電動(dòng)汽車電機(jī)控制及測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王國(guó)元 劉尊民

摘 ?要 介紹一種電動(dòng)汽車電機(jī)控制及測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，由直流永磁電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)及其運(yùn)轉(zhuǎn)控制電路、器件構(gòu)成。使用該試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行加速踏板位置傳感器檢測(cè)、電機(jī)霍爾傳感器檢測(cè)、電機(jī)控制器檢測(cè)等試驗(yàn)項(xiàng)目，可用于本科生或研究生的汽車構(gòu)造或電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)等相關(guān)課程的試驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞 電動(dòng)汽車;電機(jī)控制;電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)

中圖分類號(hào)：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）18-0030-05

Test Design of Electric Vehicle Motor Control and Detection//WANG Guoyuan， LIU Zunmin

Abstract An electric vehicle motor control and detection test-bed is

introduced. The test-bed is composed of DC permanent magnet motor，

AC asynchronous motor， switched reluctance motor and their opera-

tion control circuit and devices. The test-bed can be used for accele-rating pedal position sensor detection， motor Hall sensor detection and motor controller detection. It can be used for the experimental teaching of undergraduate or graduate students in automobile con-struction or electric vehicle design and other related courses.

Key words electric vehicle; motor control; motor performance test bench

1 前言

電動(dòng)汽車作為節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品，其研究和開發(fā)得到重視，成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。同時(shí)，電動(dòng)汽車的大力發(fā)展可以縮小我國(guó)汽車工業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家汽車工業(yè)之間的差距，并可帶動(dòng)我國(guó)汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)展。作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了整車的性能[1-2]。在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)課程本科教學(xué)中，開發(fā)基礎(chǔ)性的電機(jī)性能實(shí)驗(yàn)具有重要意義。本文在總結(jié)電動(dòng)汽車常用電機(jī)的種類及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹一種電動(dòng)汽車電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)及其試驗(yàn)方法。

2 電動(dòng)汽車常用電機(jī)的類型及其特點(diǎn)

新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。大多數(shù)新能源汽車電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，一部分汽車公司采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而開關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用較少[3]。

交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，電機(jī)本身運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)速極限高，不需要位置傳感器，且成本低，是目前大功率電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣的電機(jī);但是驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)很復(fù)雜，效率和功率密度偏低，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，不是能效最優(yōu)化的選擇[4]。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)，與他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)，是小功率直流電動(dòng)機(jī)的主要類型[5]。

作為一種新型電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，定、轉(zhuǎn)子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子裝有簡(jiǎn)單的集中繞組，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點(diǎn)。而且它具有直流調(diào)速系統(tǒng)，可控性好，同時(shí)適用于惡劣環(huán)境，作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，具有較大發(fā)展?jié)摿?。目前影響其?yīng)用的主要因素有：開關(guān)磁阻電機(jī)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性等特性;磁場(chǎng)為跳躍性旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)直流電源會(huì)產(chǎn)生很大的脈沖電流;開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng);噪聲較大也是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)重要的缺點(diǎn)[6-10]。

3 電動(dòng)汽車電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)將直流永磁電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)整合在一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上，電路連接示意圖如圖1所示。直流永磁電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)由直流永磁電機(jī)、霍爾傳感器、電子油門、擋位開關(guān)、剎車開關(guān)、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊（產(chǎn)生12 V電壓）、點(diǎn)火開關(guān)、電源開關(guān)和電壓電流等信息顯示儀表等部件構(gòu)成。交流電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)由三相電機(jī)、電機(jī)編碼器、電機(jī)溫度傳感器、電子油門、擋位開關(guān)、剎車開關(guān)、車載繼電器、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊、點(diǎn)火開關(guān)、電源開關(guān)和電壓電流等信息顯示儀表等部件構(gòu)成;而開關(guān)磁阻電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)由電機(jī)、電子油門、擋位開關(guān)、剎車開關(guān)、車載繼電器、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊、點(diǎn)火開關(guān)、電源開關(guān)和電壓電流等信息顯示儀表等部件構(gòu)成。

4 試驗(yàn)項(xiàng)目

電動(dòng)汽車試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)認(rèn)識(shí)及演示 ?觀摩新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能試驗(yàn)臺(tái)，識(shí)別各部件，識(shí)別電機(jī)控制器與各部件各引線功能。

1）閉合電源總開關(guān)，打開點(diǎn)火開關(guān)到ON擋位置。

2）換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）如果需要制動(dòng)，右腳踩制動(dòng)踏板，完成制動(dòng)。

4）如果需要加速，右腳均勻用力，逐漸踩下電子加速踏板，電機(jī)開始加速;如果保持勻速行駛，電子加速踏板保持在某一開度即可。

5）本設(shè)備無離合踏板，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中踏下剎車后換擋即可;但不能在前進(jìn)擋行駛中沒有停止就換倒擋！

6）如果需要倒車，先將換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄打到空擋，待車輛停穩(wěn)后，再將換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄打到倒擋，完成倒車。

7）使用完畢后，關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，斷開電源開關(guān)。

加速踏板位置傳感器檢測(cè) ?本試驗(yàn)臺(tái)使用霍爾加速踏板位置傳感器，安裝在加速踏板上。傳感器有三根引線，分別是電源線（+5 V）、地線和信號(hào)線（線形連續(xù)變化信號(hào)）。霍爾加速踏板位置傳感器輸出電壓的大小，取決于霍爾元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度。踩下加速踏板就改變了霍爾元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就改變了傳感器的輸出電壓，再將電壓信號(hào)傳遞給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器將根據(jù)加速踏板位置信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1）電阻檢測(cè)。首先斷開電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)OFF位

置;然后不踩下加速踏板，萬用表檢測(cè)加速踏板傳感器的信號(hào)端子與地線阻值;踩下加速踏板，萬用表檢測(cè)加速踏板傳感器的信號(hào)端子與地線阻值。

2）電壓檢測(cè)。首先閉合電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)ON位置，然后換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。接著不踩下加速踏板，萬用表檢測(cè)加速踏板傳感器的信號(hào)端子與地線電壓值;或者踩下加速踏板，萬用表檢測(cè)加速踏板傳感器的信號(hào)端子與地線電壓值。再用萬用表檢測(cè)加速踏板傳感器的電源端子與地線電壓值。

3）故障模擬。故障模擬按照下列順序進(jìn)行：

①閉合電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)ON位置;

②換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運(yùn)轉(zhuǎn);

③加速踏板傳感器故障開關(guān)向“0”方向按下時(shí)，設(shè)置故障;

④踏下電子油門，檢查故障現(xiàn)象（如電動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)）;

⑤萬用表檢測(cè)面板端子，檢測(cè)線路與信號(hào)，查找原因;

⑥加速踏板傳感器故障開關(guān)向“1”方向按下時(shí)，設(shè)置排除。

DC-DC模塊檢測(cè) ?車輛用蓄電池組電壓都較高，如48 V、

72 V、80 V等。車輛上一些小型用電器（如燈光、儀表喇叭、蜂鳴器）電源電壓都較低，普遍為12 V（也有用24 V），不能從牽引蓄電池組主電源直接引用，電動(dòng)車輛隔離轉(zhuǎn)換器（俗稱DC-DC）是最佳的方案選擇，它可以將較高的電瓶電壓降為穩(wěn)定的直流低壓輸出。實(shí)驗(yàn)中，首先觀摩新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，識(shí)別DC-DC模塊部件安裝位置，然后依次打開電源開關(guān)和點(diǎn)火開關(guān)，用萬用表測(cè)試DC-DC模塊輸入電壓和輸出電壓。

電機(jī)霍爾傳感器檢測(cè) ?在直流電機(jī)中，線圈和磁鋼的位置發(fā)生變化時(shí)，線圈必須對(duì)應(yīng)地改變電流方向，這樣電機(jī)才能繼續(xù)向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，否則電機(jī)就會(huì)在某一個(gè)位置左右擺動(dòng)，而不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)。有的電機(jī)采用碳刷換向器以改變電流方向，而本試驗(yàn)臺(tái)則采用霍爾傳感器，即無刷直流電機(jī)。由于采用了位置集成電路和電子開關(guān)替代傳統(tǒng)的電刷和換向器，因此不存在由于碳堆積產(chǎn)生的功率損耗或者電氣噪聲。同時(shí)，電子換向在數(shù)字指令的交互過程中也更具有靈活性。

1）電壓檢測(cè)。電壓檢測(cè)按照下述操作進(jìn)行：

①閉合電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)ON位置;

②換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運(yùn)轉(zhuǎn);

③不踩下加速踏板，萬用表檢測(cè)霍爾傳感器的信號(hào)端子與地線電壓值;

④踩下加速踏板，萬用表檢測(cè)霍爾傳感器的信號(hào)端子與地線電壓值;

⑤萬用表檢測(cè)霍爾傳感器的電源端子與地線電壓值;

⑥對(duì)照面板檢測(cè)控制器端子與地線電壓值。

2）波形測(cè)試。波形測(cè)試按照下述操作進(jìn)行：

①閉合電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)ON位置;

②換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運(yùn)轉(zhuǎn);

③慢慢踩下加速踏板，示波器檢測(cè)霍爾傳感器ABC的信號(hào)端子波形且記錄。

3）故障模擬。故障模擬按照下述操作進(jìn)行：

①閉合電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)ON位置;

②換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運(yùn)轉(zhuǎn);

③霍爾傳感器故障開關(guān)向“0”方向按下時(shí)，設(shè)置故障;

④踏下電子油門，檢查故障現(xiàn)象;

⑤萬用表檢測(cè)面板端子，檢測(cè)線路與信號(hào)，查找原因;

⑥霍爾傳感器故障開關(guān)向“1”方向按下時(shí)，設(shè)置排除。

制動(dòng)開關(guān)檢測(cè) ?制動(dòng)開關(guān)是開關(guān)量信號(hào)，有高電位有效與低電位有效兩種狀態(tài)，其中高電位有效時(shí)提供DC電源，低電位有效時(shí)接地有效。車制動(dòng)開關(guān)提供制動(dòng)信號(hào)給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或制動(dòng)。

制動(dòng)開關(guān)檢測(cè)過程為：

1）閉合電源總開關(guān)，點(diǎn)火開關(guān)ON位置;

2）換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運(yùn)轉(zhuǎn);

3）不踩下剎車踏板，萬用表檢測(cè)剎車開關(guān)的端子與地線電壓值;

4）踩下剎車踏板，萬用表檢測(cè)剎車開關(guān)的端子與地線電壓值;

5）關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，分別踩下、不踩下剎車踏板，萬用表檢測(cè)剎車開關(guān)的端子電阻值。

電機(jī)控制器檢測(cè) ?控制器接收電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)反饋到儀表，當(dāng)發(fā)生制動(dòng)或者加速行為時(shí)，控制器中變頻器頻率發(fā)生升降，從而達(dá)到加速或者減速的目的。此外，電機(jī)控制器還具有保護(hù)功能。保護(hù)功能是對(duì)控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的保護(hù)措施。電動(dòng)車基本的保護(hù)功能有制動(dòng)斷電、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、限速保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)等。直流永磁電機(jī)控制器接線圖如圖2所示。

電機(jī)控制器檢測(cè)按照下述操作進(jìn)行：

1）閉合電源總開關(guān)點(diǎn)火開關(guān)ON，萬用表檢測(cè)控制器的電源端子與地線電壓值;

2）參照面板原理圖，萬用表檢測(cè)控制器的開關(guān)量端子與地線電壓值、電阻值;

3）參照面板原理圖，萬用表檢測(cè)控制器的各傳感器信號(hào)端子與地線電壓值;

4）松開手剎，換擋操縱機(jī)構(gòu)手柄置于前進(jìn)或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運(yùn)轉(zhuǎn);

5）慢慢踩下加速踏板，示波器檢測(cè)控制器輸出UVW端子波形且記錄;

6）慢慢踩下加速踏板，示波器檢測(cè)控制器輸入傳感器（霍爾ABC與電子油門傳感器）信號(hào)端子波形且記錄。

電機(jī)的測(cè)試 ?本試驗(yàn)利用HCN-101型扭矩傳感器（圖3）和HN-201型扭矩轉(zhuǎn)速功率儀（圖4）進(jìn)行電機(jī)的力學(xué)特性方面的檢測(cè)，包括轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率、時(shí)間常數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流等。

試驗(yàn)步驟：

1）選擇準(zhǔn)備測(cè)試的電機(jī)（臺(tái)架安裝：三型號(hào)電機(jī)）;

2）扭矩傳感器與準(zhǔn)備測(cè)試的電機(jī)對(duì)接安裝;

3）點(diǎn)火開關(guān)ON，選擇擋位，踏下對(duì)應(yīng)的電子油門運(yùn)行電機(jī);

4）觀察，記錄扭矩轉(zhuǎn)速功率儀顯示的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率等的數(shù)值，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)定。

5 結(jié)論

該電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)由直流永磁電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)及其運(yùn)轉(zhuǎn)控制電路、器件構(gòu)成，可以進(jìn)行加速踏板位置傳感器檢測(cè)、電機(jī)霍爾傳感器檢測(cè)、電機(jī)控制器檢測(cè)和電機(jī)性能檢測(cè)等試驗(yàn)項(xiàng)目，可用于本科生或研究生的汽車構(gòu)造或電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)等相關(guān)課程的試驗(yàn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]Ehsani M， Gao Yimin， Emadi A.Modern Electric， Hy-brid Electric， and Fuel Cell Vehicles： Fundamentals， Theory， and Design， Second Edition[M].Florida： CRC Press，2009.

[2]陳全世，朱家璉，田光宇.先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]嚴(yán)蓓蘭.新能源汽車電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及測(cè)試評(píng)價(jià)研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2018（6）：109-116.

[4]馬強(qiáng).電機(jī)及現(xiàn)代控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)原子能出版社，2018：121-130.

[5]譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：1-13.

[6]程鶴.電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[M].江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2017：9-10.

[7]彭海濤，何志偉，余海闊.電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的發(fā)展分析[J].微電機(jī)，2010（6）：78-81.

[8]Li Gang， Hong Wei， Zhang Daming， et al. Research?on Control Strategy of Two Independent Rear Wheels?Drive Electric Vehicle[J].Physics Procedia，2012（24）：87-93.

[9]徐威，張若平.電動(dòng)汽車傳動(dòng)方案的選擇[J].汽車工程師，2014（8）：54-56.

[10]陳積先，張華樹，孟輝，等.電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)研制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2015（9）：68-71.