基于LabVIEW的輪轂電機綜合測試平臺研制

（河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津 300131）

控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性與電機性能的好壞有直接的關系。因此，在電機的生產(chǎn)運行和科研過程中需要對電機的性能參數(shù)等進行必要的測試以檢驗電機是否滿足相關要求。輪轂電機集電動機、傳動機構等機構于輪轂中，是一種獨特的驅動單元，具有結構緊湊、節(jié)約能源、綠色環(huán)保、傳動效率高等優(yōu)點[1]。目前輪轂電機主要應用于電動汽車領域和電動自行車領域[2]。國外對輪轂電機進行過深入的專項研究的公司和研究所有很多，生產(chǎn)出大量的高性能電動汽車和電動自行車。在國內，近年來有關輪轂電機的研究越來越多，輪轂電機技術已經(jīng)在電動自行車行業(yè)獲得較成功的應用。在汽車領域，國家發(fā)改委、科技部近期大力推進輪轂電機在汽車行業(yè)[3]的應用。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合[4-5]的產(chǎn)物，已經(jīng)成為當今測試、測量和自動化應用的標準開發(fā)平臺，在電機性能測試系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用[6-7]。

本文研制了基于LabVIEW的輪轂電機測試平臺，利用LabVIEW的多項式擬合子VI[8]實現(xiàn)曲線擬合，結合虛擬儀器技術，此測功平臺的穩(wěn)定性和可靠性得到進一步的提高。

1 平臺的構建

該平臺主要由電源、控制器、被測電機、扭矩傳感器、磁粉制動器、相關電表構成，再利用CAN總線[9-10]實現(xiàn)各個單元實時通信，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 測功平臺框Fig.1 Dynamometer diagram of the platform

系統(tǒng)運行時分自動和手動2種模式，可以按需求調節(jié)被測電機的負載，測出被測電機的相關參數(shù)，記錄最高效率點、最大輸出功率點、最大轉矩點、堵轉點的輸入功率、輸出功率及效率。

2 人機交互

虛擬儀器技術的發(fā)展，使現(xiàn)場在線測試困難程度得到極大降低，同時虛擬儀器技術還可以大大提高實驗效率，從而提高實驗進程。LabVIEW作為虛擬儀器技術中最常用的編程語言，其可視化的形式配合數(shù)據(jù)流的方式讓其在該領域大放異彩。受環(huán)境因素影響，電機的性能指標的實際值并不能簡單地用檢測儀器檢測出來，而LabVIEW的多項式擬合子VI可以很好地進行曲線擬合。本文利用Lab-VIEW實現(xiàn)人機交互界面及相關程序的編寫。通訊方面利用CAN總線結構準確穩(wěn)定快捷又能保證平臺的簡潔。基于LabVIEW開發(fā)的程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程Fig.2 Program flow chart

3 測試與實際運行效果

將輪轂式直流無刷電機安裝在本平臺進行調試。被測電機的額定電壓為36V，額定功率為250W。在該平臺上對輪轂電機進行空載和負載試驗。

3.1 空載實驗

電機空載實驗在電機測試中必不可少，對電機的啟動性能、軸承、運轉狀態(tài)有很好的檢測。表1所示為空載時部分電流和轉速數(shù)據(jù)。圖3所示為相應的LabVIEW實現(xiàn)的效果圖。

表1 空載電流-轉速數(shù)據(jù)Tab.1 No-load current-speed data

圖3 空載模式Fig.3 No-load mode

3.2 負載試驗

負載試驗最能模擬真實環(huán)境中電機的運行狀況，是測功平臺最重要的一部分。負載試驗的目的是要測取電機的工作特性曲線，考慮效率和其他相關因素是否合格，取得分析電機運行性能的必要數(shù)據(jù)。表2所示為負載試驗時的部分數(shù)據(jù)。圖4所示為LabVIEW實現(xiàn)的效果圖。

表2 負載時部分數(shù)據(jù)Tab.2 Partial data for load

圖4 負載模式Fig.4 Load mode

3.3 加載裝置的測試

本平臺用磁粉制動器進行加載，其響應速度快、線性度好、輸出轉矩恒定、過載保護強等特點使其廣泛應用于快速工作狀態(tài)和高頻場合。表3所示為磁粉制動器的激磁電流和傳遞轉矩數(shù)據(jù)。激磁電流和傳遞轉矩之間的曲線圖如圖5所示。

表3 激磁電流與傳遞轉矩數(shù)據(jù)Tab.3 Data of magnetizing current and transmission torque

圖5 激磁電流-傳遞轉矩關系Fig.5 Relationship of the magnetizing current and the transmission torque

由圖5可以看出，在5%～100%的額定轉矩范圍內，激磁電流與傳遞轉矩基本成正比例線性關系，只要改變激磁電流的大小，就可以在較大范圍內控制轉矩的大小。

3.4 電源測試

鑒于目前大多數(shù)動力電源都是鋰電池或蓄電池等充電電池，因此本平臺的電源測試部分選用一款36 V/10 A的充電鋰電池為測試對象，以能耗儀的形式進行設計，其測試主要分為充電和放電2種模式。采集電池的總電壓、總電流及溫度存入數(shù)據(jù)庫以供分析研究。電池的主要功能是儲能和釋放能量，所以電池對外做的功和輸出能量直接相關。因此本設計對電池充放電的能量進行了計算，計算方法為

式中：u（t）、i（t）為 t時刻電池的充放電外電壓和電流。最終測出最高和最低的電壓電流數(shù)據(jù)與標稱信息對比評估電池性能。

3.5 控制器測試

控制器的質量由其控制特性和可靠性2個方面決定。控制特性主要指電機運轉的平穩(wěn)性、調速特性和負載能力。一般情況，運轉的平穩(wěn)性除與電機機械和裝配質量有一定的關系外，還與控制器、電機間的匹配及采用的控制技術有密切的關系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設計、裝配質量等因素有關，其中，尤以控制器所用的功率驅動管的負載能力最為重要。在電機運行時，控制器的驅動管處于大電流的開關運行過程，因此，從某種意義上講，驅動器的帶負載運行能力是控制器最重要的技術指標。實驗中，調節(jié)磁粉制動器使其提供不同的負載并記錄相關數(shù)據(jù)。此外，控制器的測試也包括對實驗過程中溫度的實時監(jiān)測。

3.6 曲線的擬合

曲線擬合廣泛地應用在數(shù)據(jù)采集處理中。充分利用LabVIEW及其子VI使曲線擬合方便而簡潔。本平臺中所有曲線都利用基于最小二乘法的多項式擬合子VI進行5次擬合，得到較好的效果。圖6為表2中輸出功率和轉矩的關系曲線擬合效果圖。

圖6 擬合后的轉矩-輸出功率曲線Fig.6 Torque and power output torque curve after the fitting

其擬合多項式方程為

4 結語

應用虛擬儀器技術使該平臺開發(fā)周期更短、使用效率更高、成本更低廉。與CAN總線的友好結合使其具有很強的可擴展性和可重用性，使用價值進一步增強。采用最小二乘原理的多項式擬合具有擬合不變性，對電機參數(shù)特性曲線進行擬合能夠有效地反映電機的性能指標，滿足電機性能測試需求。磁粉制動器的電流和轉矩具有良好的線性關系，其傳遞或制動轉矩僅受勵磁電流控制，同時散熱結構良好，整體結構緊密，增加了平臺的可靠性和準確性，作為加載裝置科學合理。利用LabVIEW和虛擬技術可以方便快捷地實現(xiàn)電源、控制器、電機的綜合測試。

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