鄭虎，王明軍

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海）

EPS電動機(jī)綜合試驗臺研究

鄭虎，王明軍

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海）

提出基于虛擬儀器的EPS電動機(jī)試驗臺，采用伺服電動機(jī)作為負(fù)載，實現(xiàn)了在同一工位上進(jìn)行不同溫度下的電動機(jī)性能參數(shù)測試和疲勞試驗。

虛擬儀器；永磁同步電動機(jī)；伺服電動機(jī)

汽車轉(zhuǎn)向機(jī)性能的好壞，直接影響到整車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性，是車輛性能的關(guān)鍵部件。為了提高轉(zhuǎn)向性能，幾乎所有轉(zhuǎn)向機(jī)都要采用動力助力轉(zhuǎn)向，最初采用液壓助力轉(zhuǎn)向（HPS）方式。隨著微電子技術(shù)和電氣技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)［1］（EPS）。近年來，隨著節(jié)能環(huán)保的推廣，電動助力轉(zhuǎn)向方式發(fā)展迅猛。作為EPS關(guān)鍵部件，電動機(jī)大概分為4種類型［2］：直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。其中直流電動機(jī)功率偏小，噪音大，壽命短；異步電動機(jī)效率和功率因數(shù)低，功率密度小，較大的體積影響其應(yīng)用；永磁同步電動機(jī)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(yōu)勢，有逐步取代異步電動機(jī)的趨勢；開關(guān)磁阻電動機(jī)可靠性高、結(jié)構(gòu)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(jī)在不同溫度下的詳細(xì)參數(shù)，包括特性曲線、阻力矩、齒槽力矩、反電勢常數(shù)Ke、負(fù)載特性曲線、轉(zhuǎn)子位置信號（如霍爾）波形等。在實際應(yīng)用時，還需要測量電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩（簡稱定轉(zhuǎn)矩測試），或測量不同轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速（簡稱定轉(zhuǎn)速測試），以及考核電動機(jī)的疲勞壽命等。通過多個試驗臺完成這些測試很容易，文獻(xiàn)［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(shè)備上完成上述所有測試，針對EPS用永磁同步電動機(jī)測試及實現(xiàn)進(jìn)行研究，同時兼容直流電動機(jī)、異步電動機(jī)，并保留對開關(guān)磁阻電動機(jī)測試的擴(kuò)充功能。

1 EPS電動機(jī)試驗臺硬件設(shè)計

1.1測試項目特點

1）進(jìn)行電動機(jī)負(fù)載特性曲線、疲勞壽命測試時，需控制被測EPS電動機(jī)，然后在電動機(jī)軸端施加負(fù)載。

2）測試電動機(jī)的阻力矩、齒槽力矩、Ke以及轉(zhuǎn)子位置信號波形時，EPS電動機(jī)需要被動拖動，這要求原負(fù)載端需要能主動轉(zhuǎn)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(fù)載量程有別，以保證測量精度。

4）在定轉(zhuǎn)速或定轉(zhuǎn)矩測試時，需要能快速準(zhǔn)確找到要定的點。

5）需要測量電動機(jī)不同溫度下的性能參數(shù)。

1.2試驗臺原理框圖

傳統(tǒng)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(fù)載進(jìn)行加載，其優(yōu)點是成本低廉，但也存在制動器響應(yīng)比較慢，不能準(zhǔn)確進(jìn)行定點測試的缺陷。且制動器不能主動轉(zhuǎn)動，所以如果采用傳統(tǒng)的制動器作為負(fù)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(jù)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(shè)計方案中，采用伺服電動機(jī)、而不是制動器作為負(fù)載。

圖1 EPS電動機(jī)測試臺示意圖

采用伺服電動機(jī)優(yōu)點有：①既可作為負(fù)載使用，也可以拖動被測電動機(jī)，以實現(xiàn)被測電動機(jī)的性能測試和阻力矩測試；②同時伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制時響應(yīng)快、精度高；③定轉(zhuǎn)速控制容易、穩(wěn)定，不像制動器只能通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩來改變轉(zhuǎn)速。缺點在于伺服電動機(jī)本身存在轉(zhuǎn)矩波動；且若控制不當(dāng)，存在性能測試時伺服電動機(jī)反拖被測電動機(jī)的可能。

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

安裝平臺用于承載兩個電動機(jī)的安裝支架，且在支架和平板之間設(shè)計導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，以保證兩個電動機(jī)的同軸度，提高試驗臺性能。被測電動機(jī)可再加一個環(huán)境箱，可以測試不同溫度情況下電動機(jī)的性能，以及進(jìn)行電動機(jī)在不同環(huán)境溫度下的疲勞試驗。

1.3測試系統(tǒng)硬件原理

圖2是測試系統(tǒng)硬件原理圖。所有信號都通過NI的采集卡采集到計算機(jī)內(nèi)，計算機(jī)通過CAN卡向ECU送模擬的轉(zhuǎn)矩信號，以模擬實際轉(zhuǎn)動EPS過程中的駕駛員轉(zhuǎn)向意圖。ECU根據(jù)助力特性曲線控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，從而驅(qū)動被測EPS電動機(jī)。負(fù)載電動機(jī)通過外部開關(guān)切換轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制模式，具體控制參數(shù)由計算機(jī)通過以太網(wǎng)傳遞到PID控制器，通過控制負(fù)載電動機(jī)的驅(qū)動器實現(xiàn)各種控制。

性能測試過程中，需要采集的信號有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、直流電壓、電流以及被測電動機(jī)的線電壓、線電流等；在阻力矩測試中，需要采集的信號有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)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(tǒng)控制圖

2 EPS電動機(jī)測試臺軟件設(shè)計

本EPS電動機(jī)測試軟件系統(tǒng)采用基于虛擬儀器［4］的LabVIEW實現(xiàn)。虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器，計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另外一種方式是將儀器裝入計算機(jī)，以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少和無縫集成等優(yōu)勢。LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了虛擬儀器及函數(shù)的執(zhí)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?qū)⒎爆崗?fù)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(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。

2.1伺服電動機(jī)控制

本系統(tǒng)中負(fù)載電動機(jī)采用西門子電動機(jī)，采用S120控制器，切換過程是改變西門子電動機(jī)驅(qū)動器的運(yùn)動模式。為了使系統(tǒng)平穩(wěn)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(dāng)改變切換信號時，先使當(dāng)前運(yùn)行模式轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速運(yùn)行到零，再去掉控制器使能信號，即驅(qū)動器信號輸入為零，當(dāng)完成切換和更改PID參數(shù)后再進(jìn)行使能。

2.2性能測試實現(xiàn)

EPS負(fù)載特性測試過程中，需要實時顯示電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集和處理后顯示出來的。電動機(jī)阻力矩等測試中，需要顯示的是力矩隨時間或轉(zhuǎn)角的曲線、反電勢波形、轉(zhuǎn)子位置信號波形、反電勢常數(shù)計算值等。其它的高級功能如轉(zhuǎn)矩波動、電流波動等，可以通過數(shù)據(jù)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(jìn)行參數(shù)計算，并直接顯示計算結(jié)果，用戶可以通過圖3所示的公式編輯器進(jìn)行。

圖3 公式編輯器

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

2.3疲勞測試實現(xiàn)

電動機(jī)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(fù)載值、負(fù)載持續(xù)時間、溫度值、環(huán)境溫度保溫時間以及疲勞次數(shù)。計算機(jī)通過CAN向ECU發(fā)送正向、反向和啟停電動機(jī)的指令。疲勞試驗過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)保存要求系統(tǒng)自動記錄測量數(shù)據(jù)并保存下來，方便后續(xù)性能研究分析。同時系統(tǒng)具備故障檢測功能，能在產(chǎn)生故障時及時顯示故障、關(guān)閉ECU電源，保護(hù)設(shè)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(jìn)行了全面的安全保護(hù)設(shè)定，本系統(tǒng)不僅有過速保護(hù)、過轉(zhuǎn)矩保護(hù)，還有過溫保護(hù)。過速保護(hù)是設(shè)定速度在一定時間內(nèi)大于某值或小于某值，據(jù)此判定電動機(jī)是否空載或輕載運(yùn)行或者電動機(jī)沒有轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生過速的可能原因有被測電動機(jī)失效、通信失效、控制器失效或伺服電動機(jī)失效等。判斷時間根據(jù)測試波形設(shè)定，太短會引起設(shè)備誤停機(jī)，太長可能會引起系統(tǒng)其它部件故障，從而引發(fā)事故。過溫保護(hù)是在距被測電動機(jī)表面2mm以內(nèi)安置溫度傳感器，同時把ECU內(nèi)部的溫度傳感器信號通過CAN發(fā)送至計算機(jī)，通過設(shè)定兩個溫度上限，保護(hù)電動機(jī)和ECU在疲勞試驗過程中不發(fā)生過熱損壞，防止事故發(fā)生。

根據(jù)以上軟件方面的設(shè)計，系統(tǒng)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(shù)設(shè)置即可使用。

圖4 EPS電動機(jī)測試系統(tǒng)主界面

圖5 EPS電動機(jī)疲勞測試曲線

3 試驗臺運(yùn)行

試驗臺實際運(yùn)行結(jié)果如圖5和圖6所示。經(jīng)過長時間疲勞運(yùn)行，能做到自動監(jiān)控，當(dāng)有故障發(fā)生時，能關(guān)掉ECU，及時關(guān)閉電源，并保存歷史數(shù)據(jù)。

圖6 EPS電動機(jī)負(fù)載特性測試曲線

4 結(jié)束語

本文基于虛擬儀器研究開發(fā)了采用伺服電動機(jī)作為負(fù)載的EPS電動機(jī)綜合測試系統(tǒng)。實際運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)良好、精度較高、位置/轉(zhuǎn)矩模式切換平穩(wěn)，能利用此試驗臺進(jìn)行多項測試，長時間疲勞運(yùn)行時能有效監(jiān)控系統(tǒng)狀況，保證安全，完全達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

［1］陳慧，楊磊，南楠，等.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子化技術(shù)發(fā)展［C］／／中國汽車工程學(xué)會.世界汽車技術(shù)發(fā)展跟蹤研究.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：35-69.

［2］鄭虎，周中堅.汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用驅(qū)動電機(jī)現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.上海汽車，2011（2）：36-41.

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

［4］張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計（第2版）［M］.北京：電子工業(yè)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(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動機(jī)開發(fā)工作；王明軍（1985-），男，工程師，從事汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗開發(fā)工作。