基于LabVIEW的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

朱 靖 陳舒燕 余朝剛

(上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

電動(dòng)汽車的許多重要性能(如啟動(dòng)加速性能及最高時(shí)速等)都和電機(jī)、控制器的性能直接相關(guān)，由于材料性能不穩(wěn)定且工藝精度難以保證，目前，我國的電機(jī)設(shè)計(jì)無法一步到位，而是需要試制樣機(jī)，經(jīng)測試找出電機(jī)性能上的偏差，然后對電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行局部范圍內(nèi)的調(diào)整，繼而測試、調(diào)整、試樣[1～5]。所以在車用電機(jī)和控制器系統(tǒng)研制過程中，除了必須對設(shè)計(jì)、工藝過程和控制理論分析方面進(jìn)行研究外，還要對產(chǎn)品進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，以探索改進(jìn)的途徑。沒有好的電機(jī)性能測試設(shè)備，電機(jī)和控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作將會(huì)是復(fù)雜且冗長的[6～9]，因此，筆者設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試平臺(tái)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理①

電動(dòng)汽車電機(jī)與控制器系統(tǒng)測試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分包括：直流電源、電機(jī)與控制器系統(tǒng)、測功機(jī)與控制器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、PZ4000功率分析儀和控制計(jì)算機(jī)(包括CAN卡、GPIB卡和數(shù)據(jù)采集卡)。

圖1 電機(jī)測試分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)

電機(jī)測試分析平臺(tái)采用直流整流電源(0～400V(DC))供電，直流整流電源對電網(wǎng)上的三相交流電進(jìn)行整流，輸出電壓可調(diào)的直流電用作被測電機(jī)控制器和測功機(jī)控制器的輸入電源。被測電機(jī)控制器對直流整流電源輸出的直流電進(jìn)行變換，輸出電壓幅值和頻率可調(diào)的三相方波電流；測功機(jī)控制器對可控硅電源輸出的直流電進(jìn)行變換，輸出電壓幅值與頻率可調(diào)的三相正弦波電流。應(yīng)電動(dòng)汽車整車的要求，被測電機(jī)控制器采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略來控制被測電機(jī)的運(yùn)行。為了測試被測電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩輸出情況，測功機(jī)控制器采用了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略。測功機(jī)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，在測試過程中它為被測電機(jī)提供測試所需要的負(fù)載，所以在任何轉(zhuǎn)速下測功機(jī)電機(jī)所能提供的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須大于被測電機(jī)的實(shí)際最大轉(zhuǎn)矩，只有這樣才能測定被測電機(jī)在每個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩。

被測電機(jī)的三相電流傳感器、溫度傳感器和電機(jī)控制器的母線電壓傳感器、母線電流傳感器、溫度傳感器及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等輸出信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成適合的電壓信號(hào)后送給數(shù)據(jù)采集卡。在控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的被測電機(jī)測試軟件對數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)和功率分析儀通過GPIB總線上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)相關(guān)算法通過CAN總線給被測電機(jī)控制器和測功機(jī)控制器發(fā)送控制命令。

2 電機(jī)測試臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)測試分析平臺(tái)的測試軟件采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)軟件易于調(diào)試、測試和維護(hù)，由于電機(jī)測試項(xiàng)目的要求和電機(jī)運(yùn)行實(shí)際情況的需要，測試軟件必須能實(shí)現(xiàn)被測電機(jī)及控制器的性能測試、溫升測試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析、被測電機(jī)及控制器與測功機(jī)電機(jī)及控制器狀態(tài)監(jiān)控、CAN總線工作狀態(tài)監(jiān)控、故障情況緊急處理及被測電機(jī)其他參數(shù)測試等功能。測試系統(tǒng)測試軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)測試軟件結(jié)構(gòu)框圖

筆者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況對被測電機(jī)及其控制器自動(dòng)測試子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 自動(dòng)測試子項(xiàng)目

測試軟件既可以對被測電機(jī)及其控制器進(jìn)行人工測試也可以選擇自動(dòng)測試界面中的項(xiàng)目對電機(jī)及其控制器進(jìn)行自動(dòng)測試。根據(jù)電機(jī)測試項(xiàng)目的要求，測試軟件一共設(shè)置了4個(gè)自動(dòng)測試項(xiàng)目，分別為持續(xù)運(yùn)行特性測試、短時(shí)峰值特性測試、穩(wěn)態(tài)溫升測試和循環(huán)考核溫升測試。在進(jìn)行自動(dòng)測試之前應(yīng)該先停止人工測試項(xiàng)目，使測試臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，然后設(shè)置自動(dòng)測試項(xiàng)目的運(yùn)行參數(shù)。如圖3所示，假設(shè)要對被測電機(jī)進(jìn)行持續(xù)運(yùn)行特性測試，則在啟動(dòng)自動(dòng)測試項(xiàng)目之前必須設(shè)置項(xiàng)目1中的運(yùn)行參數(shù)，待測試臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)后才能開始啟動(dòng)自動(dòng)測試項(xiàng)目；如果正在進(jìn)行一個(gè)自動(dòng)測試項(xiàng)目時(shí)又啟動(dòng)另一個(gè)自動(dòng)測試項(xiàng)目，則同樣該指令將不被執(zhí)行，只有等第一個(gè)自動(dòng)測試項(xiàng)目結(jié)束或者被工作人員停止后才能進(jìn)行第二個(gè)自動(dòng)測試項(xiàng)目。在自動(dòng)測試開始后，程序以20ms為一個(gè)周期循環(huán)運(yùn)行。

圖3 測試軟件自動(dòng)測試控制界面

2.2 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)主要是測試軟件通過控制CAN總線接口卡來進(jìn)行CAN信息的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)測試軟件與電機(jī)控制器和測功機(jī)控制器之間的信息交換。對于被測電機(jī)及其控制器系統(tǒng)而言，除了要求電機(jī)及其控制器系統(tǒng)性能達(dá)到整車的要求之外，其通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也要達(dá)到整車的要求。因此測試分析平臺(tái)對于被測電機(jī)及其控制器系統(tǒng)而言不僅是性能的測試平臺(tái)而且也是通信能力的測試平臺(tái)。電機(jī)測試分析平臺(tái)通過對整車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況進(jìn)行分析得出整車通信網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)，并按照這些通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)建立了自己的通信子系統(tǒng)，從而達(dá)到的模擬整車工作環(huán)境的目的。軟件具體流程如圖4所示。

測試平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)為控制中樞，通過各種現(xiàn)場總線來控制各種試驗(yàn)設(shè)備以縮短電機(jī)測試時(shí)間，提高了測試效率。同時(shí)由于采用開放式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在降低硬件成本的同時(shí)還能很容易地進(jìn)行各種功能擴(kuò)展，從而使系統(tǒng)能夠不斷地升級(jí)完善。

3 測試臺(tái)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本測試臺(tái)的研制主要是針對電動(dòng)汽車，通過測試電動(dòng)汽車的電機(jī)，為后續(xù)電動(dòng)汽車的研發(fā)提供測試數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證測試臺(tái)能夠滿足電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能測試的需要，對長安C206電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，試驗(yàn)主要測試其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行效率能否滿足車輛要求。對電機(jī)進(jìn)行負(fù)載測試的方法如下：測功電機(jī)的起始測試轉(zhuǎn)速為500r/min，每500轉(zhuǎn)為一個(gè)測試點(diǎn)；被測電機(jī)在轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以下的每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)其設(shè)定轉(zhuǎn)矩均為123N·m，超過轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速后根據(jù)恒功率曲線特性，計(jì)算出相應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)矩。將測試的數(shù)據(jù)通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線、輸出功率曲線和效率MAP曲線如圖5～7所示。

圖4 通信子系統(tǒng)程序流程

測試結(jié)果表明，電機(jī)的峰值效率為95.47%，在電動(dòng)工況和發(fā)電工況下，工作在高效區(qū) (不小于80%)的工作點(diǎn)占83.79%，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在1 500～8 000r/min時(shí)，電機(jī)的效率可以保持在90%以上，試驗(yàn)結(jié)果見表1，可見驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率可以滿足整車性能的要求，測試平臺(tái)能夠達(dá)到測量的精度與測試的需求。

圖5 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 電機(jī)輸出功率曲線

圖7 電機(jī)效率MAP圖

技術(shù)參數(shù)項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)測試結(jié)果電機(jī)控制器額定電壓/V(DC)314V314直流電壓工作范圍/V(DC)240～400240～400轉(zhuǎn)速范圍/r·min-10～90000～9000額定轉(zhuǎn)速/r·min-135003500額定功率/kW4546額定轉(zhuǎn)矩/N·m123123峰值功率/kW82.0083.41峰值轉(zhuǎn)矩/N·m260.0257.8電機(jī)最高效率/區(qū)域峰值效率不小于93%峰值效率95.47%高效區(qū)占70%以上高效區(qū)占83.79%電機(jī)轉(zhuǎn)速工作范圍/r·min-10～90000～9000

4 結(jié)束語

測試是研發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，長期以來電機(jī)的測試設(shè)備一般都為分離的專用儀器，其工作方式也都是采用手工操作、人工讀數(shù)和處理測量數(shù)據(jù)。這種情況下測試人員很辛苦而且工作量很大，同時(shí)測試時(shí)間長、效率低，而且讀數(shù)、記錄、計(jì)算中不可避免的人為誤差的存在使測試數(shù)據(jù)的分散性增大，試驗(yàn)結(jié)果的精度降低。基于LabVIEW的電機(jī)測試分析平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)為控制中樞，通過各種現(xiàn)場總線來控制各種試驗(yàn)設(shè)備縮短電機(jī)測試時(shí)間，提高了測試效率。同時(shí)由于采用開放式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在降低硬件成本的同時(shí)還能夠很容易地進(jìn)行各種功能擴(kuò)展，從而使系統(tǒng)能夠不斷地升級(jí)完善。

[1] 羅永平，聶彥鑫.國內(nèi)外電動(dòng)汽車測試評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].汽車與配件，2011，(15)：18～21.

[2] 韓懷玉.我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國際比較研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2012.

[3] 鄭慕僑.車輛試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989：34～37.

[4] 孫澤文.基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2010，(1)：16～18，21.

[5] 伍慶龍，劉忠途，宗志堅(jiān).基于虛擬儀器的電動(dòng)汽車動(dòng)力平臺(tái)測試系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2010，32(6)：69～72.

[6] 徐萍萍，宋建國，王雁峰，等. 電力測功機(jī)動(dòng)態(tài)測試平臺(tái)系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33(6)：582～586.

[7] 胥良，宋立偉，李子健，等.節(jié)能型能量回饋式電動(dòng)車用電機(jī)對拖試驗(yàn)系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(8)：161～165.

[8] 常智海，李浩，劉乃鎖.變頻器在能量回饋試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2008，38(6)：56～58.

[9] 費(fèi)莉，王博，劉述喜.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，26(10)：38～41.