EPS電動機綜合試驗臺研究

鄭虎，王明軍

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海）

EPS電動機綜合試驗臺研究

鄭虎，王明軍

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海）

提出基于虛擬儀器的EPS電動機試驗臺，采用伺服電動機作為負載，實現了在同一工位上進行不同溫度下的電動機性能參數測試和疲勞試驗。

虛擬儀器；永磁同步電動機；伺服電動機

汽車轉向機性能的好壞，直接影響到整車的操縱性、穩定性和安全性，是車輛性能的關鍵部件。為了提高轉向性能，幾乎所有轉向機都要采用動力助力轉向，最初采用液壓助力轉向（HPS）方式。隨著微電子技術和電氣技術的發展和應用，使得汽車轉向技術發生了很大的變化，出現了電動液壓助力轉向系統（EHPS）和電動助力轉向系統［1］（EPS）。近年來，隨著節能環保的推廣，電動助力轉向方式發展迅猛。作為EPS關鍵部件，電動機大概分為4種類型［2］：直流電動機、異步電動機、永磁同步電動機和開關磁阻電動機。其中直流電動機功率偏小，噪音大，壽命短；異步電動機效率和功率因數低，功率密度小，較大的體積影響其應用；永磁同步電動機因其具有較大的功率密度、較小的體積，在汽車上具有很大優勢，有逐步取代異步電動機的趨勢；開關磁阻電動機可靠性高、結構簡單、功率大，但是扭矩波動很大，對手感影響很大。

為了提高EPS的整體性能，控制器ECU需要電動機在不同溫度下的詳細參數，包括特性曲線、阻力矩、齒槽力矩、反電勢常數Ke、負載特性曲線、轉子位置信號（如霍爾）波形等。在實際應用時，還需要測量電動機在不同轉速下的轉矩（簡稱定轉矩測試），或測量不同轉矩下的轉速（簡稱定轉速測試），以及考核電動機的疲勞壽命等。通過多個試驗臺完成這些測試很容易，文獻［3］給出了阻力矩和齒槽力矩等微扭矩測量的途徑。本文是在一套試驗設備上完成上述所有測試，針對EPS用永磁同步電動機測試及實現進行研究，同時兼容直流電動機、異步電動機，并保留對開關磁阻電動機測試的擴充功能。

1 EPS電動機試驗臺硬件設計

1.1測試項目特點

1）進行電動機負載特性曲線、疲勞壽命測試時，需控制被測EPS電動機，然后在電動機軸端施加負載。

2）測試電動機的阻力矩、齒槽力矩、Ke以及轉子位置信號波形時，EPS電動機需要被動拖動，這要求原負載端需要能主動轉動。

3）測量阻力矩、齒槽力矩這些微力矩時的傳感器量程，和測量特性曲線時的負載量程有別，以保證測量精度。

4）在定轉速或定轉矩測試時，需要能快速準確找到要定的點。

5）需要測量電動機不同溫度下的性能參數。

1.2試驗臺原理框圖

傳統的加載方法是利用各種制動器，如磁粉、磁滯和電蝸流制動器作為負載進行加載，其優點是成本低廉，但也存在制動器響應比較慢，不能準確進行定點測試的缺陷。且制動器不能主動轉動，所以如果采用傳統的制動器作為負載，那么就不能在一個試驗臺上完成上述的全部測量項目。

根據全部測試項目的特點，本文提出了如圖1所示的試驗臺原理框圖，其中特別需要指出的是，在此設計方案中，采用伺服電動機、而不是制動器作為負載。

圖1 EPS電動機測試臺示意圖

采用伺服電動機優點有：①既可作為負載使用，也可以拖動被測電動機，以實現被測電動機的性能測試和阻力矩測試；②同時伺服電動機的轉矩控制時響應快、精度高；③定轉速控制容易、穩定，不像制動器只能通過調整轉矩來改變轉速。缺點在于伺服電動機本身存在轉矩波動；且若控制不當，存在性能測試時伺服電動機反拖被測電動機的可能。

轉矩傳感器采用的是雙量程模式，量程分別為10 Nm/1Nm，精度不低于3‰，以滿足性能測試和微轉矩測試的需要。采用4096線編碼器，以保證角度的精度不低于0.1°。

聯軸器的選型很重要，對于靠近負載電動機端的聯軸器而言，它不僅具備傳遞轉矩功能，還需要具備抑制波動的能力，故選用彈性聯軸器。對于靠近被測電動機端的聯軸器而言，要求剛性較好，真實反映被測電動機的情況，故選用膜片聯軸器。

安裝平臺用于承載兩個電動機的安裝支架，且在支架和平板之間設計導軌結構，以保證兩個電動機的同軸度，提高試驗臺性能。被測電動機可再加一個環境箱，可以測試不同溫度情況下電動機的性能，以及進行電動機在不同環境溫度下的疲勞試驗。

1.3測試系統硬件原理

圖2是測試系統硬件原理圖。所有信號都通過NI的采集卡采集到計算機內，計算機通過CAN卡向ECU送模擬的轉矩信號，以模擬實際轉動EPS過程中的駕駛員轉向意圖。ECU根據助力特性曲線控制電動機轉矩輸出，從而驅動被測EPS電動機。負載電動機通過外部開關切換轉速和轉矩的控制模式，具體控制參數由計算機通過以太網傳遞到PID控制器，通過控制負載電動機的驅動器實現各種控制。

性能測試過程中，需要采集的信號有轉矩、轉速、直流電壓、電流以及被測電動機的線電壓、線電流等；在阻力矩測試中，需要采集的信號有轉矩、轉角、轉子位置信號如霍爾波形、反電動勢信號U、V、W等。

圖2 測試系統控制圖

2 EPS電動機測試臺軟件設計

本EPS電動機測試軟件系統采用基于虛擬儀器［4］的LabVIEW實現。虛擬儀器是基于計算機的儀器，計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，目前已經出現含嵌入式系統的儀器。另外一種方式是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發時間少和無縫集成等優勢。LabVIEW是NI公司開發的一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而LabVIEW則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了虛擬儀器及函數的執行順序。LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠將繁瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便，深受用戶青睞。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節省85%以上的程序開發時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現出了極高的效率。使用虛擬儀器產品，用戶可以根據實際生產需要重新構筑新的儀器系統。

2.1伺服電動機控制

本系統中負載電動機采用西門子電動機，采用S120控制器，切換過程是改變西門子電動機驅動器的運動模式。為了使系統平穩地在兩種模式之間任何時間切換，所以切換信號也同時接入到PID控制器。當改變切換信號時，先使當前運行模式轉矩或轉速運行到零，再去掉控制器使能信號，即驅動器信號輸入為零，當完成切換和更改PID參數后再進行使能。

2.2性能測試實現

EPS負載特性測試過程中，需要實時顯示電動機的轉矩、轉速、ECU端直流電流和直流電壓、線電壓、線電流、效率等，除效率是計算出來的外，其余的都是通過數據采集和處理后顯示出來的。電動機阻力矩等測試中，需要顯示的是力矩隨時間或轉角的曲線、反電勢波形、轉子位置信號波形、反電勢常數計算值等。其它的高級功能如轉矩波動、電流波動等，可以通過數據處理獲得，并不需要實時顯示。這些計算和處理都是基于LabVIEW的公式計算器，在不同通道之間進行參數計算，并直接顯示計算結果，用戶可以通過圖3所示的公式編輯器進行。

圖3 公式編輯器

本測試系統中定轉速測試支持兩種方式，一種是負載電動機采用轉矩控制，被測電動機利用ECU啟動后，加大負載電動機輸出轉矩值，由于被測EPS電動機速度范圍比較廣，且利用加大或減小轉矩來改變轉速，所以穩定時間比較長，且波動比較大；另一種方法負載電動機采用位置/速度控制模式，被測電動機利用ECU輸出最大轉矩，然后通過設定參數，伺服電動機向轉矩相同方轉動到恒定轉速或轉矩為零。利用此方法可以較快較準確地穩定到一個恒定速度，且可以用來測試電動機負載特性曲線而不會造成反拖。

2.3疲勞測試實現

電動機疲勞測試分為常溫和帶溫度的疲勞測試，用戶可以自定義疲勞條件，如負載值、負載持續時間、溫度值、環境溫度保溫時間以及疲勞次數。計算機通過CAN向ECU發送正向、反向和啟停電動機的指令。疲勞試驗過程中，根據數據保存要求系統自動記錄測量數據并保存下來，方便后續性能研究分析。同時系統具備故障檢測功能，能在產生故障時及時顯示故障、關閉ECU電源，保護設備和被測樣件，以方便試驗人員排查和解除故障。

針對疲勞試驗周期長（一般都需要幾十天），且夜間試驗無人看管的特點，試驗臺進行了全面的安全保護設定，本系統不僅有過速保護、過轉矩保護，還有過溫保護。過速保護是設定速度在一定時間內大于某值或小于某值，據此判定電動機是否空載或輕載運行或者電動機沒有轉動。產生過速的可能原因有被測電動機失效、通信失效、控制器失效或伺服電動機失效等。判斷時間根據測試波形設定，太短會引起設備誤停機，太長可能會引起系統其它部件故障，從而引發事故。過溫保護是在距被測電動機表面2mm以內安置溫度傳感器，同時把ECU內部的溫度傳感器信號通過CAN發送至計算機，通過設定兩個溫度上限，保護電動機和ECU在疲勞試驗過程中不發生過熱損壞，防止事故發生。

根據以上軟件方面的設計，系統主界面如圖4所示，界面簡潔、操作比較簡單，用戶只需通過簡單的參數設置即可使用。

圖4 EPS電動機測試系統主界面

圖5 EPS電動機疲勞測試曲線

3 試驗臺運行

試驗臺實際運行結果如圖5和圖6所示。經過長時間疲勞運行，能做到自動監控，當有故障發生時，能關掉ECU，及時關閉電源，并保存歷史數據。

圖6 EPS電動機負載特性測試曲線

4 結束語

本文基于虛擬儀器研究開發了采用伺服電動機作為負載的EPS電動機綜合測試系統。實際運行結果表明系統良好、精度較高、位置/轉矩模式切換平穩，能利用此試驗臺進行多項測試，長時間疲勞運行時能有效監控系統狀況，保證安全，完全達到了設計目標。

［1］陳慧，楊磊，南楠，等.汽車轉向系統電子化技術發展［C］／／中國汽車工程學會.世界汽車技術發展跟蹤研究.北京：北京理工大學出版社，2008：35-69.

［2］鄭虎，周中堅.汽車電動轉向系統用驅動電機現狀及其發展［J］.上海汽車，2011（2）：36-41.

［3］何黎霞.汽車EPS電機微扭矩測試臺的設計與實現［J］.信息通信，2013（2）：54-55.

［4］張重雄，張思維.虛擬儀器技術分析與設計（第2版）［M］.北京：電子工業出版社，2012.

（編輯 心翔）

Research on EPS Motor Test Bench

ZHENG Hu，WANG Ming-jun
（SAIC Motor Technical Center，Shanghai 200041，China）

This paper designs an EPS motor test bench based on virtual instrument，using servo motor as the dynamic load，which can carry out performance test and fatigue test at various temperature on a bench.

virtual instrument；permanent magnet synchronous motor；servo motor

U463.645

：A

1003－8639（2016）12－0053－03

2016-05-12

鄭虎（1974-），男，工程師，從事汽車電動轉向系統和電動機開發工作；王明軍（1985-），男，工程師，從事汽車電動轉向系統試驗開發工作。