专利名称：柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种测量装置，本发明也涉及一种测量方法，具体地说是一种柴 油机发电机组回转运动轴系的总体转动惯量装置及测量方法。
背景技术：
柴油机发电机组回转运动轴系的总体转动惯量是一个比较难以获得的结构参数。 如何获得较为真实的机组转动惯量是一个常常困扰研究人员的问题。由于发动机曲轴、活 塞、连杆等运动件的形状及运动规律复杂，曲柄连杆机构的往复运动惯性也要换算成当量 的旋转运动惯性，因此机组整体的转动惯量的计算是比较困难的。现有的试验测定方法不 是在测定的精度上不能令人满意，就是在测量方法上不易实现。有的测量方法不得不结合 测发动机缸内压力测量求取。柴油发电机组的运动系转动惯量的求取主要难点在于发动机运动系转动惯量的 求取。目前发动机运动系转动惯量的求取方法主要有计算法，附加质量法，停油减速法，瞬 时转速法。国内、外发表了一些关于柴油机运动机构转动惯量的估算方法。如山东交通学 院和山东大学于明进等，在国内学术期刊上介绍了一种发动机转动惯量的求法。该方法利 用测缸内压力确定动力扭矩变化，进而确定转动惯量。与本发明相比，它没有利用发电机阻 力扭矩变化的电信号特性，没有利用发动机调速控制过程的动力扭矩增加延迟特性，因而 它与本发明相比，求取过程复杂，且可操作性差；国内，重庆长安汽车股份有限公司的蒲江 等人的专利申请(申请号200910103865)《一种测试发动机转动惯量的三线摆扭摆周期测 量仪》是关于发动机机体刚体转动惯量的测定，与本发明所涉及的问题完全不同，尽管在题 目字面上容易造成混淆。类似的研究文章也有一些，均是研究发动机刚体转动惯量的测定 技术。柴油发电机组运动系的回转转动惯量是一个重要的结构参数，它在柴油发电机组 的性能分析中有着重要的作用。如在柴油机发电机组的调速控制特性的模拟计算中，和在 柴油发电机组的回转轴系扭转振动计算机模拟分析研究中，机组转动惯量参数都是必不可 少的，它取值的真实程度直接影响仿真分析结果的正确性和实用价值。这是因为它的取值 正确与否直接影响我们对被控对象所建立的数学模型的准确性。数学模型不准，分析的结 果当然不可信。目前有些柴油发电机组调速动态过程模拟计算，仅仅用实测的某一过程的 调速动态过程的速度响应曲线与仿真结果对比，看一致性如何，来验证模拟计算数学模型 的准确性是不对的。速度响应的仿真计算结果与控制PID参数有关，由于柴油机与调速器 的控制参数匹配不同，在转动惯量取值偏离实际值较大的情况下，通过适当的调整PID参 数，仍能得到试验速度响应曲线与仿真结果比较吻合的情况。因此有效的估算出柴油发电 机组的转动惯量，是保证仿真模型适用性和分析准确性的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备。本发明的目的还在于提供一种柴油发电机组运动件转动惯量的测试方法。本发明的目的是这样实现的本发明的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备包括转速信号整理模块、键盘 输入�？椤⒓扑憧刂颇？楹拖允灸？椋蛔傩藕耪砟？槭淙攵擞敕⒍淖俅衅飨� 连，输出端连接在计算控制�？榈�80C196KB单片机的脉冲计数接口 ；键盘输入�？榈氖涑� 端与计算控制模块的80C196KB单片机的Pl 口的Pl. 0 Pl. 6脚相连；计算控制�？榈氖� 入量是转速信号整理�？槭涑龅淖俾龀逍藕藕图淌淙氲ピ募讨噶钚藕牛涑隽啃� 号为显示�？榈目刂浦噶睿扑憧刂颇？槭且�80C196KB单片机为核心的电路；显示�？槲� MSP-G240128DYSY-1N可编程显示�？椋菹哂爰扑憧刂颇？榈�80C196KB单片机PO 口相 连。本发明的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备还有这样一些技术特征1、转速信号整理�？榈淖傩藕糯淼缏肺缥黄鱎5的两端分别连接转速传 感器的两个输出线SPIN-和SPIN+上，其中一端SPIN-接地，电位器R5中间连接第三电容 C3，第三电容C3的另一端连接第一电阻R1，第一电阻Rl的另一端连接第二电阻R2、第一电 容Cl和三极管3DG6基极的公共端，第二电阻R2、第一电容Cl的另一端接地，三极管3DG6 的发射极接地，三极管3DG6的集电极经第三电阻R3接电源VCC，非门U14输入端接三极管 3DG6集电极、输出端接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接三极管3DG6基极，二极管Dl正 极接地、负极接非门U14的输出端，非门U14的输出端接转速信号整理模块的输出线SPFB。2、键盘输入�？榈缏纷槌晌谝�、三、五、七、九按键开关Si、S3、S5、S7和S9的 一端连接在I/O线Pl. 0上，Pl. 0还经第二十五电阻R25连接电源VCC，第二、四、六、八、十 按键开关S2、S4、S6、S8和SlO的一端连接在I/O线Pl. 1上，Pl. 1还经第二十六电阻R26 连接电源VCC，第一按键开关Sl的另一端与第二按键开关S2的另一端相连、并经第二十七 电阻R27连接到I/O线Pl. 6上，第三按键开关S3的另一端与第四按键开关S4的另一端相 连、并经第二十八电阻R28连接到I/O线Pl. 5上，第五按键开关S5的另一端与第六按键开 关S6的另一端相连、并经第二十九电阻R29连接到I/O线Pl. 4上，第七按键开关S7的另 一端与第八按键开关S8的另一端相连、并经第三十电阻R30连接到I/O线Pl. 3上，第九按 键开关S9的另一端与第十按键开关SlO的另一端相连、并经第三十一电阻R31连接到I/O 线Pl. 2上。3、控制计算�？榈淖槌砂�80CX196BK单片机芯片U1、74LS138片选芯片U2、 74LS373地址锁存芯片U11、存储芯片U12和复位芯片TO ；80CX196BK单片机芯片Ul的数据 总线分别与74LS373地址锁存芯片U11、存储芯片U12的数据总线相连，复位芯片U6的第3 脚与80CX196BK单片机芯片Ul的第15脚相连，复位芯片U6的第1脚接地，复位芯片U6的 第2脚电源，存储芯片U12的20脚与74LS138片选芯片U2的14脚相连，存储芯片U12的 4脚5脚相连，74LS373地址锁存芯片Ull的11脚与80CX196BK单片机芯片Ul的62脚相 连，74LS373地址锁存芯片Ull的1脚接地，存储芯片U12的1脚、27脚接电源VCC，存储芯 片U12的22脚与80CX196BK单片机芯片Ul的61脚相接，80CX196BK单片机芯片Ul的Pl 口的Pl. 0 Pl. 6脚与键盘输入模块的Pl. 0 Pl. 6引出线相连，80CX196BK单片机芯片 Ul的25脚与转速信号整理�？槭涑鱿呦嘟樱�80CX196BK单片机芯片Ul的DO D7引脚与 显示�？榈慕酉叨俗拥腄O D7脚相接，80CX196BK单片机芯片Ul的晶振器CKYl的两端分别经第二电容C2和第五电容C5与地线相接、同时分别与80CX196BK单片机芯片Ul的66 和67脚相连，80CX196BK单片机芯片Ul的1、13、37电源VCC，80CX196BK单片机芯片Ul的 2、3、12、14、36、43、64、68 脚接地。4、电源�？榈暮诵钠骷荓M7805芯片U13，LM7805芯片U13的3脚接地，LM7805 芯片U13的1脚接第十三二极管D13负极，LM7805芯片U13的2脚接电源�？榈氖涑鱿� VCC，第十三二极管D13的正极接+12V直流输入电源，第十三二极管D13的负极与地线之间 并接有第八电容C8、第十二电容C12和第十三电容C13，LM7805芯片U13的输出线VCC与 地线之间并联有第四电容C4、第六电容C6、第七电容C7、第九电容C9、第十电容C10、第i^一 电容Cll和第十四电容C14，电源模块的输入端和输出端共地。本发明的柴油发电机组运动件转动惯量的测试方法为1、备车，即使柴油发电机组处于暖车后转速升至额定转速，将发动机的转速传感 器与转动惯量的测试设备相连；2、突加负载，在柴油发电机组的发电机上突加一个已知的、阶跃载荷；3、瞬时转速测量，测量并记录柴油发电机组在突加负载过程中，在负载突变和调 速器增加供油的共同作用下，转速由突降到回升到稳定的全过程瞬时转速；4、负荷突加初始阶段的转速下降速率即角加速度的计算，角加速度，的计算公
dt
ω ω( χ) - ω( 0) _ Αω
式为T=1，其中ω(、)，i另iJ》，力口负、冑帛至文白勺禾呈
中、测量所选取的、角加速度最大的区间内、给定的两个时间点上的两个转速值；、、t2分别 转速ω (tl)、ω (t2)所对应的给定时间。5、转动惯量的计算，首先计算出突加负荷扭矩的变化ΔΜ，利用公式 N -N
■ = n .U0，其中N2分别为突加负荷前和突加负荷后的发动机负荷；为发动机
工作转速，然后计算柴油发电机组的转动惯量，利用公式J = ^7计算转动惯量。
αω/α 所述在柴油发电机组的发电机上突加一个已知的、阶跃载荷是加60%额定负载。本发明的方法利用柴油发电机组调速特性试验中，特定时间段内测得的转速变化 数据或曲线，推算出机组的转动惯量。这一特定时间段就是负荷突加过程时间段。本发明的 特点是(1)在转动惯量的测量、分析中，利用了柴油发电机组调速动态控制过程的扭矩增 量执行延迟的特性。(2)利用了发电机突加负荷时扭矩变化可通过电信号获取的特点。将 本发明提出的转动惯量测试方法，编程成实用程序植入到为本发明所开发的硬件系统中， 即可以测试柴油发电机组的转动惯量。利用本发明所提出的测试方法和本发明所开发的测 试设备，对一般的柴油发电机组运动系转动惯量的测定都是适用的。
图1是用调速特性实验曲线求取某柴油发电机组转动惯量的例子；图2是本发明的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备的结构图；图3是转速信号处理电路结构图；图4是键盘输入�？榈缏方峁�6
图5是控制计算�？榈缏方峁雇迹煌�6是显示�？榻涌诘缏方峁雇迹煌�7是电源电路结构图；图8是转动惯量的计算分析程序结构框图；图9是本发明实施过程系统联接图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细的描述1.转动惯量测定方法及原理i转动惯量测定方法柴油发电机组转动惯量的测量包括如下步骤①备车。S卩，使柴油发电机组处于暖车后转速升至额定转速，将发动机的转速传感 器与本发明开发的转动惯量专用测量仪器相连，机组的试验电负载已接好。②突加负载。在机组的发电机上突加一个已知的、阶跃载荷(如60%额定负载)。 这一过程相当于在柴油发电机组的回转轴上加了一个已知的阶跃式的阻力扭矩。这个阶跃 阻力扭矩将作为转动惯量计算的必备参数之一。③瞬时转速测量。测量并记录柴油发电机组在突加负载过程中，在负载突变和调 速器增加供油的共同作用下，转速由突降到回升到稳定的全过程瞬时转速，为识别和计算 负荷突加初始阶段的转速下降速率做准备。④负荷突加初始阶段的转速下降速率(角加速度)的计算。本发明所开发的转动 惯量测试设备具有计算转速下降率(角加速度)的计算功能。其算法归纳如下角加速度 ^m ω ω(ι)-ω( η) Αω
，的计算公式为j & ‘=-Γ-°[ω (tl)，ω (t2)分别为突加负荷导致的转速突
dtdttI _ tOAt
降过程中，测量所选取的，角加速度最大的区间内，给定的两个时间点上的两个转速值。t1;
、分别转速ω (tl)，ω (t2)所对应的给定时间]。另外，角加速度，的识别和计算也可采用
作图法。如图1所示，图中给出了一个求�。睦�。在突加负荷调速特性曲线上作图。
取负荷突加时发动机转速开始下降阶段，转速下降最快(曲线较陡)的一段做转速曲线的
切线，这一切线的斜率就是要求的角加速度，。求�。笨刹捎醚映じ们邢叩姆椒ǎ谘�
长线上读取选定的两个点的转速和对应的时间，以减小读数误差，如图1所示。，的测定
可在不同的负荷突加段上多次进行，据此算出对应的转动惯量，理论上每段上计算的转动 惯量的结果应该是一致的，实际测定、计算中可取多次获得的转动惯量结果的均值。例如， 在图1的例子中就进行了两次转动惯量的测量计算，分别对应的是突加负荷0% 60%的 过程和负荷突加60% 100%过程，最终的转动惯量取两次计算结果的均值。⑤转动惯量的计算。首先计算出图加负荷扭矩的变化ΔΜ，利用公式 N -N
■ = η ]2π/2ω (其中，N1, N2分别为突加负荷前和突加负荷后的发动机负荷；为发动机工作转速)。然后计算柴油发电机组的转动惯量，利用公式·/^^计算转动惯量。上述
αω/α
过程在本发明所开发的测试仪器中，由控制计算单元完成。 转动惯量测定原理柴油发电机组的扭矩增量、转动惯量和角加速度之间的关系可表示为J- = AM(1)
dt其中J为转动惯量，ω为角速度，Δ M为动力扭矩和阻力扭矩的差值。这样转动惯量可以归纳成扭矩增量ΔΜ和单位时间转速增量(角加速度)，的
at
函数J =AM)(2)一般来说，#是比较容易通过实验测得，而ΔΜ的获得则是较困难的。AM是动力
at
扭矩和阻力扭矩只差，由于发动机的动力扭矩与发动机缸内的燃烧过程有关，而缸内燃烧 参数不易获得，因此真实的动力扭矩通过测量缸内而获得是比较难的。阻力扭矩主要是负 载扭矩和摩擦扭矩。摩擦扭矩是随发动机的转速变化和机体温度变化而变化的，不易得到 确定值。因此，通过分别求动力扭矩和阻力扭矩的方法不易得到ΔΜ。但在柴油发电机组在 调速实验过程中，有一个短暂的时间段，ΔΜ是可以估算的，这就是突加负荷的瞬间。此时， 负载扭矩阶跃式的增加，机组转速迅速下降，调速器开始增加供油以恢复工作转速。但动力 扭矩并没有立刻发生改变。因为从调速器感知到转速下降，开始给出增加供油控制信号，到 柴油机缸内燃烧压力的增加，形成动力扭矩增加，要有一个时间间隔。影响这个时间间隔的 大小的因素主要有，调速系统执行机构的响应时间常数、执行机构的传动连接间隙、发火间 隔时间，缸内燃烧过程到缸内压力产生，进而产生动力扭矩所用的时间。由于在这一短暂过 程，发动机的转速和温度也未发生大的变换，所以摩擦扭矩也基本没有变化。这样在突加负 荷的初始阶段，ΔΜ可以由下式求得，AM = ~Nl(3)
,2ττ/60其中N1; N2分别为突加负荷前和突加负荷后的发动机负荷；Iie为发动机工作转 速。J- = AM(4)
dt而转动惯量可以由下式求得
ΓπΓΔΜJ =--(5)
ω! dt在测量实验过程中，数据采集阶段要求要求采集柴油发电机组做调速特性试验 时，从负荷突加导致机组转速突降，到在调速器控制下，转速恢复稳定这一过程的瞬时转速 值及对应的时间值，特别是转速突降初始阶段的转速值及对应的时间值。测量实验数据后处理方法将采集的转速及对应的时间做如下处理，
8
权利要求
一种柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备，包括转速信号整理�？椤⒓淌淙肽？�、计算控制�？楹拖允灸？椋黄涮卣魇亲傩藕耪砟？槭淙攵擞敕⒍淖俅衅飨嗔涑龆肆釉诩扑憧刂颇？榈�80C196KB单片机的脉冲计数接口；键盘输入�？榈氖涑龆擞爰扑憧刂颇？榈�80C196KB单片机的P1口的P1.0～P1.6脚相连；计算控制�？榈氖淙肓渴亲傩藕耪砟？槭涑龅淖俾龀逍藕藕图淌淙氲ピ募讨噶钚藕牛涑隽啃藕盼允灸？榈目刂浦噶睿扑憧刂颇？槭且�80C196KB单片机为核心的电路；显示�？槲狹SP G240128DYSY 1N可编程显示�？椋菹哂爰扑憧刂颇？榈�80C196KB单片机P0口相连。
2.根据权利要求1所述的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备，其特征是所述转 速信号整理�？榈淖傩藕糯淼缏肺缥黄�(R5)的两端分别连接转速传感器的两个 输出线SPIN-和SPIN+上，其中一端SPIN-接地，电位器(R5)中间连接第三电容(C3)，第三 电容(C3)的另一端连接第一电阻(Rl)，第一电阻(Rl)的另一端连接第二电阻(R2)、第一 电容(Cl)和三极管(3DG6)基极的公共端，第二电阻(R2)、第一电容(Cl)的另一端接地， 三极管(3DG6)的发射极接地，三极管(3DG6)的集电极经第三电阻(R3)接电源VCC，非门 (U14)输入端接三极管(3DG6)集电极、输出端接第四电阻(R4)，第四电阻(R4)的另一端接 三极管(3DG6)基极，第一二极管(Dl)正极接地、负极接非门(U14)的输出端，非门(U14) 的输出端接转速信号整理�？榈氖涑鱿�。
3.根据权利要求1所述的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备，其特征是所述键 盘输入�？榈缏纷槌晌谝�、三、五、七、九按键开关(Si、S3、S5、S7和S9)的一端连接在 I/O线Pl. 0上，Pl. 0还经第二十五电阻(R25连接电源VCC，第二、四、六、八、十按键开关 (S2、S4、S6、S8和S10)的一端连接在I/O线Pl. 1上，Pl. 1还经第二十六电阻(R26)连接 电源VCC，第一按键开关(Si)的另一端与第二按键开关(S2)的另一端相连、并经第二十七 电阻(R27)连接到I/O线Pl. 6上，第三按键开关(S3)的另一端与第四按键开关(S4)的另 一端相连、并经第二十八电阻(R28)连接到I/O线Pl. 5上，第五按键开关(S5)的另一端与 第六按键开关(S6)的另一端相连、并经第二十九电阻(R29)连接到I/O线P1.4上，第七按 键开关(S7)的另一端与第八按键开关(S8)的另一端相连、并经第三十电阻(R30)连接到 I/O线Pl. 3上，第九按键开关(S9)的另一端与第十按键开关(SlO)的另一端相连、并经第 三十一电阻(R31)连接到I/O线Pl. 2上。
4.根据权利要求1所述的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备，其特征是所述控 制计算�？榈淖槌砂�80CX196BK单片机芯片(Ul)、74LS138片选芯片(U2)、74LS373地 址锁存芯片(Ull)、存储芯片(U12)和复位芯片(U6) ；80CX196BK单片机芯片(Ul)的数据总 线分别与74LS373地址锁存芯片(Ull)、存储芯片(U12)的数据总线相连，复位芯片(U6)的 第3脚与80CX196BK单片机芯片(Ul)的第15脚相连，复位芯片(U6)的第1脚接地，复位 芯片(U6)的第2脚电源，存储芯片(U12)的20脚与74LS138片选芯片(U2)的14脚相连， 存储芯片(U12)的4脚5脚相连，74LS373地址锁存芯片(Ull)的11脚与80CX196BK单片 机芯片(Ul)的62脚相连，74LS373地址锁存芯片(Ull)的1脚接地，存储芯片(U12)的1 脚、27脚接电源VCC，存储芯片(U12)的22脚与80CX196BK单片机芯片(Ul)的61脚相接， 80CX196BK单片机芯片(Ul)的Pl 口的Pl. 0 Pl. 6脚与键盘输入�？榈腜l. 0 Pl. 6引 出线相连，80CX196BK单片机芯片(Ul)的25脚与转速信号整理�？槭涑鱿呦嘟樱�80CX196BK单片机芯片(Ul)的DO D7引脚与显示模块的接线端子的DO D7脚相接，80CX196BK单 片机芯片(Ul)的晶振器CKYl的两端分别经第二电容(C2)和第五电容(C5)与地线相接、 同时分别与80CX196BK单片机芯片(Ul)的66和67脚相连，80CX196BK单片机芯片(Ul)的 1、13、37 电源 VCC，80CX196BK 单片机芯片(Ul 的 2、3、12、14、36、43、64、68)脚接地。
5.根据权利要求1所述的柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备，其特征是所述电 源�？榈暮诵钠骷荓M7805芯片(U13)，LM7805芯片(U13)的3脚接地，LM7805芯片(U13) 的1脚接第十三二极管(D13)负极，LM7805芯片(U13)的2脚接电源�？榈氖涑鱿遃CC，第 十三二极管(D13)的正极接+12V直流输入电源，第十三二极管(D13)的负极与地线之间并 接有第八电容(C8)、第十二电容(C12)和第十三电容(C13)，LM7805芯片(U13)的输出线 VCC与地线之间并联有第四电容(C4)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第九电容(C9)、第十 电容(ClO)、第十一电容(Cll)和第十四电容(C14)，电源�？榈氖淙攵撕褪涑龆斯驳�。
6.一种的柴油发电机组运动件转动惯量的测试方法，其特征是(1)、备车，即使柴油发电机组处于暖车后转速升至额定转速，将发动机的转速传感器 与转动惯量的测试设备相连；所述的转动惯量的测试设备是由转速信号整理�？�、键盘输 入�？�、计算控制�？楹拖允灸？樽槌傻牟裼头⒌缁樵硕吡康牟馐陨璞福�(2)、突加负载，在柴油发电机组的发电机上突加一个已知的、阶跃载荷；(3)、瞬时转速测量，测量并记录柴油发电机组在突加负载过程中，在负载突变和调速 器增加供油的共同作用下，转速由突降到回升到稳定的全过程瞬时转速；(4)、负荷突加初始阶段的转速下降速率即角加速度的计算，角加速度，的计算公式at； / =7，其中》(tl)， (t2)分别为突加负荷导致的转速突降过程中、 ω ω( λ) - ω( 0) _ Αω dt tx -10 At测量所选取的、角加速度最大的区间内、给定的两个时间点上的两个转速值；、、t2分别转 速ω (tl)、ω (t2)所对应的给定时间。(5)、转动惯量的计算，首先计算出突加负荷扭矩的变化ΔΜ，利用公式 N -N■ = n .U0，其中N2分别为突加负荷前和突加负荷后的发动机负荷&为发动机工作转速，然后计算柴油发电机组的转动惯量，利用公式J = ^7计算转动惯量。αω/α
7.根据权利要求6所述的的柴油发电机组运动件转动惯量的测试方法，其特征是所 述在柴油发电机组的发电机上突加一个已知的、阶跃载荷是加60%额定负载。
全文摘要
本发明提供的是一种柴油发电机组运动件转动惯量的测试设备及方法。包括转速信号整理�？椤⒓淌淙肽？椤⒓扑憧刂颇？楹拖允灸？椋蛔傩藕耪砟？槭淙攵擞敕⒍淖俅衅飨嗔涑龆肆釉诩扑憧刂颇？榈穆龀寮剖涌冢患淌淙肽？榈氖涑龆擞爰扑憧刂颇？榈腜1.0～P1.6脚相连；计算控制�？榈氖淙肓渴亲傩藕耪砟？槭涑龅淖俾龀逍藕藕图淌淙氲ピ募讨噶钚藕牛涑隽啃藕盼允灸？榈目刂浦噶睿幌允灸？槭菹哂爰扑憧刂颇？榈腜0口相连。利用柴油发电机组调速特性试验中，特定时间段内测得的转速变化数据或曲线，推算出机组的转动惯量。对一般的柴油发电机组运动系转动惯量的测定都是适用的。
文档编号G01M1/10GK101982748SQ20101052944
公开日2011年3月2日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者滕万庆 申请人:哈尔滨工程大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
