基于LabVIEW的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺設(shè)計

朱 靖 陳舒燕 余朝剛

(上海工程技術(shù)大學電子電氣工程學院，上海 201620)

電動汽車的許多重要性能(如啟動加速性能及最高時速等)都和電機、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，我國的電機設(shè)計無法一步到位，而是需要試制樣機，經(jīng)測試找出電機性能上的偏差，然后對電機設(shè)計方案進行局部范圍內(nèi)的調(diào)整，繼而測試、調(diào)整、試樣[1～5]。所以在車用電機和控制器系統(tǒng)研制過程中，除了必須對設(shè)計、工藝過程和控制理論分析方面進行研究外，還要對產(chǎn)品進行大量的試驗驗證，以探索改進的途徑。沒有好的電機性能測試設(shè)備，電機和控制器系統(tǒng)的設(shè)計工作將會是復(fù)雜且冗長的[6～9]，因此，筆者設(shè)計了基于LabVIEW的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理①

電動汽車電機與控制器系統(tǒng)測試平臺的結(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、電機與控制器系統(tǒng)、測功機與控制器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、信號調(diào)理電路、PZ4000功率分析儀和控制計算機(包括CAN卡、GPIB卡和數(shù)據(jù)采集卡)。

圖1 電機測試分析平臺結(jié)構(gòu)

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

被測電機的三相電流傳感器、溫度傳感器和電機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，經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成適合的電壓信號后送給數(shù)據(jù)采集卡。在控制計算機上運行的被測電機測試軟件對數(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)進行分析，并根據(jù)相關(guān)算法通過CAN總線給被測電機控制器和測功機控制器發(fā)送控制命令。

2 電機測試臺軟件設(shè)計

電機測試分析平臺的測試軟件采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，使系統(tǒng)軟件易于調(diào)試、測試和維護，由于電機測試項目的要求和電機運行實際情況的需要，測試軟件必須能實現(xiàn)被測電機及控制器的性能測試、溫升測試、試驗數(shù)據(jù)存儲和分析、被測電機及控制器與測功機電機及控制器狀態(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)實際應(yīng)用的情況對被測電機及其控制器自動測試子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)進行詳細說明。

2.1 自動測試子項目

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

圖3 測試軟件自動測試控制界面

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總線接口卡來進行CAN信息的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)測試軟件與電機控制器和測功機控制器之間的信息交換。對于被測電機及其控制器系統(tǒng)而言，除了要求電機及其控制器系統(tǒng)性能達到整車的要求之外，其通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也要達到整車的要求。因此測試分析平臺對于被測電機及其控制器系統(tǒng)而言不僅是性能的測試平臺而且也是通信能力的測試平臺。電機測試分析平臺通過對整車通信網(wǎng)絡(luò)的實際情況進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。

測試平臺采用計算機為控制中樞，通過各種現(xiàn)場總線來控制各種試驗設(shè)備以縮短電機測試時間，提高了測試效率。同時由于采用開放式的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在降低硬件成本的同時還能很容易地進行各種功能擴展，從而使系統(tǒng)能夠不斷地升級完善。

3 測試臺試驗與數(shù)據(jù)分析

本測試臺的研制主要是針對電動汽車，通過測試電動汽車的電機，為后續(xù)電動汽車的研發(fā)提供測試數(shù)據(jù)。為了驗證測試臺能夠滿足電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)性能測試的需要，對長安C206電機系統(tǒng)進行了測試，試驗主要測試其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和運行效率能否滿足車輛要求。對電機進行負載測試的方法如下：測功電機的起始測試轉(zhuǎn)速為500r/min，每500轉(zhuǎn)為一個測試點；被測電機在轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以下的每個轉(zhuǎn)速點其設(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，計算出相應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)矩。將測試的數(shù)據(jù)通過Matlab進行數(shù)據(jù)擬合，得到電機輸出轉(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，電機的峰值效率為95.47%，在電動工況和發(fā)電工況下，工作在高效區(qū) (不小于80%)的工作點占83.79%，當電機的轉(zhuǎn)速在1 500～8 000r/min時，電機的效率可以保持在90%以上，試驗結(jié)果見表1，可見驅(qū)動系統(tǒng)的效率可以滿足整車性能的要求，測試平臺能夠達到測量的精度與測試的需求。

圖5 電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 電機輸出功率曲線

圖7 電機效率MAP圖

技術(shù)參數(shù)項技術(shù)參數(shù)指標測試結(jié)果電機控制器額定電壓/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)的一個重要環(huán)節(jié)，長期以來電機的測試設(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，同時測試時間長、效率低，而且讀數(shù)、記錄、計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，試驗結(jié)果的精度降低?；贚abVIEW的電機測試分析平臺采用計算機為控制中樞，通過各種現(xiàn)場總線來控制各種試驗設(shè)備縮短電機測試時間，提高了測試效率。同時由于采用開放式的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在降低硬件成本的同時還能夠很容易地進行各種功能擴展，從而使系統(tǒng)能夠不斷地升級完善。

[1] 羅永平，聶彥鑫.國內(nèi)外電動汽車測試評價技術(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，2012.

[3] 鄭慕僑.車輛試驗技術(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[J].電工電氣，2010，(1)：16～18，21.

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

[6] 徐萍萍，宋建國，王雁峰，等. 電力測功機動態(tài)測試平臺系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學學報，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車用電機對拖試驗系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報，2007，22(8)：161～165.

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

[9] 費莉，王博，劉述喜.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2012，26(10)：38～41.