念和測試原理，根據(jù)理論分析結(jié)合國內(nèi)外一些成熟產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，我們提出了新穎的設(shè)計方案。本系統(tǒng)的一個特點(diǎn)就是利用了Rockwell公司的變頻器控制測功機(jī)和風(fēng)機(jī)，用一個 REGEN 單元控制電能的流動，大大提高的能量效率。具體的測試工作主要集中在下位計算機(jī)中，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和 PLC控制等。本文詳細(xì)的介紹了下 位機(jī)的搭建，各個計算機(jī)板卡的選擇和使用，信號調(diào)理等硬件電路。在最后一章，給出了下位機(jī)主程序的設(shè)計思路，并且進(jìn)行了初步的調(diào)試，測得了部分?jǐn)?shù)據(jù)。 【關(guān)鍵詞】 交流底盤測功機(jī)，變頻器，計算機(jī)測量 2 ABSTRACT This paper give a introduce to the chassis dynamometer of motorcycle and its research and development. At first we will give you the basic idea about the chassis dynamometer and mechanics analysis .As well we design a new construction of chassis dynamometer by using transducer of Rockwell Automation . The alternators efficiency is higher than that of direct current dynamo. Bottom computer take charge of data sampling, analysis of data and controlling PLC. In this paper we present you how to construct computer measurement system in the chassis dynamometer. By using advanced computer technology , the system have a high precision. At last, we write down main program in the bottom computer and some conclusion of preliminary debugging. 【 Key Words】 chassis dynamometer， transducer， computer measurement 3 目 錄 第 1 章 前言 1 第 2 章 摩托車交流底盤測功機(jī)的基本原理 3 2.1 摩托車底盤測功機(jī)簡介 3 2.1.1 摩托車底盤測功機(jī)的基本概念 3 2.1.2 摩托車底盤測功機(jī)的結(jié)構(gòu) 4 2.1.3 摩托車底盤測功機(jī)的分類 5 2.2 摩托車底盤測功機(jī)的力學(xué)分析 6 2.2.1 摩托車在道路上的行駛 7 2.2.2 摩托車在底盤測功機(jī)上行駛 12 2.2.3 底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛方程 13 2.2.4 底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛中的能量守恒 15 2.3 道路阻力設(shè)定器 17 第 3 章 交流底盤測功機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計 20 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計 20 2.2 測功機(jī)的控制和能量交換 21 第 4 章 下位機(jī)硬件的介紹 25 4.1下位機(jī)硬件的選擇 25 4.2下位機(jī)板卡的安裝、設(shè)置和 編程 26 4.2.1三軸轉(zhuǎn)角編碼計數(shù)卡 PCL 833 26 4.2.2多功能計數(shù)器和數(shù)字量 I/O卡 PCL-836 33 4 4.2.3四通道 D/A輸出卡 PCL 1720 39 第 5 章 下位機(jī)測量信號的調(diào)理 43 5.1速度信號的處理 43 5.2信號的濾波 45 第 6 章 下位機(jī)主程序的設(shè)計 48 6.1編程要求 48 6.1.1測試項(xiàng)目說明 48 6.1.2測量數(shù)據(jù)要求 53 6.2主程序的設(shè)計 54 6.3程序的初步調(diào)試 57 第 7 章 總結(jié) 59 致謝 60 參考文獻(xiàn) 61 5 第 1 章 前言 隨著現(xiàn)代社會的不斷進(jìn)步，車輛愈來愈成為人類重要的交通工具。然而隨著車輛的急劇增加，道路安全以及車輛排放與噪聲帶來的環(huán)境問題引起了人們的廣泛關(guān)注。車輛的優(yōu)良性能一直是國家和有關(guān)企業(yè)共同追求的目標(biāo)，這也是促進(jìn)車輛檢測技術(shù)不斷進(jìn)步的動力。另外，隨著各種技術(shù)日新月異的變化，車輛的檢測技術(shù)也隨之不斷改進(jìn)。由傳統(tǒng)的道路測試到目前的臺架測試，測試手段越來越先進(jìn)，測試的精度也越來越高?？墒窃趪鴥?nèi)研究摩托車測試的人較少，摩托車檢測技 術(shù)和設(shè)備都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。本論文結(jié)合了我們課題組承擔(dān)的摩托車交流底盤測功機(jī)的研究，主要介紹了該系統(tǒng)下位機(jī)的硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。首先，它簡單介紹了摩托車底盤測功機(jī)的基本概念，了解清楚摩托車臺架測試基本過程；接著主要論述了下位機(jī)的研制、開發(fā)、數(shù)據(jù)采集卡的使用、信號的調(diào)理，以及下位機(jī)程序的開發(fā)等。 目前國內(nèi)的摩托車底盤測功機(jī)只有直流系統(tǒng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能越來越好，與直流調(diào)速性能不相上下，而且交流電機(jī)價格便宜，結(jié)實(shí)耐用。當(dāng)然，這樣付出的代價是交流系統(tǒng)的調(diào)速和控制難度增大。目前國外已經(jīng)逐漸 淘汰直流底盤測功機(jī)，新開發(fā)的摩托車底盤測功機(jī)產(chǎn)品基本全是交流系統(tǒng)，這是目前發(fā)展的方向。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)尚無摩托車交流底盤測功機(jī)產(chǎn)品問世。我們打算越過直流底盤測功機(jī)的研制，直接研究交流底盤測功機(jī)。 我們羅克韋爾實(shí)驗(yàn)室有許多羅克韋爾公司提供的最先進(jìn)的電機(jī)、變頻 6 器、 PLC 以及相應(yīng)的軟件，將這些產(chǎn)品應(yīng)用于該產(chǎn)品的開發(fā)，大大減少了開發(fā)的難度，使得交流電機(jī)的控制變得十分簡單。剩下難點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)傳輸和計算機(jī)控制方面等。在實(shí)驗(yàn)室，為了研究的方便，我們用羅克韋爾公司的產(chǎn)品搭建了一套模擬運(yùn)行裝置，進(jìn)行各 種實(shí)驗(yàn)和編程，然后再到工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試，反復(fù)修改程序。 經(jīng)過四個月努力，我們的整體工作已經(jīng)基本完成，這個系統(tǒng)初具規(guī)模，下位機(jī)搭建起來，程序設(shè)計基本完成。在實(shí)驗(yàn)室也能夠模擬出一部分功能，也進(jìn)行了許多測試實(shí)驗(yàn)，取得了一定的成功。這個結(jié)果是令人歡欣鼓舞的，為我們后續(xù)工作提供了動力。可是在現(xiàn)場調(diào)試的過程中，還出現(xiàn)了一些問題，有待于我們?nèi)ソ鉀Q，相信還會有更多的問題等待著我們。 7 第 2 章 摩托車底盤測功機(jī)的基本原理 在本章我們簡要的介紹了摩托車底盤測功機(jī)的基本工作原理，分析了摩托車測功機(jī)的力學(xué) 理論基礎(chǔ)，為以后系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。很好的了解本章內(nèi)容，對于后面的道路阻力設(shè)定器和電慣量模擬這些難點(diǎn)才會有透徹的認(rèn)識。 2.1 摩托車底盤測功機(jī)簡介 摩托車底盤測功機(jī)是一個十分專業(yè)的名詞，對于不是該專業(yè)領(lǐng)域的我們，首先要了解什么是摩托車測試，什么是摩托車底盤測功機(jī)，它的工作原理、結(jié)構(gòu)和目前的狀況。 2.1.1 摩托車底盤測功機(jī)的基本概念 摩托車檢測包括道路試驗(yàn)（以下簡稱路試）檢測和臺架試驗(yàn)（以下簡稱臺試）檢測兩種方式。路試是指摩托車在良好路面上直線行駛測試人員利用標(biāo)桿，米尺，秒表等工具測量車輛的各種數(shù)據(jù)，利用 公式計算出摩托車的各種動力性能。臺試是指將摩托車固定在檢測臺上，把驅(qū)動輪放在轉(zhuǎn)鼓上，由交流底盤測功機(jī)模擬路試情況進(jìn)行測量。臺試與路試相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： 不受外界試驗(yàn)條件與環(huán)境的影響； 試驗(yàn)周期斷； 節(jié)省人力，物力，不需建造昂貴的專用試車場； 精度高，數(shù)據(jù)可靠； 測試安全可靠。因此，臺試越來越引起研究人員的注意，各個公司也推出了不少的產(chǎn)品。 8 2.1.2 摩托車底盤 測功機(jī)的結(jié)構(gòu) 在道路上行駛時是摩托車相對于靜止的路面運(yùn)動，在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上是以轉(zhuǎn)鼓的表面相對于靜止的汽車旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖 2.1所示為底盤測功機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。 圖 2.1底盤測功機(jī)結(jié)構(gòu)圖 測力裝置： 測試摩托車驅(qū)動輪放在轉(zhuǎn)鼓上，轉(zhuǎn)鼓軸端聯(lián)接有測功機(jī)。測功機(jī)能產(chǎn)生一定的阻力矩并調(diào)節(jié)試驗(yàn)中轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速（即摩托車的車速）。由力傳感器可以測出施加在轉(zhuǎn)鼓上的轉(zhuǎn)矩 T 的值，顯然 T=FL （ 2.1） 式中： F由拉力傳感器測出的力 ，作用于測功機(jī)外殼長臂上的拉力； L測功機(jī)外殼長臂的長度。 根據(jù)摩托車驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)鼓的力矩平衡，可得出驅(qū)動輪上的驅(qū)動力矩。 測速裝置 :摩托車的速度是根據(jù)測量轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速進(jìn)行換算。一般在測功機(jī)的軸端裝上轉(zhuǎn)角編碼器，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)交編碼器輸出電脈沖信號，用計數(shù)器計量脈沖信號就可以算出摩托車的車速。這樣測量的速度精確度很高。 還可以帶有許多其他測量裝置，比如發(fā)動機(jī)溫度測量，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測 9 量，燃油消耗等。在本系統(tǒng)中，速度和力矩的測量是最關(guān)鍵的一步，它決定了整個測功機(jī)性能的好壞。 2.1.3 摩托車底盤測功機(jī)的分類 根據(jù) 測功機(jī)的功率吸收裝置的類型可以把測功機(jī)分為一下幾類： 水力測功機(jī) 它是用水作為制動介質(zhì)，水在測功機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間起聯(lián)接作用，利用轉(zhuǎn)子對水地沖擊、切割和摩擦產(chǎn)生地阻力來消耗功率，通過調(diào)節(jié)進(jìn)出水量，可以得到不同的制動功率。在水流量一定時，測功機(jī)的制動扭矩隨轉(zhuǎn)子的增加而提高， 這種測功機(jī)在大功率測量時性能穩(wěn)定，造價較低但精度不高。但它的控制響應(yīng)速度慢，不適合摩托車發(fā)動機(jī)的動態(tài)變化。 電渦流測功機(jī) 電渦流測功機(jī)是將吸收車輛驅(qū)動輪輸出功率而產(chǎn)生的渦電流 變成熱能，經(jīng)空氣或 水散失掉。它可以分為水冷式和風(fēng)冷式。一般電渦流測功機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子用高導(dǎo)磁鋼 制 成，電磁盤與試驗(yàn)臺主動輪 轉(zhuǎn)鼓相連，并在磁場線圈之間轉(zhuǎn)動。當(dāng)勵磁線圈通過直流電時，兩級間產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子通過勵磁線圈磁場轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子盤上變產(chǎn)生渦電流。由于渦電流和外磁場的相互作用，對轉(zhuǎn)子 盤產(chǎn)生一個制動阻力矩。調(diào)節(jié)通過勵磁線圈電流的大小，即可改變制動阻力矩（即吸收功率）的范圍。 電渦流測功機(jī)測試范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、造價適中，故目前大多數(shù)轉(zhuǎn)鼓試 驗(yàn)臺的功率吸收裝置均采用電渦流測功機(jī)。電渦流測功機(jī)具有動態(tài)相 應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是電渦流測功機(jī)需要水冷卻 ， 需有冷卻水循環(huán)系統(tǒng) ， 如管路敷設(shè)、冷卻水軟化和除垢等 ， 而電力測功機(jī)從控制特性、使用、安裝和維護(hù)等方面均有突出的優(yōu)點(diǎn) ， 因此本項(xiàng)目選擇電力測功機(jī) 吸收功率的方 10 案。 電力測功機(jī) 電力測功機(jī)又稱平衡電機(jī)，作為負(fù)載用時，它通過發(fā)電來吸收功率，其功率相當(dāng)于發(fā)電機(jī)。但平衡電機(jī)還可以作為驅(qū)動機(jī)械之用，這時它輸出功率，其功率相當(dāng)于電動機(jī)，利用電力電子控制的電力測功機(jī)能很好的模擬摩托車的行駛阻力和慣性力。因此，它大大的擴(kuò)大了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的用途，并在較廣的轉(zhuǎn)速 范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的制動扭矩特性，工作平穩(wěn)，使用方便，可集中遠(yuǎn)距離控制，測試精度高。 電力測功機(jī)中的電機(jī)最早采用直流電機(jī)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有良好的啟動、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)調(diào)速，而且它的控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，但在摩托車測功機(jī)中也存在一些問題：直流電機(jī)價格昂貴，最高轉(zhuǎn)速低（摩托車最高車速是很高的），在高速時換向困難，直流電機(jī)在這里使用效率較低?，F(xiàn)在因?yàn)榻涣麟姍C(jī)調(diào)速的理論和手段越來越多，技術(shù)上越來越成熟，采用交流電機(jī)，使用變頻調(diào)速，價 格便宜，使用方便可靠，高速旋轉(zhuǎn)時不存在換向問題，而且它發(fā)出的電可以 容易的回饋到電網(wǎng)，從而提高 了整個系統(tǒng)的效率。 本項(xiàng)目開發(fā)的就是交流測功機(jī)，目前國內(nèi)只有直流測功機(jī)，尚無公司能夠生產(chǎn)交流測功機(jī)。國外早先生產(chǎn)直流測功機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)推出交流測功機(jī)了，從現(xiàn)在的發(fā)展趨勢來看，交流測功機(jī)是以后的發(fā)展方向。所以我們跳過直流測功機(jī)的研制，直接研究交流測功機(jī)。而且，我們可以很好的利用羅克韋爾公司向我們實(shí)驗(yàn)室提供的變頻器、 PLC等先進(jìn)設(shè)備開展研究。 2.2 摩托車底盤測功機(jī)的力學(xué)分析 11 首先，讓我們從工程力學(xué)角度，應(yīng)用運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)原理和相對運(yùn)動關(guān)系，研究分析摩托車道 路行駛中和在底盤測功機(jī)上進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)中的受力狀況，并建立了行駛方程；為將摩托車道路行駛工況有效、等量地轉(zhuǎn)移到底盤測功機(jī)上，模擬各項(xiàng)行駛阻力提供了底盤測功機(jī)設(shè)計和研制的理論依據(jù)和方法。 摩托車底盤測功機(jī)是應(yīng)用現(xiàn)代電測和計算機(jī)技術(shù)，利用摩托車在路上行駛中與道路的相對運(yùn)動關(guān)系，將摩托車道路行駛工況 (如：道路阻力狀況、行駛慣性等 )有效、等量地轉(zhuǎn)移到摩托車底盤測功機(jī)上，即摩托車底盤測功機(jī)仿真模擬各項(xiàng)行駛阻力，使摩托車整車的道路試驗(yàn)項(xiàng)目以及應(yīng)用工況法測量摩托車排氣污染物排放量等試驗(yàn)移至室內(nèi)進(jìn)行的專用測試設(shè)備 。 摩托車在道路上行駛是摩托車相對靜止的路面運(yùn)動，而摩托車在底盤測功機(jī)上進(jìn)行臺架動力性試驗(yàn)是用滾輪 (亦稱轉(zhuǎn)鼓 )表面取代路面，并且相對于靜止的摩托車做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。摩托車底盤測功機(jī)行駛阻力的模擬如何實(shí)現(xiàn)、精確度如何保證則是其技術(shù)關(guān)鍵。這必須從其運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)入手加以分析。 2.2.1 摩托車在道路上行駛 摩托車行駛在路面上，其發(fā)動機(jī)曲軸輸出扭矩，經(jīng)變速傳動系統(tǒng)傳遞給驅(qū)動輪，通過輪胎與地面的接觸 (摩擦力足夠大時，視為無滑動的純滾動運(yùn)動 )產(chǎn)生驅(qū)動力，同時，還受到各種行駛阻力。受力分析如圖 2.2： 當(dāng)驅(qū)動力等于行駛阻 力時，摩托車做勻速運(yùn)動；當(dāng)驅(qū)動力不等于 (大于或小于 )行駛阻力時，摩托車做變速 (加速或減速 )運(yùn)動。 12 圖 2.2摩托車道路行駛受力分析 摩托車的驅(qū)動力 摩托車的驅(qū)動力是由發(fā)動機(jī)曲軸輸出扭矩，經(jīng)離合器、變速傳動系統(tǒng)(降速增扭作用 )傳遞給驅(qū)動輪足夠大的驅(qū)動扭矩，其對地面產(chǎn)生一圓周力(切向力 )，地面由于附著作用給驅(qū)動輪一反作用力 (當(dāng)附著條件即路面接觸強(qiáng)度足夠大時，其與圓周力可視為大小相等、方向相反 )即為推動摩托車前進(jìn)的驅(qū)動力。 （ 2.2） 式中：tF 摩托車的驅(qū)動力， (N)； 0F 驅(qū)動輪對地面產(chǎn)生的圓周力 (圖 2.1 用虛線、箭頭表示 )(N)； tM 驅(qū)動輪上的驅(qū)動扭矩， (N m)； R 驅(qū)動輪工作半徑， (m)； eM 摩托車 發(fā)動機(jī)曲軸輸出扭矩， (N m)； 0 * 1 * 2 * * ()t e Tt M M i i i gF F Nrr 13 i1 一次傳動比； i2 二次傳動比； ig 變速器傳動比； T 傳動變速系統(tǒng)總傳動效率。 摩托車的行駛阻力 摩托車行駛時受到的各種阻力，統(tǒng)稱為行駛阻力，主要包括滾動阻力，空氣阻力，坡度阻力和慣性阻力。 滾動阻力：摩托車車輪彈性輪胎在路面上滾動時，來自路面與輪胎接觸面之間的各種阻力，統(tǒng)稱為滾動阻力。由于前、后輪的受力情況不同，故其滾動阻力則不同。在計算滾動阻力時，按整車的滾動阻力考慮。 fF f m g (N) （ 2.3） 式中：fF 整車的滾動阻力， (N)； m 摩托車整車基準(zhǔn)質(zhì)量 (含駕駛員質(zhì)量 75kg)， (kg)； g 重力加速度， (m/ 2s )； f 整車滾動阻力系數(shù)，其是路面狀況、輪胎結(jié)構(gòu)、充氣壓力、車速、載荷等的函數(shù)， f1 從動輪的滾動阻力系數(shù)； G 摩托車整車法向載荷， (N)； G1 從動輪的法 向載荷， (N)； f2 驅(qū)動輪的滾動阻力系數(shù)； G2 驅(qū)動輪的法向載荷， (N)。 空氣阻力：摩托車行駛時，在空氣中運(yùn)動受到空氣的作用力，稱為空1212GGf f f 14 氣阻力。其主要由壓力阻力 (即形狀阻力，迎面壓力大于后部壓力 )和摩擦阻力 (即表面阻力，在摩托車與切向氣流摩擦表面上產(chǎn)生 )構(gòu)成。據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，空氣阻力主要是壓力阻力，即： WF=12DC 2rv(N) （ 2.4） 式中：WF 空氣阻力， (N)； DC 空氣阻力系數(shù)； 迎風(fēng)面積，即摩托車 (含駕駛員 )行駛方向的正投影面積，( 2m )； 空氣密度， (kg/ 3m )； rv 相對速度， (m/ )，無風(fēng)時為摩托車行駛速度。 坡度阻力：摩托車沿縱向坡路上行駛時，受重力沿坡道分力的作用，稱為坡度阻力。上坡時，坡度阻力與驅(qū)動力方向相反；下坡時，兩者方向一致。 iF=mg sin (N) （ 2.5） 式中：iF 坡度阻力， (N) 縱向坡度角， ( )。 若按照公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，公路以坡度值即 =tan表示，并取代 sin： sin tan （ 2.6） 則： iF=mgsin mg tan =mg (N) （ 2.7） 可見，用道路的坡度值 (以百分?jǐn)?shù)表示 )取代 sin時，是在值較小 (在小于 17時，所帶來的誤差將不超過 5%)時；若值較大，則不可如此計算。 15 慣性阻力：摩托車變速行駛時，除克服上述阻力外，還需克服其本身質(zhì)量變速運(yùn)動的慣性力。其由兩 部分組成：平移質(zhì)量慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力。將其換算到車輪上的等效慣性阻力為： （ 2.8） 式中：jF 變速行駛，換算到車輪上的總慣性阻力， (N)； dv/dt 摩托車加速度， (m/ 2s ) 質(zhì)量換算系數(shù)； 質(zhì)量換算系數(shù)有以下定義： 式中12W W WI I I ； 1WI 從動輪轉(zhuǎn)動慣量， (kg 2m )； 2WI 驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動慣量， (kg 2m )； 1fI 發(fā)動機(jī)曲軸部件的轉(zhuǎn)動慣量， (kg 2m )； 2fI 離合器、變速器、二次傳動裝置等旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量，(kg 2m )； 1T,1T 除一次傳動外的傳動效率。 圖 2.2 中， 1jwT、2jwT分別為從動、驅(qū)動輪產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩。 摩托車道路行駛 方程 據(jù)上述各力在 X 軸上的投影，可得到摩托車的道路變速行駛方程： t f w i jF F F F F * ( )dvF j Ndt2 2 2 21 1 2 2 2 122* * * * * *1 * * f g T f TW I i i i I iIggG r G r 2 2 2 2 21 1 2 2 2 1211 ( * * * * * * * )W f g T f g TI I i i i I i i mr 16 (2.9) 該式表明了摩托車在坡道上變速行駛時的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡關(guān)系，亦表明了摩托車的動力性能。另外，由于滾動阻力系數(shù)與行駛速度有關(guān)，所以滾動阻力、空氣阻力均為車速的函數(shù)，在任何條件下均存在，且為正值；而坡度阻力、慣性阻力與車速無關(guān) (慣性阻力為加速度的函數(shù) )，且在一定條件 下 (即上坡或下坡、加速或減速 )存在，且有正負(fù)值。 2.2.2 摩托車 在底盤測功機(jī)上行駛 摩托車在底盤測功機(jī)滾輪上行駛，前輪被夾緊固定，僅驅(qū)動輪和滾輪做相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，此時車輛相對滾輪是靜止的，車速為零，而滾輪表面則取代了路面。受力分析如圖 2.3。 圖 2.3摩托車在底盤測功機(jī)上行駛受力分析 21 * * * s i n2 Dr dvf m g C A v m g m dt 2 2 2 2 21 2 1 1 2 2 22* * * * * * * * ( )W W f g T f g TI I I i i i I i i dv Nr d t 17 2 2 2 2 22 1 1 2 2 2 122* * * * * * * ()W f g T f g T RJI I i i i I i i I dvFNr R d t通過對驅(qū)動輪在滾輪上變速行駛時的受力分析，可得到摩托車在底盤測功機(jī)上的變速行駛方程： t R m e J jF F F F F F (2.10) 式中：tF 摩托車的驅(qū)動力， (N)； RF 底盤測功機(jī)制動力， (N)； mF 底盤測功機(jī)滾輪、慣性輪及軸系總摩擦阻力， (N)； eF 驅(qū)動輪與滾輪間的滾動阻力，eF=(1+r/R)2fF(N)； 2fF 驅(qū)動輪道路行駛的滾動阻力， (N)； JF 驅(qū)動輪和發(fā)動機(jī)曲軸部件、離合器、變速器、二次傳動裝置等旋轉(zhuǎn)部件的慣性力換算到車輪上的慣性阻力； jF 滾輪、慣性輪及軸系產(chǎn)生的慣性阻力，（ N） RI 滾輪、慣性輪及軸系的轉(zhuǎn)動慣量， (kg 2m )； r/R 摩托車驅(qū)動輪工作半徑與滾輪半徑之比。 2.2.3 底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛方程 在底盤測功機(jī)上模擬摩托車道路行駛狀況，底盤測功機(jī)必須產(chǎn)生相當(dāng)某車型在道路上行駛時所呈現(xiàn)的、與車速成函數(shù)關(guān)系的行駛阻力，即底盤2(1 )R m frF F FR 2 2 2 2 22 1 1 2 2 2 122* * * * * * * ()W f g T f g T RI I i i i I i i I dv Nr R d t 2 *RjI dvF R dt 18 測功機(jī)模擬的行駛阻力與道路行駛阻力相等。 比較摩托車在道路上和在底盤測功機(jī)上的兩行駛方程式 (2.9)和 (2.10)，則兩式右邊應(yīng)相等： fF+WF+iF+jF=RF+mF+eF+ jF+jF即： 整理 并歸并同類項(xiàng)： 令 上式中兩邊對應(yīng)項(xiàng)相等，得： (2.11) 由于摩托車驅(qū)動輪與滾輪相對旋轉(zhuǎn)，切點(diǎn)的線速度相等，則： R=m+1WI/ 2r 2R (2.12) 即當(dāng)量模擬質(zhì)量： RF+ mF+eF=fF+WF+iF移項(xiàng)后，有： RF=(fF+WF+iF)-(mF+eF) (2.13) f w i dvF F F m dt 2 2 2 2 21 2 1 1 2 2 2 12* * * * * * * *w w f g T f g Ti i i i i i i i i dvr d t 2 2 2 2 22 1 1 2 2 2 122* * * * * * *w f g T f g T RR m ei i i i i i i i i dvF F Fr R d t 122 w Rf w i R m ei id v d vF F F m F F Fr d t R d t 122wR ii d v d vmR d t r d t122m wR ii mRr 當(dāng) 19 分析式 (2.11)、式 (2.13)，可得到如下結(jié)論，并為其機(jī)械設(shè)計與程序控制提供了理論基礎(chǔ)： 從 式 (2.12)可見，要使底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛中的慣性阻力，只要使?jié)L輪同軸上所有旋轉(zhuǎn)部件 (包括慣性輪、主軸、聯(lián)軸器、電機(jī)軸、扭矩儀等 )產(chǎn)生的慣性阻力 等于摩托車整車基準(zhǔn)質(zhì)量和從動輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的慣性阻力之和即可。從式 (2.12)可見，底盤測功機(jī)滾輪軸系的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)等于受試摩托車整車基準(zhǔn)質(zhì)量與從動輪當(dāng)量旋轉(zhuǎn)質(zhì)量之和與滾輪半徑平方的乘積；或者講，底盤測功機(jī)的當(dāng)量模擬質(zhì)量應(yīng)等于受試摩托車基準(zhǔn)質(zhì)量與從動輪轉(zhuǎn)動慣量的當(dāng)量質(zhì)量之和。 從式 (2.13)可見，要 使底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛中的滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力，只要使底盤測功機(jī)的制動力等于路面行駛的滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力之和，減去底盤測功機(jī)滾輪、慣性輪及軸系總摩擦阻力和驅(qū)動輪與滾輪間的滾動阻力之和即可。 2.2.4 底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛中的能量守恒和轉(zhuǎn)換 從機(jī)械能守恒及轉(zhuǎn)換考慮，摩托車道路行駛狀態(tài)一定時，就具有一定的能量，即能量是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。若實(shí)現(xiàn)底盤測功機(jī)的仿真模擬摩托車 的道路行駛工況，就必須有效、等量地進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，即必須使摩托車路面行駛具有的、并應(yīng)轉(zhuǎn)化的能量與底盤測 功機(jī)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動動能相等。 摩托車一般采用后輪驅(qū)動，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)時，后輪在滾輪上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，前輪被夾緊固定。這樣，試驗(yàn)狀態(tài)與道路狀態(tài)則不同，即摩托車整車基準(zhǔn)質(zhì)量未做直線運(yùn)動，是靜止的；前輪被夾緊固定，不能同步旋轉(zhuǎn)。其它，如后輪、發(fā)動機(jī)曲軸部件、離合器、變速器、二次傳動裝R2( * )I dvR dt 20 置等旋轉(zhuǎn)部件與摩托車道路行駛狀態(tài)相同。這就說明，要使底盤測功機(jī)模擬摩托車道路行駛中的慣性阻力，只需將摩托車平移質(zhì)量的動能、從動輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動動能進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。 摩托車道路行駛平移質(zhì)量的動能： (2.14) 摩托車道路行駛從動輪的轉(zhuǎn)動動能： (2.15) 式中： m 摩托車整車基準(zhǔn)質(zhì)量， (kg)； v 摩托車車速， (m/ )； 1WI 摩托車從動輪轉(zhuǎn)動慣量， (kg 2m )； 1 摩托車從動 輪的角速度， (rad/ )。 底盤測功機(jī)滾輪、慣性輪及軸系的轉(zhuǎn)動動能： (2.16) 式中： IR 滾輪、慣性輪及軸系的轉(zhuǎn)動慣量， (kg 2m )； 2 滾輪、慣性輪及軸系的角速度， (rad/ )。 據(jù)上述，則： 3kE=1kE+2kE(2.17) 21 1 ()2kE m v J22 1 11 ()2kwE I J2321 ()2kRE I J2 2 22 1 11 1 12 2 2RwI m v I2 2 22 1 1RwI m v I 21 因驅(qū)動輪與滾輪切點(diǎn)的線速度相等，則有： 代入上式并整理： (2.18) 2.3 道路阻力設(shè)定器 根據(jù)上述的理論分析，我們知道要想在底盤測功機(jī)上完全模擬出摩托車在道路上的受力分析，必須控制測功機(jī)按照道路上的受力情 況輸出相應(yīng)的阻轉(zhuǎn)矩，這個功能由道路阻力設(shè)定器完成。所謂的道路阻力設(shè)定器就是一個函數(shù)發(fā)生器，輸入信號是檢測到的轉(zhuǎn)鼓線速度 v，輸出信號是經(jīng)過計算后的轉(zhuǎn)矩信號 T。摩托車在道路上行駛時的阻力在上述理論推倒中已經(jīng)得到，我們要在底盤測功機(jī)上完全模擬出這些阻力。可以用下面的公式表示： RF A+Bv+C 2v -mF+(0M+1iM-mM)dv/dt+g0Msin （ 2.19） 式中：RF是測功機(jī)提供的電磁阻力； A、 B 和 C 是與車輛有關(guān)的常數(shù)； mF是測功機(jī)轉(zhuǎn)鼓的機(jī)械損失阻力； 0M是摩托車的總質(zhì)量 (140kg250kg)； 1iM是摩托車前輪質(zhì)量 (10%0M)； mM是測功機(jī)轉(zhuǎn)鼓慣性質(zhì)量（ 150kg）。 為了滿足不同的車輛試驗(yàn)，道路阻力設(shè)定器應(yīng)該有 6個數(shù)據(jù)可以手工輸入 A、 B、 C、0M、1iM和 。mF和mM是測功機(jī)的固有參數(shù)，mF經(jīng)過1 vr 2 vR 2 2 21( ) ( )RwvvI m v IRr 22 試驗(yàn)確定，由數(shù)組保存起來，也可由一個二次代數(shù)式來表示。mM先由計算方法得出，再用力學(xué)原理測量加以修正。因?yàn)樵O(shè)備機(jī)械損失和電氣系統(tǒng)的漂移的因素會造成誤差，故想要在底盤測功機(jī)上模擬出車輛在道路上的阻力，道路阻力設(shè)定器還要有自動修正功能，簡單的說就是利用慣性滑行法來逐次逼近設(shè)定值。車輛根據(jù)設(shè)定的參數(shù)按照下圖 2.4方式行駛， 圖 2.4滑 行修正過程 滑行后得到一條在道路阻力設(shè)定器工作下的 V-T曲線，理論上與摩托車在道路上行駛受到的阻力是一樣的，而實(shí)際情況下由于電氣系統(tǒng)的漂移等因素影響下不可能與實(shí)際完全一樣，為了減小誤差，我們可以多進(jìn)行幾次滑行試驗(yàn)，然后用實(shí)際的 V-T曲線經(jīng)過計算得到 F-V曲線，與理論上的 F-V曲線對比修正。 圖 2.5阻力特性曲線 23 修正后的數(shù)據(jù)存入數(shù)組，然后用新的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后在輸出給變頻器，然后再作一次滑行試驗(yàn)，直到相對誤差小于 3即可，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般滑行 3次就可以了。 24 第 3章 交流底盤測功機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計 3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 根據(jù)以上的理論分析和國內(nèi)外一些成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，我們設(shè)計的交流底盤測功機(jī)系統(tǒng)主要由上位計算機(jī)（以下簡稱上位機(jī)）、下位計算機(jī)（以下簡稱下位機(jī)）、電機(jī)部分和控制臺四大部分構(gòu)成。電機(jī)部分主要包括測功機(jī)和風(fēng)機(jī)以及相應(yīng)的變頻器，它是該系統(tǒng)工作的核心部分；下位機(jī)主要包括下位計算機(jī)和一些測量的計算機(jī)板卡，它主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，信號調(diào)理和執(zhí)行上位機(jī)的控制命令等工作；上位機(jī)主要包括一臺主機(jī)和兩個顯示器，其中一個是司機(jī)助手，另一個是 測量人員操作顯示器。它主要負(fù)責(zé)有關(guān)數(shù)據(jù)的輸入，測量的控制，測量數(shù)據(jù)的計算和分析，以及測量數(shù)據(jù)的存檔等工作。上位機(jī)和下位機(jī)通過 RS 232串口通訊，由上位機(jī)發(fā)出控制命令給下位機(jī)執(zhí)行，下位機(jī)將測得的數(shù)據(jù)及時的傳送到上位機(jī)處理?？刂婆_主要包括一些手動控制開關(guān)、手脈和 PLC等 ，它主要利用 PLC控制電機(jī)部分的開起，也有一些弱電的控制，主要是為了保證系統(tǒng)的可靠性，在計算機(jī)出故障時，還可以進(jìn)行簡單的測量并能分析系統(tǒng)的故障。圖 3.1和 3.2分別給出了上位機(jī)和下位機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖 3.1上位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 25 圖 3.2下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 3.2 測功機(jī)的控制和能量交換 底盤測功機(jī)的部分主要有測功機(jī)和轉(zhuǎn)鼓，兩者用彈性連軸結(jié)相聯(lián)。沒有慣性飛輪組。車輛進(jìn)行試驗(yàn)時，前輪用夾持器固定，使車輛前后不能移動，左右不能偏倒。后輪放在轉(zhuǎn)鼓上，轉(zhuǎn)鼓被車輛后輪驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，同時帶動測功機(jī)旋轉(zhuǎn)。測功機(jī)提供阻轉(zhuǎn)矩。摩托車后輪在轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)轉(zhuǎn)，不考慮兩者之間的滑動，認(rèn)為是純滾動。車輛的速度就用轉(zhuǎn)鼓表面的線速度來表示。 底盤測功機(jī)的性能好壞與精度可以用許多參數(shù)指標(biāo)來表示，但是用戶評價主要是看同一車輛在道路試驗(yàn)（路試）和在底盤測功機(jī)上試驗(yàn)（臺 試）的成績相近程度。要想臺試與路試效果一致，必要的條件是： 26 1.車輛（主要是發(fā)動機(jī)）的熱狀態(tài)與路試一樣。 2.車輛后輪驅(qū)動的轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速 -轉(zhuǎn)矩特性與路試的速度 -阻力特性一樣。 為滿足第一個條件，臺試時在車輛前方安裝一臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口足夠大（國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出口面積不小于 0.4 平方米）；風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速始終與轉(zhuǎn)鼓表面線速度相同。這樣車輛的冷卻效果就與路試一樣了。 為滿足第二個條件，測功機(jī)必須能模擬車輛在道路行駛的 4項(xiàng)阻力：滾動阻力，空氣阻力，加速阻力（也稱慣性阻力），坡度阻力。其中滾動阻力和空氣阻力是速度的函數(shù)，加 速阻力是加速度的函數(shù)。 為了數(shù)值直觀，在底盤測功機(jī)上轉(zhuǎn)速用轉(zhuǎn)鼓表面線速度了表示，電位km/h。轉(zhuǎn)矩用轉(zhuǎn)鼓表面切向力來表示，單位 N。這樣便于臺試數(shù)據(jù)與路試的數(shù)據(jù)相對應(yīng)。現(xiàn)在的轉(zhuǎn)鼓直徑 530.5mm。這個直徑給測量帶來一些便利，例如當(dāng)轉(zhuǎn)速為 1000r/min時，表面線速度正好是 100.0km/h。 測功機(jī)工作在三種運(yùn)行方式： ASR（ auto speed regulate）恒轉(zhuǎn)速方式 測功機(jī)在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速方向不變，負(fù)荷（轉(zhuǎn)矩）大小和方向取決于被測的原動機(jī)。控制精度要求 ：靜態(tài)優(yōu)于 0.1，動態(tài)優(yōu)于0.5。 主要用于測功機(jī)空轉(zhuǎn)檢查，摩托車后輪驅(qū)動力測試。 測功機(jī)上有兩個轉(zhuǎn)速傳感器，一個是 1024脈沖 /轉(zhuǎn)光電編碼器，供變頻器和道路阻力設(shè)定器用，另一個是 120脈沖 /轉(zhuǎn)光電編碼器，供測量、報警用。 ATR(auto toque regulate) 恒轉(zhuǎn)矩方式 27 測功機(jī)在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制運(yùn)行下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速方向不能變。轉(zhuǎn)速大小取決于被測原動機(jī)?？刂凭纫螅红o態(tài)優(yōu)于 0.5，動態(tài)優(yōu)于 1。 主要用于測功機(jī)特性檢查和摩托車自動道路負(fù)荷試驗(yàn)。 測功機(jī)上裝有應(yīng)變片 式的拉力傳感器，用于測量阻力矩，信號經(jīng)過放大后可以供轉(zhuǎn)矩反饋、轉(zhuǎn)矩測量、轉(zhuǎn)矩報警用。 ALR(auto load regulate)自動道路負(fù)荷方式 這是底盤測功機(jī)最重要的工作方式。測功機(jī)模擬出車輛在道路上受到的阻力，使車輛在測功機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)時驅(qū)動輪受到的阻力與在道路上受到的阻力完全一樣，這樣就可以取得與室外道路實(shí)驗(yàn)一樣的測試效果。 在 ASR和 ATR方式下，轉(zhuǎn)速指令或轉(zhuǎn)矩指令是由手動脈沖設(shè)定器給出的，而在 ALR方式下轉(zhuǎn)矩指令是由“道路阻力設(shè)定器”給出。從安全的角度考慮，無論在那 種方式下，人都可以直接操作開關(guān)，測功機(jī)應(yīng)該比較平滑的切換工作方式，切換中不出現(xiàn)較大的沖擊和過流過載等報警。 測功機(jī)的作用有兩個，一個是為原動機(jī)提供阻轉(zhuǎn)矩，使原動機(jī)可以在有負(fù)荷的狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，把原動機(jī)的機(jī)械功率“吸收”掉；二是測量出原動機(jī)在不同工況下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。在底盤測功機(jī)實(shí)驗(yàn)室，必須有一個大風(fēng)機(jī)裝在摩托車前面，用于冷卻摩托車的發(fā)動機(jī)，這樣就和摩托車在道路上測試一樣了。 圖 3.3測功機(jī)系統(tǒng)的能量流動 28 在直流測功機(jī)系統(tǒng)，需要來兩個 4象限直流調(diào)速器，通常是采用三相全橋反并聯(lián)無環(huán)流可控硅調(diào)速器，分別控制測 功機(jī)和風(fēng)機(jī)。直流測功機(jī)發(fā)出的直流電一般消耗在電阻上，這樣能量效率低，也可以把直流電逆變成50Hz交流電反饋回到電網(wǎng)上，風(fēng)機(jī)在急減速時也是如此。我們現(xiàn)在研制的交流測功機(jī)，使用了兩個變頻器和一個能量回饋單元 REGEN。三者的直流母線直接并聯(lián)。考慮到現(xiàn)有的測功機(jī)最大吸收功率為 20kw。風(fēng)機(jī)最大功率是 22kw。經(jīng)理論和實(shí)際測試得出：在 ALR方式作實(shí)驗(yàn)時，一般情況下風(fēng)機(jī)消耗的電能總比測功機(jī)發(fā)出的電要多。測功機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過直流母線送到風(fēng)機(jī)。能量在系統(tǒng)內(nèi)部交換。這一點(diǎn)可以由變頻器 REGEN單元實(shí)現(xiàn)能量的自動調(diào)節(jié)。如果發(fā)出 的電量大于需要的電量時， REGEN單元就將多余電能回送到電網(wǎng)，如果發(fā)出的電量小于需要的電量時， REGEN單元就將發(fā)出的電送到風(fēng)機(jī)，不足部分再由電網(wǎng)補(bǔ)充輸送到風(fēng)機(jī)。這樣的好處是：能量利用效率很高，而且電能不是經(jīng)過電網(wǎng)交換可以減少對電網(wǎng)的污染，可以減少對電網(wǎng)里其它設(shè)備電磁干擾。圖 3.3描述了能量的分配。 測功機(jī)的控制框圖如下： 圖 3.4測功機(jī)的控制框圖 29 第 4章 下位機(jī)硬件的介紹 4.1下位機(jī)硬件的選擇 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計，為了 保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性，在下位機(jī)我們主要選用研華公司的工控機(jī)以及板卡系列。為了便于把工控機(jī)和PLC安裝在控制柜中，我們選用 19寸架裝式工業(yè)機(jī)箱 ,型號為 IPC 610/B。由于使用的板卡較多，而且需要 PCI插槽和 ISA插槽兩種，底板選用 PCA6114P4，它帶有 9個 ISA插槽、 4個 PCI插槽和 1個 CPU插槽。工業(yè) CPU卡使用PCA 6135 ，奔騰 1GHz。電源使用 PS 250ATX以保證可靠性。硬盤用 40G，采用 ACER52倍速光驅(qū)， SAMSUNG的軟驅(qū)，現(xiàn)代 128M內(nèi)存。在系統(tǒng)建成后的運(yùn)行過程中，下位 機(jī)不需要人來操作，故不配備鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器，只是在開發(fā)過程中配上顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤等外設(shè)。考慮到以后的可維護(hù)性，應(yīng)該在下位機(jī)留出顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤接口。在程序設(shè)計時，應(yīng)該留有顯示數(shù)據(jù)部分的代碼，為以后的維護(hù)方便。 由于本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于測速的準(zhǔn)確性上，經(jīng)過計算要求每 20毫秒測得一次速度，計時脈沖要求達(dá)到 0.1 s。 故選用 PCL 836計數(shù)卡，它的計數(shù)的最大頻率是 10Mhz，可以滿足測量的精度要求。控制變頻器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是通過控制變頻器的輸入端子，它要求是模擬量輸入，有 010V和420mA兩種模擬量。我們 選用 PCL 1720，該卡有 4路獨(dú)立的模擬量輸出，可以通過編程設(shè)定是電流量還是電壓量輸出，并可以選擇輸出的范圍。在控制臺上有三個手脈，它輸入的信號是正交編碼信號，接到下位機(jī)計數(shù)。我們選擇 PCL 833計數(shù)卡，它恰好有 3路獨(dú)立的計數(shù)通道，可以記正交編 30 碼器的輸入，自動判定轉(zhuǎn)向，能夠滿足要求。另外，下位機(jī)是通過 PLC來控制變頻的，從計算機(jī)出來控制信號輸入到 PLC的 input端。該信號是繼電器信號，因此我們還要選用一塊 PCL 725板卡，來連接下位機(jī)和 PLC。 4.2下位機(jī)板卡的安裝、設(shè)置和編程 下位機(jī)硬件中，主 機(jī)安裝比較容易，而計算機(jī)板卡的使用和編程較為復(fù)雜。而且，在測量過程中主要是幾個板卡工作，所以有必要對該系統(tǒng)使用的板卡作一介紹，這也是本論文的一個基本任務(wù)。針對板卡編程也是一個比較重要的工作，研華公司一般會隨卡附帶一些驅(qū)動程序和例程序，我們利用這些程序編制符合本系統(tǒng)控制要求的程序。透徹的掌握這些例程序可以大大減少了我們的工作量。 4.2.1三軸正交轉(zhuǎn)角編碼計數(shù)卡 PCL-833 PCL-833是三軸正交轉(zhuǎn)角編碼器適用于 IBM/AT機(jī)和 ISA總線。該卡可以監(jiān)控電機(jī)系統(tǒng)的位移變化。它提供三個 24位的正交編碼 加 /減計數(shù)器，提供一個 16MHz時間基準(zhǔn)，提供一個中斷控制器可以處理九級不同的中斷。它廣泛的應(yīng)用于一下領(lǐng)域：運(yùn)動控制；位移檢測、監(jiān)視、測量；坐標(biāo)系測量機(jī)械；機(jī)器人技術(shù)；機(jī)械控制等領(lǐng)域。 編碼器接口：每個輸入對應(yīng)包括正交編碼的解碼電路。輸入信號可以是獨(dú)立信號或者是差分信號。正交輸入帶有下標(biāo)，允許線性和旋轉(zhuǎn)編碼反饋。 計數(shù)器： PCL-833有三個獨(dú)立的 24位計數(shù)器。最大輸入頻率 1.0MHz。用戶可以分別配置每一個計數(shù)器的工作方式。 31 數(shù)字量輸入和中斷： PCL-833提供了 5個數(shù)字量輸入通道。每個通道能夠接收數(shù)字 量輸入作為旋轉(zhuǎn)編碼器或者線性編碼本地傳感器的索引。本卡還可以根據(jù)數(shù)字量輸入、計數(shù)器溢出、編程時鐘來產(chǎn)生中斷。它能夠在0.1ms 255s中任意反復(fù)產(chǎn)生中斷信號。這些中斷可以很準(zhǔn)確監(jiān)視控制系統(tǒng)的速度。 圖 4.1 PCL-833的系統(tǒng)框圖 1.安裝 板基址和跳線設(shè)置：板卡上有 DIP開關(guān) SW1來設(shè)置板卡的斷口基地址，用跳線 JP1設(shè)置中斷級別。 圖 4.2DIP開關(guān) SW1 如圖 4.2所示，開關(guān) 1 6對應(yīng)的計算機(jī)地址總線關(guān)系如下： 32 Switch 1 2 3 4 5 6 Line A9 A8 A7 A6 A5 A4 如圖 4.3所示，通過跳線可以選擇 8級不同的中斷： 圖 4.3 跳線 JP1 中斷源 條件 0 通道 1溢出 1 通道 2溢出 2 通道 3溢出 3 通道 1的 Z軸輸入 4 通道 2的 Z軸輸入 5 通道 3的 Z軸輸入 6 0號數(shù)字量輸入 7 計時器或 1號數(shù)字量輸入 注：所有的中斷是高電平觸發(fā)。 引腳分配： 電源： 使用外部電源供電時，把引腳 1和引腳 13聯(lián)接到外部的地端，引腳 25聯(lián)接到外部高電平 5V；使用板卡內(nèi)部電源供電時，在板上地 L1和L2端聯(lián)接起來。 差分 /單邊輸入：把輸入地正極和負(fù)極分別聯(lián)接到對應(yīng)的端子上；如果是單邊信號，只需把輸入聯(lián)接到負(fù)極，正極開路就行了。 33 2.操作 正交編碼介紹 在一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，例如伺服控制系統(tǒng)，編碼傳感器感測電機(jī)的位移信號并送到控制器中。編碼器產(chǎn)生的脈沖代表了軸的位置，每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生 N個脈沖。它包括了兩個信號，分別稱通道 A信號和通道 B信號，這兩個信號是正交的，正好相差 90度。通過兩個信號誰超前的判斷可以知道旋轉(zhuǎn)的方向。 大部分編碼器都產(chǎn)生 TTL電平的方波信號。工業(yè)上經(jīng)常用差分信號，例如 ：通道 A和通道 B以及它們的反信號 A 和 B 。差分信號可以減少噪聲，傳輸距離較遠(yuǎn)。每轉(zhuǎn)一周編碼器還可產(chǎn)生一種信號，稱之為 index或marker。可以用 index信號重置計數(shù)器，允許你在當(dāng)前的周期內(nèi)監(jiān)視位移。 （ 1）計數(shù)器模式 下表給出了對應(yīng)不同輸入方式和不同的系統(tǒng)時鐘的最大輸入頻率。 方 式 最大輸入頻率 系統(tǒng)時鐘 8MHz 4MHz 2MHz 正交輸 入 X1， X2， X3 1MHz 600KHz 300KHz 2 脈沖 2.4MHz 1.2MHz 600KHz 脈沖 /方向 2.4MHz 1.2MHz 600KHz 正交輸入包括兩個相差 90度的方波信號（ A相和 B相） PCL-833靠判斷 A相和 B相中的哪一相超前另外一相來決定轉(zhuǎn)向。正交輸入的計數(shù)模式的含義如下： X1 A相上升沿時計數(shù)。 X2 A相上升沿 /下降沿時計數(shù)。 34 X3 A相或 B相的 上升沿 /下降沿時計數(shù)。 2 脈沖 A相上升沿時加法計數(shù)， B相上升沿時減法計數(shù)。 脈沖 /方向 A相脈沖作為計數(shù)， B相脈沖作為方向。當(dāng) B相是高電平時，計數(shù)器作減法；當(dāng)