摘要
在本文中，我们将考虑发电机的被控对象模型，该发电机作为发动机的负载，并探讨如何将其与前两篇文章中介绍的发动机被控对象模型相结合。
在前两篇文章中，我们讨论了发动机系统模型，但仅凭发动机系统模型无法测试ECU。还需要发电机（作为发动机负载）的系统模型。将两者结合起来才能完成系统测试。
点击查阅：++硬件在环HIL（一）：什么是HILS？++
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点击查阅：++硬件在环HIL（四）：硬件在环仿真和执行器++
点击查阅：++硬件在环HIL（五）：硬件在环仿真和工厂模型++
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发电机规格和功能
到目前为止，我们还没有详细定义发电机，所以让我们再次考虑发电机的要求，将其作为发动机ECU测试的HILS工厂模型的一部分。发电机规格汇总于表1 。
表1、发电机规格
考虑发电机模型的前提是发电机系统工厂模型中所示的发电机功能。
在这个图中，重点是发动机，所以发电机部分只是简单地用一个方块表示，但如果我们关注发电机部分并添加更多细节，它看起来就像图 1一样。
图1、发电机部分的详细工厂模型图像
发电机组模型所需功能？
与电动机类似，发电机也有多种形式，包括直流发电机、同步发电机和感应发电机。每种形式又根据其设计进一步细分为多种类型。发电机的基本功能是在恒定电压和频率下输出从零到额定电流的所需电流。测试发电机ECU时，需要实现以一度旋转为增量的电流控制运行，并应用基于电学、磁学和力学的详细物理模型，以确保其在包含容性和感性元件的负载下正常运行。
另一方面，该硬件在环测试需要一个用于测试驱动发电机的发动机ECU的被控对象模型。该发电机被控对象模型只需满足作为发动机机械负载的动态功能，无需严格按照电气或磁学原理运行。
因此，在本硬件在环仿真中，我们考虑一个发电机模型，该模型使用简单的电阻作为负载，并根据输出电流吸收转矩。
发电机将机械输入（功率）转换为电输出（功率），输出功率等于输入功率减去机械损耗和电损耗。
机械损耗包括旋转部件的摩擦和旋转引起的空气动力阻力，大致与转速的平方成正比。
电气损耗是由流经转子和定子的电流引起的损耗，大致与流经发电机内部的电流的平方成正比。
输出端电压随转速的增加而增加。在额定转速 3000 rpm 和 3600 rpm 时，发电机侧控制装置（如图 1 中的虚线所示）会自动将其控制在 100 V（参见图 2 ）。
发电机转速由发动机ECU控制，并与发动机同步旋转。其设定值为50Hz时3000rpm，60Hz时3600rpm。
发电机的旋转部分具有转动惯量。
图2、发电机输出电压
发电机组模型
符合上述规格和功能要求的发电机组将在虚拟试验台上进行测试，以获取性能数据，这与本系列第六部分中介绍的发动机测试方法相同。该测试方法与常规发电机测试方法不同，更接近于发动机测试方法。
发动机的运转是为了使发电机转速从低速到高速保持恒定。
将电阻负载并联串联，使输出电流从 0A 逐渐增加到最大电流。确定最大电流，直至端电压无法维持或达到温度极限。
在每种电流条件下，记录发电机输入扭矩（=发动机输出扭矩）、转速、发电机输出电压和输出电流。
改变旋转速度，进行同样的测量。
假设性测试得到以下数据：
（1）发电机最大电流输出时的输出、输入和损耗
图 3显示了 发电机的最大输出功率和输入功率。输出功率由最大电流和电压计算得出，输入功率由最大输出功率时的输入扭矩和转速计算得出。在 50 Hz 和 60 Hz 频率下，最大输出功率都必须超过额定输出功率 (10 kW)。
如果将输入功率与输出功率之差视为发电机损耗，将空载时的输入功率视为机械损耗，那么可以通过从发电机损耗中减去机械损耗来分离出电气损耗。
图3、发电机输入、输出和损耗
（2）发电机效率，包括部分负荷工况
图 4显示了部分负荷下的发电机损耗和效率。
部分负载性能的测量方法是在每个转速下，从 0 A 开始逐步增加负载电流。通过测量每个转速和电流下的输入转矩，可以得到如图 4 (a)所示的转速、电流和输入转矩关系图。然后，通过计算输出功率/输入功率，可以得到如图 4 (b)所示的效率关系图。
低于 2400 rpm 的数据不需要用于测试发电期间的运行情况，但需要用于测试发动机启动后从怠速到额定转速的运行情况以及发电结束后发动机停止运行时的运行情况。
图4、发电机性能图
（3）转动惯量
发电机的旋转部件的转动惯量可以像发动机一样，使用前面系列中描述的惯性旋转试验来测量。
工厂模型行为
现在我们已经建立了发动机扭矩产生模型和发电机扭矩吸收模型，让我们将它们结合起来，考虑由发动机和发电机组成的系统核心部分的运行情况。
在图 5中，我们重新组织了系统框图，重点关注发动机/发电机系统转速的增加和减少。
图5、发动机-发电机系统中转速变化的机理
（1）电气负荷模型
发电机的输出端会产生电压，负载电阻器中会产生电流，负载设定开关会设定负载电阻器的值。
例如：当六个 1kW 电炉（电阻 = 10Ω）同时开启时，消耗的电流为 60A。
（2）发电机模型
一旦确定了发电机的输出电流，如上图 4(a) 所示，发电机即可吸收扭矩。
例如：如果在 3000rpm 时输出电流从 40A 增加到 60A，则吸收扭矩将从 -13Nm 变为 -20Nm（吸收扭矩为负值）。
（3）发动机型号
一旦通过发动机 ECU 的输出确定了燃油喷射量，发动机扭矩就会根据本系列前 6 期中的"图 2 发动机性能图"中的"（c）燃油喷射量扭矩图"生成。
例如：在 3000 rpm 时，每缸每循环 1 毫克的喷射量可产生 13 牛米的扭矩。
（4）发动机和发电机的旋转运动模型
一旦确定了发动机输出扭矩和发电机吸收扭矩，就可以通过作用于旋转部件的转动惯量来改变转速，其中两者是扭矩和发电机的积分点。
例如：如果发动机旋转部分的转动惯量为 0.06 kgm 2，发电机旋转部分的转动惯量为 0.09 kgm 2，发动机输出扭矩为 13 Nm，发电机吸收扭矩为 -20 Nm，则根据以下公式，旋转加速度将为 -46.7 (rad/sec 2 )，即每秒减速度为 445 rpm。
HILS 会针对每个周期时间计算该工厂模型。如果周期时间为 1 毫秒，则在当前转速为 3000 转/分的情况下，1 毫秒后的转速如下：
3000-445/1000=2999.555（转/分）
发动机ECU的功能？
发电机组模型反映了系统的输入变化，并在每个循环周期内使用上述方法改变系统状态。接下来，我们来探讨一下发动机ECU在这种环境下的运行情况。
如前文所述，当发动机转速下降并发生减速时，如果ECU不控制燃油喷射量，且喷射量保持不变，则发动机扭矩变化不大。如果应用本系列文章第六部分图2(c)所示的燃油喷射量-扭矩曲线，则扭矩（3000 rpm时的13 Nm）会逐渐下降，在600 rpm时降至10 Nm。如果不加以控制，转速会进一步下降，最终导致发动机熄火。
发电机-发动机系统通过发动机ECU的以下功能以恒定速度运行：
1.发动机ECU通过检测控制开关（SW）的位置（OFF、50Hz、60Hz）来确定目标转速，然后利用转速传感器检测实际转速，测量实际转速与目标转速的偏差，并将偏差控制在0 rpm。例如，如果控制开关的位置为50 Hz，则目标发动机转速为3000 rpm。
2.当发电机输出功率从初始稳态运行的 4kW 增加到 6kW 时，发动机转速将以 -46.7 (rad/sec 2 ) 的旋转加速度减速，如上一节所示，并且与目标转速 3000 rpm 之间将出现偏差。
3.发动机ECU检测到转速差异后，会增加喷油量以消除该差异，从而提高扭矩并将转速恢复到3000转/分的控制目标值。增加喷油量的逻辑是ECU控制逻辑中最重要的功能之一。例如，根据转速差异按比例增加喷油量的方法，是最基本的逻辑，称为比例控制。
4.由于发电机频率变化不宜过大，发电机发动机ECU具有控制特性，可最大限度地减少转速变化。图6所示的调速器特性曲线即为此示例。该特性曲线指示了在设定的输入和负载状态下所需的转速。在图6中，控制开关只有三个设置：关闭、50Hz和60Hz。关闭时，发动机怠速转速为600 rpm；50Hz时为3000 rpm；60Hz时为3600 rpm。当电气负载增加时，转速会暂时下降，但会立即被控制回升至3000 rpm，如图中蓝色虚线所示。
调速器必须能够最大限度地减少转速变化，缩短恢复时间，并在恢复到稳定状态后最大限度地减少与 50Hz 的偏差，这些都是 ECU 规格要求中的重要项目。
图6、发电机引擎的调速器特性
除了发电机之外，发动机还广泛应用于汽车、飞机、工程机械、农业机械、水泵等领域，不同的系统需要不同的特性。调速器正是用于实现这些特性。自瓦特发明蒸汽机以来，机械调速器就被用于实现适合系统的控制特性，例如防止超速损坏和保持恒定的转速。这不仅适用于发动机，也适用于所有动力机械，包括蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机和电动机。
这是通过电子系统实现的，该系统是ECU的核心功能，称为电子调速器。由于HILS的目的是测试ECU的功能和性能，因此创建一个能够运行调速器功能的系统模型至关重要。
总结
到目前为止，我们已经解释了如何创建构成 HILS 的各种元素。
下期，我们想思考如何整合、检查和调整这些要素，以确保HILS正常运行。