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用于动力机械设备功率和扭矩测量的测功机系统主要由测功机电机、测力机构和控制系统组成，广泛应用于机械传动部件的性能测试。 简述了测功机系统在当前工业领域的重要性，概述了测功机系统的分类，并对各种测功机系统的优缺点进行了简要的比较分析，以及各种测功机系统的组成、工作原理和应用场景总结了测功机系统的几种经典控制策略，最后介绍了测功机在变速器、变速箱、发动机和汽车底盘性能测试中的具体应用。

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测功机系统研究综述

周腊武、郭昊、赵寒、马绵卓

(长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南长沙 410114)

0 前言

测功机是动力机械设备的一种功率和扭矩测量设备，广泛应用于电机性能测试、机械传动部件性能测试和发动机性能测试等领域[1-3]。 测功机用于电机性能测试和调试。 它可以模拟和控制被测电机的负载，通过轴连接器与被测电机连接，测量电机的电流、电压、转矩、转速等参数。 测功机作为机械传动部件（如自动变速器）性能测试的加载装置，可以模拟路况进行传动性能测试、车辆传动系统性能匹配、控制策略研究等[4]。 在模拟实船试验中，以测功机作为推进电机的负载，推动电机带动螺旋桨进行现场负载试验； 在整车试验中，测功机是负载车辆的功率吸收装置，对整车动力性能、起停和热平衡试验影响很大。 在测试汽车发动机的性能时，电动式测功机广泛应用于发动机台架和底盘测功机系统； 发动机台架试验可以对发动机进行动力性、可靠性、经济性、耐久性等各项测试和排放测试； 汽车底盘测功机可用于汽车的动态测试，检测汽车在负载运行情况下可能遇到的故障，测试不同工况下的尾气排放。

介绍了测功机的分类和结构拓扑，介绍了电动测功机的PID控制策略、矢量控制策略、直接转矩控制策略和模糊控制策略。 最后分析了测功机在电机性能测试、机械传动件性能测试和发动机性能测试中的应用现状和发展前景。

1 测力计的分类和结构

1.1 测力计的分类

测功机主要分为水力测功机、磁滞测功机、磁粉测功机、涡流测功机、电力测功机等。 电力测功机又分为直流电力测功机和交流电力电力测功机。 交流电力测功机又分为交流同步电力测功机、交流异步电力测功机和交流双馈电力测功机。

水力测功机作为吸功式测功机，具有吸功范围广、连续工作好、稳定性高、经济性好等优点。 但水力测功机体积大、性价比低，只能在高扭矩范围内稳定工作。

磁滞测功机结构比较简单，高速性能好，检测比较稳定，精度高。 工作中很少使用变频电源等辅助设备。 但是，磁滞测功机和水力测功机一样，也是一种吸力测功机，它的内能会转化为热能而耗散掉。 磁滞测功机仅用于完成小功率同步电机的机械特性测试[5]。

磁粉测功机具有体积小、扭矩大、转动惯量小等优点，且加工容易，施加和调整扭矩方便，适用于动态扭矩测量。 磁粉测功机是一种吸能机。 为了增加运行功率，它采用外部风冷和水冷。 选用时，被测电机的额定转矩应为磁粉测功机额定转矩的三分之一，过大会影响其测量精度[6]。

涡流测功机与上述测功机相同，也是一种功率吸收式测功机。 其优点在于测试系统简单，可操作性强，测试精度高，内部结构稳定性好，经济性好。 测功机本身的缺点是结构复杂，运行可靠性低。

电动测功机具有操作简单、调速过渡平稳、可靠性高等特点，在电动机、机械传动设备和发动机性能检测设备中占有领先地位。 电动测功机的特性曲线如图1所示，在加载过程中，从超低速加载到额定转速时为恒转矩特性，从额定转速加载到额定转速时为恒转矩特性。最高速度，它是恒功率特性，不同于大多数机械负载。 负载特性一致，满足被试发动机各种工况要求。

图1 电力测功机特性曲线

1.2 测功机的结构

1.2.1 水力测功机结构

水力测功机结构如图2所示，水力测功机主机安装在可自由移动的机架上，牵引架牵引行走至各试验场地[7]。 测功机主轴与被测负载的动力输出轴相连，可测试负载的发动机功率。

图2 水力测功机结构图

1.2.2 磁滞测功机结构

磁滞测功机的结构如图3所示。磁滞测功机由悬挂在外轴承座上的磁滞制动器、应变梁式扭矩传感器、光电式速度传感器和扭矩放大器组成[8]。

图3 磁滞测功机结构图

磁滞制动器的薄壁转子杯由被测电机的联轴器带动旋转。 当励磁绕组通电时，内外定子的极性相反，在此磁场中旋转的转子杯被磁场反复磁化，产生磁滞损耗，形成制动力矩。 在内外定子上产生与制动力矩相反的力矩，促使定子向转子旋转的方向偏转，这个偏转力矩就是被测力矩。

应变梁扭矩传感器安装在制动器后部的框架上。 当定子的旋转方向发生偏转时，应变梁就会发生相应的变形。 变形后，应变电阻桥将不再平衡，输出直流电压。 低噪声高精度放大器可以将电压放大转换为所需的扭矩值。

测速光栅安装在磁滞测功机转轴的末端。 若转轴转动，测速光栅提示光电灭弧室产生脉冲。 转轴每转动一圈，光电灭弧室产生60个脉冲。 经整形放大后，测得的速度直接显示在数码管上。

1.2.3 磁粉测功机结构

磁粉测功机结构如图4所示，转轴前端伸出端用连接套与试验支架连接，接受被测机构的驱动力矩。 转速传感器[9]安装在前轴的延伸端。 转子的工作极面做成锥角，在定子后轴的突出端装有校准用的重块盘、力传感器和平衡杆。 磁粉填充在定子和转子之间的工作间隙中。 测功机转子前轴的突出端安装有转速传感器，定子后轴的突出端安装有力传感器。

图4 磁粉测功机结构图

1.2.4 涡流测功机结构

涡流测功机的结构如图5所示，它由电枢和励磁线圈、感应盘、校正装置和测力装置组成[10]。 同轴安装在转子上的励磁线圈将通过直流电流，由于在气隙和电枢内表面产生交变磁场而感应出“涡流”。 转子在“涡流”和磁场的耦合作用下产生制动力矩，电枢上也产生同样的力矩，由力矩传感器传递。

图5 涡流测功机结构截面图

1.2.5 直流功率测功机结构

直流功率测功机结构如图6所示，直流电机垂直安装在箱形支架上，电机后支架采用角接触轴承承受电机重力[11]。 试验时，被测发动机安装在箱体支架上，发动机工作时直流电力测功机产生的离心力、往复惯性力、侧向力等都会引起振动，影响测量精度。 为减少振动，测功机支架采用铸铁箱体结构，受力面有加强筋。

图6 直流功率测功机结构图

1.2.6 交流电力测功机结构

交流电力测功机的测试负载条件多种多样，对应交流同步电力测功机、交流异步电力测功机、交流双馈电力测功机系统解决方案，满足各种负载的需求。

交流功率测功机的结构如图7所示。交流功率测功机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行[12]。 测功机在发电状态下运行时，产生的电能被负载电阻吸收。

图7 交流功率测功机结构图

交流同步功率测功机系统原理如图8所示，被测负载作为原动机，原动机带动测功机，相应的接触器C断开，接触器D闭合，整流器5提供直流电对测功机进行励磁，测功机作为同步发电机工作。 工频交流电经整流器3整流后，通过逆变器转换成与电网同频同相的交流电，输送至电网。 当负载为被测电机时，接触器D断开，接触器C闭合，测功机作为电动机工作，定子接入三相电网，转子绕组将产生的转差功率通过整流器3和逆变器返回电网。

图8 交流同步电力测功机系统示意图

交流异步功率测功机系统原理如图9所示。当原动机带动测功机运行时，原动机提供的机械能使测功机转速超过同步转速，进入发电状态，并将电能输送到电网。

图9 交流异步功率测功机系统示意图

图10 交流双馈电力测功机结构图

交流双馈功率测功机结构如图10所示，主要由测力部分、校正部分、转动部分和摆动部分组成[13]。 从图10可以看出，感应盘的形状像一个正齿轮，当励磁绕组通电时闭合磁通会形成一个周期性变化的气隙磁通密度。 而传力臂将扭矩传递给测力装置，扭矩的大小由扭矩传感器转换成电信号输出，从而完成扭矩的测量。

交流双馈电力测功机方案，不仅可以高效回收电能，而且性价比高。 试验时，原动机带动交流双馈电力测功机，测功机定子接入电网，转子绕组接入三相逆变器。 从电机的原理可以知道：

式中：f1为电网频率； p为电动机的极对数； fm为转子的机械频率，由原动机转速决定； f2为转子电源频率。

当f2=f1时，转子速度为零。 当f2=0时，转子转速为同步转速。 当 0

2 测功系统控制策略

2.1 PID控制策略

PID控制是最早发展起来的工业控制算法。 具有原理简单、鲁棒性好、可靠性高等特点。 广泛应用于工业过程控制。 然而，在测功机的PID控制系统中，传统的PID控制器参数设置比较困难。 , 很难很好地适应不同的操作条件 [14-15]。 文献[16]针对发动机性能测试系统中使用的涡流测功机提出了一种控制策略，采用状态空间PID控制，与传统PID控制相比，具有良好的有效性和可控性。

此外，对于测功机系统的多耦合、大惯量非线性系统，传统PID控制难以精确控制，而模糊PID控制可以灵活在线自动调节[17-19]。 文献[20]介绍了直流电力测功机的模糊PID参数控制策略。 模糊PID控制器的结构如图11所示，其模糊推理过程本质上是一个模糊控制器，其输入为偏差e和偏差变化率

，输出结果为Δkp、Δki、Δkd。 因此，模糊推理过程可以参考常规的模糊控制器，采用模糊化、模糊规则和反模糊化的设计思想。

图11 模糊PID控制器基本原理图

2.2 矢量控制策略

矢量控制又称磁场定向控制，模仿直流电动机的控制，以转子磁场为定向，实现对交流电动机速度和磁链控制的完全解耦控制，具有与直流电动机相同的调速性能电机 [21] 。 电机的定子电流在不同的坐标系中用矢量代替，使电流分解为两个可分别控制的分量：励磁分量和电磁转矩分量[22]。

文献[23]提出了一种基于传统矢量控制理论的感应电机前馈解耦矢量控制方法。 测功机改进后的矢量控制图如图12所示，通过转子磁链观测器和转矩观测器可以得到磁链和转矩的反馈值，计算出功率的反馈值。 内循环是当前循环。 通过前馈解耦控制，反馈补偿交叉耦合电动势，同时为了降低前馈解耦对电机参数的需求，采用模糊自适应控制器替代传统的PI控制器，大大降低了依赖性控制数据上的补偿项，提高了系统的稳定性。

图12 改进后的测功机矢量控制图

2.3 直接转矩控制策略

测功机矢量控制系统复杂，易受测功机电机参数的影响[24]。 因此，直接转矩控制技术作为一种解决转子磁场定向控制问题的新型高效交流变频调速技术得到迅速发展。 但存在控制参数稳定性差、转子磁链测量精度低、矢量变换运算过程繁琐多变等问题[25-26]。

文献[27]中的交流功率测功机采用典型的直接转矩控制技术，详细分析了n/M模式的控制算法。 n/M模式系统框图如图13所示。图13中，Gmt(s)为测功机电机扭矩的传递函数，Gpn(s)为实测发动机油门的传递函数针对转子转速，虚线框为闭环控制系统，设计了三个反馈控制电路：虚线框C为发动机油门控制电路，虚线框B为发动机扭矩控制电路，虚线框A为测功机电机调速电路。 双闭环扭矩调节系统由节气门内环控制电路和发动机扭矩外环控制电路组成。

图 13 n/M 模式系统框图

2.4 模糊控制策略

模糊控制方法是一种基于模糊语言变量、模糊集合论和模糊逻辑的新型计算机智能控制策略[28]。 模糊自适应PID控制器具有优良的跟踪性能、相对较小的超调量、比传统控制方法具有更高的控制精度和更快的系统调节速度。 它可以精确调整 PID 参数，大大提高动态过程中的控制精度 [29] 和系统参数的响应速度 [30]。

文献[31]提出了一种基于模糊逻辑的直接转矩控制系统。 基于模糊逻辑的测功机直接转矩控制系统框图如图14所示。它可以识别和计算电磁转矩误差的大小和方向，可以识别和确定磁链的扇区，并且最终达到施加电压空间矢量的目的。

图 14 基于模糊逻辑的测功机直接转矩控制系统框图

3 测功机系统应用现状及发展趋势

3.1 电机性能测试领域

测功机适用于各类电机参数的测试。 它具有低动态延迟、多种设计结构选择、低能耗、运行过程稳定等优点，具有良好的速度和转矩控制性能[32-33]。 测功机的电压、频率、功率、效率等额定值的选取，应根据机电一体化原理，从系统优化的角度来确定[34]。 由于需要频繁起停、加减速，测功机具有特殊的负载要求和技术性能，因此其性能不同于普通工业电机[35]。

在电动汽车（EV）性能测试领域，文献[36]建立了由电动汽车驱动电机和测功机组成的测试台架，分别从驾驶循环模式和驾驶员模式对电动汽车进行了测试。 结果表明，两种情况下的车辆阻力计算是准确的。 中山大学团队设计了一套先进的电动汽车电性能试验台，并在文献[37]中介绍了试验台的结构、基本参数和工作原理，并提供了一种利用电动汽车惯性模拟电动汽车惯性的方法。测功机：匹配给定道路条件下应存在的扭矩，并使用扭矩反馈到电机控制器以保持适当的扭矩。 为解决EV道路场景仿真水力测功器原理，文献[38]借助电力测功机构建了牵引式EV日常道路场景仿真测试模型，可同时模拟行驶电机稳定性测试和瞬态连续循环场景。

在混合动力汽车（HEV）性能测试领域，文献[39]开发了以交流功率计为测试工具的锂电池和超级电容双能源电动混合动力系统的混合动力系统仿真测试模型。 文献[40]设计了基于CAN总线的HEV底盘测功机，提高了HEV和汽车总装水平，为HEV能源利用试验评价提供了研究平台和思路。 文献[41]提出了一种基于块结构的混合动力汽车动力综合测试模型设计方法，可以更快速、方便地匹配不同混合动力汽车动力类型组合所需的场景。 文献[42]开发了弱混合动力汽车动力虚拟仿真综合仿真平台。 通过电动测功机对发动机运行全过程的仿真，仿真实现了启停一体化驱动电机和测控模块。

在燃料电池混合动力汽车（FCV）性能测试领域，中国交通科学技术研究院与清华大学合作建立了配备重型底盘测功机的实验室。 设计了底盘测功机实验室总体框架，研究了三种氢耗测量方法，开发了实验室氢耗测量系统，介绍了底盘测功机实验室的应用，重点介绍了氢耗测量系统。 准确性和运行稳定性在 [43] 中进行了测试。

3.2 机械传动部件性能检测领域

机械推进系统中变速器和扭矩传递机构的使用正在迅速增加 [44]。 变速器大大提高了汽车的动力性能和经济性能，自动变速器的性能测试变得越来越重要。 文献[45]采用涡流测功机作为加载装置，设计了汽车液力自动变速器的仿真模型，测试了前进档和倒档的失速转速以及调速器的主油压。 试验结果能满足设计要求。 文献[46]搭建了基于AVL测功机系统的电机系统试验台架，实现了台架测量数据的同步和集成控制，实现了基于试验台架的车用电机系统性能参数测试方法，是电动汽车的试验台。 为电机系统的开发和测试提供了参考，为整车测试奠定了测试数据基础。 文献[47]设计了一种基于虚拟仪器技术、控制技术和传感器技术，辅以测功机、驱动电机、采集卡等硬件设备的测试控制系统，可以快速方便地测试自动变速器的运行情况。 健康）状况。

发展自动变速器的关键是离合器的自动控制。 离合器控制性能的好坏直接影响到自动变速器的性能乃至车辆的起步过程和换档体验。 文献[48]利用交流功率测功机和辅助设备模拟路况和车辆惯性，设计了一套自动离合器综合性能测试装置。

在船舶推进系统性能测试领域，文献[49]利用电力测功机作为推进电机的负载，设计了能量互补反馈的电机仿真平台，解决了水池测试中资源消耗大的问题，并且通过能量互补反馈降低了能耗。 文献[50]开发了船舶混合电力推进系统仿真平台。 利用该平台，可以判断能源控制方式是否与现场实际运行相匹配，可以进一步解决内部控制结构的优化问题，大大加快混合动力船的进程。 适用于实际船速的电力推进系统。

在逆变器性能测试方面，文献[51]采用高带宽电枢电流控制直流功率测功机模拟机械负载，设计了高性能测试设备，用于商用交流逆变器的现场调试和性能评估。

载重车是一种常用的路况模拟试验设备，可以测试车辆的热能平衡、车辆的动力推进、车辆的负载制动过程、车轮和轮毂的质量 [52] . 文献[53]针对底盘测功机机电仿真研究中仿真模型不准确的问题，研究了底盘测功机机电仿真的原理，分析了汽车在道路条件和试验条件下的动态行为水力测功器原理，建立了底盘测功机的数学模型。基于底盘测功机加载平台快速样机，完成了底盘测功机的恒速测功试验。 文献[54]阐述了负载车和电力测功机的工作过程，对比分析了电力测功机在频率保持不变的情况下恒转矩调速和恒功率调速的不同特性，介绍了电力测功机的使用条件在装载车辆中的应用。 文献[55]介绍了搭载电动测功机的载重车结构，测试了整车动力学、热平衡能力、制动过程等，优化了整车性能。

3.3 发动机性能试验场

发动机台架试验可以准确地测量发动机的动态特性和经济状况，是必不可少的试验设备[56]。 发动机台架试验可以快速检查发动机各控制系统的运行状态和动态响应过程，准确采集必要的工况数据[57]。 威斯康星大学麦迪逊分校电力系统控制研究实验室建立了先进的瞬态测功机发动机检测模型，并在[58]中描述了该系统，并给出了虚拟车辆瞬态测功机系统的开发。 环路和闭环硬件在环仿真测试结果。 为了优化现有交流异步功率测功机系统的转速和转矩检测过程，降低测试系统的成本消耗，文献[59]提出了一种基于非跟踪卡尔曼滤波器（UKF）理论的交流异步功率测功机。 测功机系统的间接测量策略，简化了发动机传动设备等的输入输出功率检测方法。

汽车底盘测功机是重要的室内台架试验平台。 通过控制模拟负载和加载装置，利用滚筒表面模拟路面情况，模拟车辆在现实生活中遇到的各种路况。 并可与尾气分析仪、尾气烟度计、测速仪和智能控制系统有机结合，测量不同工况下的车辆尾气排放[60]。 文献[61]利用摩托车在道路上行驶时与路面的位移关系，将摩托车的实际工况相应地传递给车辆底盘测功机，可实现车辆性能和车辆的室内现场测试。尾气污染物排放。 文献[62]介绍的安装在三轴六轮汽车上的底盘测功机可实现单轴、双轴或三轴驱动，满足普通中小型车辆的测试模拟。 Literature [63] proposed a chassis dynamometer design strategy based on mobile robots. The wheeled mobile robot chassis dynamometer can test and analyze the dynamic performance, pulley power and energy loss of mobile robots. Literature [64] used the electric dynamometer as the load, and proposed an equivalent moment of inertia test method for simulating the road braking characteristics of automobiles. During the simulation test of the resistance of the automobile chassis dynamometer, the nonlinear fluctuation of the measurement data will lead to the simulation accuracy To reduce the problem, a fast and high-precision resistance simulation test self-compensation method is proposed, which increases the nonlinear space estimation action factor and compensation factor of the input data, and improves the response speed and simulation accuracy of the system. Literature [65] proposed a method of measuring the power loss of the dynamometer itself by simulating the anti-drag trailer, and actually carried out the chassis dynamic performance test and test data analysis on a certain type of construction machinery, and evaluated the transmission efficiency of the mechanical chassis and the output of the engine. 力量。

4 结语

On the basis of briefly describing the function, classification and basic structure of the dynamometer system, this paper systematically summarizes various control strategies of the electric dynamometer, including PID control, vector control, direct torque control and fuzzy control. Finally, the application status and development trend of the dynamometer system in the three fields of motor performance testing, mechanical transmission parts performance testing and engine performance testing are expounded.

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