王國元 劉尊民

摘 ?要 介紹一種電動汽車電機(jī)控制及測試試驗(yàn)臺，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)臺可以進(jìn)行加速踏板位置傳感器檢測、電機(jī)霍爾傳感器檢測、電機(jī)控制器檢測等試驗(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 電動汽車;電機(jī)控制;電機(jī)性能試驗(yàn)臺

中圖分類號：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：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)，電動汽車的大力發(fā)展可以縮小我國汽車工業(yè)與發(fā)達(dá)國家汽車工業(yè)之間的差距，并可帶動我國汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)展。作為電動汽車的核心部件之一，驅(qū)動電機(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，介紹一種電動汽車電機(jī)性能試驗(yàn)臺及其試驗(yàn)方法。

2 電動汽車常用電機(jī)的類型及其特點(diǎn)

新能源汽車的驅(qū)動電機(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)動系統(tǒng)，而開關(guān)磁阻電機(jī)在電動汽車上應(yīng)用較少[3]。

交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，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，是目前大功率電動汽車上應(yīng)用最廣的電機(jī);但是驅(qū)動、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]。

永磁無刷直流電動機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機(jī)，與他勵(lì)式直流電動機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)，是小功率直流電動機(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，定子裝有簡單的集中繞組，具有結(jié)構(gòu)簡單堅(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，作為電動汽車的驅(qū)動電機(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)矩波動大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性等特性;磁場為跳躍性旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)復(fù)雜，對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流;開關(guān)磁阻電動機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動;噪聲較大也是開關(guān)磁阻電動機(jī)重要的缺點(diǎn)[6-10]。

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

該試驗(yàn)臺將直流永磁電機(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

電動汽車試驗(yàn)臺動力系統(tǒng)認(rèn)識及演示 ?觀摩新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能試驗(yàn)臺，識別各部件，識別電機(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，右腳踩制動踏板，完成制動。

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 ?本試驗(yàn)臺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）、地線和信號線（線形連續(xù)變化信號）?；魻柤铀偬ぐ逦恢脗鞲衅鬏敵鲭妷旱拇笮?，取決于霍爾元件周圍的磁場強(qiáng)度。踩下加速踏板就改變了霍爾元件周圍的磁場強(qiáng)度，也就改變了傳感器的輸出電壓，再將電壓信號傳遞給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器將根據(jù)加速踏板位置信號控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1）電阻檢測。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，萬用表檢測加速踏板傳感器的信號端子與地線阻值;踩下加速踏板，萬用表檢測加速踏板傳感器的信號端子與地線阻值。

2）電壓檢測。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，萬用表檢測加速踏板傳感器的信號端子與地線電壓值;或者踩下加速踏板，萬用表檢測加速踏板傳感器的信號端子與地線電壓值。再用萬用表檢測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（如電動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)）;

⑤萬用表檢測面板端子，檢測線路與信號，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 ?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)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，識別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)，用萬用表測試DC-DC模塊輸入電壓和輸出電壓。

電機(jī)霍爾傳感器檢測 ?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，否則電機(jī)就會在某一個(gè)位置左右擺動，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。電壓檢測按照下述操作進(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，萬用表檢測霍爾傳感器的信號端子與地線電壓值;

④踩下加速踏板，萬用表檢測霍爾傳感器的信號端子與地線電壓值;

⑤萬用表檢測霍爾傳感器的電源端子與地線電壓值;

⑥對照面板檢測控制器端子與地線電壓值。

2）波形測試。波形測試按照下述操作進(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，示波器檢測霍爾傳感器ABC的信號端子波形且記錄。

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;

⑤萬用表檢測面板端子，檢測線路與信號，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。

制動開關(guān)檢測 ?制動開關(guān)是開關(guān)量信號，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。車制動開關(guān)提供制動信號給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或制動。

制動開關(guān)檢測過程為：

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，萬用表檢測剎車開關(guān)的端子電阻值。

電機(jī)控制器檢測 ?控制器接收電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號反饋到儀表，當(dāng)發(fā)生制動或者加速行為時(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)功能是對控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動機(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)反饋信號采取的保護(hù)措施。電動車基本的保護(hù)功能有制動斷電、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，萬用表檢測控制器的各傳感器信號端子與地線電壓值;

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，示波器檢測控制器輸入傳感器（霍爾ABC與電子油門傳感器）信號端子波形且記錄。

電機(jī)的測試 ?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，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)備測試的電機(jī)（臺架安裝：三型號電機(jī)）;

2）扭矩傳感器與準(zhǔn)備測試的電機(jī)對接安裝;

3）點(diǎn)火開關(guān)ON，選擇擋位，踏下對應(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)際測定。

5 結(jié)論

該電機(jī)性能試驗(yàn)臺由直流永磁電機(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、電機(jī)霍爾傳感器檢測、電機(jī)控制器檢測和電機(jī)性能檢測等試驗(yàn)項(xiàng)目，可用于本科生或研究生的汽車構(gòu)造或電動汽車設(shè)計(jì)等相關(guān)課程的試驗(yàn)教學(xué)。

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