汽车发电机性能自动测试装置的研究与开发
全廷立，阳春华
（中南大学信息科学与工程学院,长沙,410083）
摘要：为严格测试汽车发电机性能，并匹配生产线的快速自动化生产，在对汽车发电机工作原理与性能测试深入分析的基础上，设计了由工控机、变频器、传动电机、电子负载等组成的机电一体化汽车交流发电机性能自动测试装置，实现发电机空载性能、负载性能及调节器性能测试。设计经典PID和模糊PID控制器快速调节发电机电压、电流和转速，提高了测试的快速性和稳定性，确保产品出厂质量。该装置已成功应用于德国博世、日本日立、伊朗三茂等汽车电器生产企业。
关键词：汽车发电机；自动测试装置；快速性；模糊PID控制
中图分类号：TP216
Auto-testing Equipment for Automobile Alternator’s Performance Test
Quan Tingli, Yang Chunhua
(School of Information Science and Engineering, Central South UNIversity, Changsha 410083, China)
Abstract: In order to realize strict online performance test and match the fast automation production of automobile alternators, through thorough analysis on automobile alternators’ working principle and performance test, an auto-testing equipment is developed, which is composed of industrial control computer, multifunctional data acquisition cards, transducer, servomotor and electronic loads. It implements alternators’ test items including no-load, load and adjustor performance test and so on. Traditional PID and fuzzy PID controllers are incorporated to regulate alternators’ voltage, current and rotating speed so as to improve test rapidity and stability, which ensures the quality of output products. The equipment has been successfully applied to the automobile electric appliance production lines of Bosch, Hitachi, and so on.
Key words：Automobile alternator; Automatic test equipment; Test rapidity; Fuzzy PID control
0 引言汽车发电机是汽车上的关键电器设备，汽车正常运行时，车载用电设备都由发电机供电。发电机性能的优劣直接影响着整车的运行性能。为了确保质量，生产厂家需要在组装完成后对所有的发电机进行严格的性能测试；而随着生产自动化程度的提高，生产速度越来越快，对发电机性能测试设备的测试速度提出了越来越高的要求。
我国汽车发电机生产企业一般从国外引进电机性能测试装置。这些装置可靠性高，稳定性好，性能测试准确，但操作不够直观简便，并且价格昂贵，维修困难。国产高精度的电机性能测试系统一般用于汽车电器研究所以及鉴定机构，其可靠性、稳定性难以在复杂的电机生产线上满足要求[1]。
针对汽车发电机出厂性能测试的特点，设计开发了汽车发电机性能自动测试装置。采用传统PID和模糊PID 控制器结合的方式控制发电机电压、电流和转速，保证了测试快速性、测试精度和测试装置的鲁棒性，很好地满足了当前汽车发电机生产中厂家对发电机性能测试的需求。
1 发电机工作原理及性能测试汽车用发电机是三相同步交流发电机。汽车上的用电设备由发电机和蓄电池并联供电。起动机起动时，由蓄电池向起动系统、点火系统、仪表系统等供电；发动机开始运转后，通过传动装置驱动发电机运转，当发电机转速升高到其端电压高于蓄电池电动势后，发电机不仅独自向用电设备供电，而且对蓄电池充电。交流发电机在结构一定、磁场强度不变的条件下，其输出电压与发电机转速成正比，在汽车上为保证用电设备和蓄电池正常工作，要求发电机必须具有稳定的输出电压，用电压调节器将发电机输出电压控制在规定的范围[2]。
汽车发电机的出厂性能测试一般包括空载性能测试、负载性能测试和调节器性能测试。
（1）空载性能测试：零电流转速试验，测试空载状态下发电机转速下降过程中停止发电时的转速；起始充电转速试验，测试空载状态下发电机开始发电时的转速。
（2）负载性能测试：负载性能测试根据所加负载的大小从发电机的怠速到全速分为四个不同的试验项目，模拟发电机在汽车运行各种工况下的发电性能。
（3）调节器性能测试：分为调节器电压特性、调节器转速特性和调节器负载特性三个试验，测试调节器在不同转速和不同负载的情况下调节电压的能力和调节精度。
2 发电机性能测试装置设计发电机性能测试首先需要采集测试所需数据。采集的数据包括发电机电压、发电机电流、蓄电瓶电压、蓄电瓶电流、电子负载电流、充电指示灯电流、发电机转速以及各种行程开关状态等。数据采集通过外围传感器、放大器、隔离器、数据采集卡共同完成，包括开关量信号和模拟量信号。采集的数据通过计算机分析处理，判断发电机当前运行状态。随后决定是否对发电机运行状态进行调节控制，以确保发电机运行在设定条件下。一旦发电机达到设定条件，计算机对此时采集的相关数据进行判断，判别发电机性能是否合格。最后对测试结果进行标记和保存。测试过程中显示器实时显示发电机当前运行状态数据。根据发电机测试装置性能要求，设计出系统的电气结构图，如图1 所示。
工控机系统（工控机及标准外设） |
A/D通道 D/A通道 DO通道 DI通道 |
气缸指令/报警/指示/电路切换/蓄电瓶控制/变频器控制/等 |
各种状态信号/启动/中断/等 |
被 测 发 电 机 |
行程开关/电路开关/气路开关 |
图1 发电机测试装置电气结构图 |
图1虚线框中是测试装置的计算机系统。装置总体上由工控机系统、前向通道、后向通道组成。前向通道是系统的控制通道，包括多功能卡D/A 通道及DO 通道（开关量输出通道）、变频器、传动电机及传动机构、电子负载、蓄电瓶等。后向通道是数据采集通道，由多功能卡A/D 通道及DI 通道（开关量输入通道）及各种变送器、传感器等组成。
多功能卡及配套端子板实现各种模拟信号、数字信号的采集以及测试过程中控制信号、控制量的输出。多功能卡通过工控机的总线扩展槽实现与工控机的信息交换。变频器选用三菱FR系列变频器能够很好地满足需要。该型变频器的最大频率输出为0~90Hz，可以提供适合多种型号发电机性能测试的转速控制，其在0~90Hz范围内的频率输出与控制电压基本呈线性关系。电子负载串联在发电机的输出回路中，通过电子负载调节发电机输出电压或电流。根据汽车发电机功率越来越高的的生产现状，采用2个240A/60V/3600W的电子负载并联的方式，可以满足各种型号发电机的测试要求。蓄电瓶并联在发电机的输出端。由于目前市场上14V和28V两种电压类型的发电机并存，故使用两个14V的蓄电瓶，通过对其串并联的控制，提供相应的测试电压等级。
3 软件功能设计软件的开发主要分为项目测试、参数设置、参数校对，结果查询等模块。采用模块化和面向对象的方法，采用Visual C++ 6.0进行开发。各模块的主要功能为：
（1） 项目测试。软件在此模块下完成对发电机性能的测试。项目测试分自动测试、单动测试、调整（手动）3 种工作方式。自动测试是常规测试方式，根据设定的参数自动执行全部测试流程。单动方式提供分析发电机性能缺陷的手段，可以对发电机各子性能测试项目单项测试。调整方式用于现场调试时，单步执行硬件动作，检测外部电气元件是否安装合格、设置到位等。
（2）参数设置一般与项目测试联动。测试某一型号的产品前，需在此模块中进行产品型号、测试项目、测试条件、测试规格值等参数的选择或设定。
（3）参数校对。由于A/D采样存在系统误差，因此检测值与实际值不可避免地存在一些误差。为使检测值真实反映实际值，系统对电压、电流、转速三种模拟量进行校对。利用线性回归的方法对检测值进行处理，获得校对系数。校对的实际值由高精度的检测仪器获取。
（4）结果查询满足生产管理上对测试数据统计的需要，查询结果以规定报表形式或曲线形式显示，提供打印输出、数据导入Excel等功能。
4 控制器设计测试发电机性能时，由变频器与传动电机调节发电机的转速，由电子负载调节其端电压和输出电流，使发电机达到设定测试条件。针对测试系统特点，控制器须满足以下4个方面要求：
（1）测试装置安装于流水线，测试产品的速度不能低于产品的生产速度，所以，要求转速、电压、电流的调节必须迅速；
（2）负载性能测试时，工作电流大（常达100至200安培），为防止电机因测试时间过长而损坏，控制器快速性应好，电流或电压的调节时间不得超过2s；
（3）为保证测试准确性，控制器应具有较高的控制精度，要求控制精度必须达到1%；
（4）为适合多种型号发电机的测试，控制器鲁棒性应强，具有通用性。
根据上述要求，针对测试中不同的回路，控制器的设计同时采用传统PID控制与智能PID控制实现。负载性能测试和调节器性能测试控制原理图如图2所示。
待 测 发 电 机 |
PID控制器 |
D/A |
电子负载 |
电压传感器 |
A/D |
设定电压 |
+ |
- |
图2 发电机负载性能和调节器性能测试控制原理图 |
PID控制器
|
传动电机 |
D/A |
A/D |
变频器
|
转速传感器
|
设定 转速 |
+ |
- |
Fuzzy推理 |
校正公式 |
参数自整定公式 |
A/D |
PID控制器 |
D/A |
电子负载 |
电流传感器 |
设定电流 |
+ |
- |
图2中，发电机电压或电流的调节由软件根据测试项目的需要进行选择。由于电压和电流的控制具有良好线性度，反应灵敏，能够建立比较精确的数学模型，因此适合传统PID 控制，采用分型号设置PID参数的方法完全可以满足电压和电流调节的快速性和鲁棒性要求。
发电机转速控制回路同时存在机械和电子电气部件，建立精确的数学模型非常困难，同时由于产品型号的多样性和现场干扰的存在，采用经典PID控制器控制很难保证控制效果始终处于最佳状态。结合发电机性能测试的特性以及模糊PID 控制器的特点，在系统中采用一种变模态、模糊自调整PID参数、自调整控制初值的智能PID控制器控制转速回路。虚线框中为模糊自调整机构。变模态PID控制器根据不同的控制状态采用不同控制策略。偏差较大时，采用Bang-Bang控制，以最快速度减少偏差；当偏差及变化率满足控制要求时，采用保持控制策略，使之自行衰减达到平衡；在中间阶段，采用Fuzzy自整定PID控制器。Fuzzy自调整PID控制器由标准PID和Fuzzy自调整机构组成。它根据输入信号（即偏差）的大小、方向以及变化趋势，通过Fuzzy推理做出相应决策，不断修改PID参数Kp，Ti，Td[1]。该模糊PID 控制器能够有效满足系统对转速的控制要求。
5 结语本文在分析汽车发电机工作原理基础上，开发出发电机性能自动测试装置。为了提高测试的快速性和稳定性，确保产品出厂质量，采用经典PID控制和模糊PID 控制结合的办法控制发电机电压、电流和转速。工业应用表明，该装置设计合理，抗干扰能力强，检测精度高，稳定性好，操作方便；测试速度快，对不同型号的发电机，表现出良好的适应性，平均测试一台发电机的时间为22秒，测试速度大于产品的生产速度。该装置的测试性能达到国际同类装置性能指标，目前已广泛应用于国内外主要汽车电器生产厂家，如日立汽车电器、博世汽车部件、伊朗三茂电机以及长沙汽车电器有限公司等，取得了良好的社会经济效益。
参考文献[1] Yang Chunhua, Gui Weihua. A Starter Testing System Based on Fuzzy-PID Control[J]. Control Theory and Applications，1999，16(6)：907-909.
[2] 何丹亚. 汽车电器与电子设备[M]. 北京：人民交通出版社，2004.
[3] 阳春华，桂卫华.起动电机试验台工控系统设计[J]. 电气传动，1999，18(4)：43-45
[4] 易江义，阳春华.一种自适应PID控制及其在发电机性能测试装置中的应用[J].计算机工程与应用.2004，41 (32)：212-214+218
[5] 王奎洋，唐金花.汽车发动机测控系统的开发与研究[J]. 中国科技信息，2005，2(23)，77.
[6] 马怀俭，邵光伟.电机测试系统集成方法的研究[J]. 中小型电机，2000，27 (5)：42-44
作者简介：
全廷立 (1978—)，男，硕士研究生，研究领域为智能自动化控制系统与装置。
通讯地址：湖南省长沙市岳麓区中南大学校本部民主楼316西，410083.
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阳春华（1965—），女，教授，博士生导师，研究方向为复杂工业过程优化控制、智能自动化控制系统与装置以及实时系统调度技术等。
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