EPS電動(dòng)機(jī)綜合試驗(yàn)臺(tái)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）

EPS電動(dòng)機(jī)綜合試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，采用伺服電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了在同一工位上進(jìn)行不同溫度下的電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)測(cè)試和疲勞試驗(yàn)。

虛擬儀器；永磁同步電動(dòng)機(jī)；伺服電動(dòng)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(dòng)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(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)［1］（EPS）。近年來(lái)，隨著節(jié)能環(huán)保的推廣，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向方式發(fā)展迅猛。作為EPS關(guān)鍵部件，電動(dòng)機(jī)大概分為4種類型［2］：直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。其中直流電動(dòng)機(jī)功率偏小，噪音大，壽命短；異步電動(dòng)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(dòng)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(shì)，有逐步取代異步電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)；開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率大，但是扭矩波動(dòng)很大，對(duì)手感影響很大。

為了提高EPS的整體性能，控制器ECU需要電動(dòng)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(shì)常數(shù)Ke、負(fù)載特性曲線、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)（如霍爾）波形等。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要測(cè)量電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩（簡(jiǎn)稱定轉(zhuǎn)矩測(cè)試），或測(cè)量不同轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速（簡(jiǎn)稱定轉(zhuǎn)速測(cè)試），以及考核電動(dòng)機(jī)的疲勞壽命等。通過(guò)多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)完成這些測(cè)試很容易，文獻(xiàn)［3］給出了阻力矩和齒槽力矩等微扭矩測(cè)量的途徑。本文是在一套試驗(yàn)設(shè)備上完成上述所有測(cè)試，針對(duì)EPS用永磁同步電動(dòng)機(jī)測(cè)試及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，同時(shí)兼容直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，并保留對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)測(cè)試的擴(kuò)充功能。

1 EPS電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試項(xiàng)目特點(diǎn)

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

2）測(cè)試電動(dòng)機(jī)的阻力矩、齒槽力矩、Ke以及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)波形時(shí)，EPS電動(dòng)機(jī)需要被動(dòng)拖動(dòng)，這要求原負(fù)載端需要能主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

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

5）需要測(cè)量電動(dòng)機(jī)不同溫度下的性能參數(shù)。

1.2試驗(yàn)臺(tái)原理框圖

傳統(tǒng)的加載方法是利用各種制動(dòng)器，如磁粉、磁滯和電蝸流制動(dòng)器作為負(fù)載進(jìn)行加載，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，但也存在制動(dòng)器響應(yīng)比較慢，不能準(zhǔn)確進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試的缺陷。且制動(dòng)器不能主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以如果采用傳統(tǒng)的制動(dòng)器作為負(fù)載，那么就不能在一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上完成上述的全部測(cè)量項(xiàng)目。

根據(jù)全部測(cè)試項(xiàng)目的特點(diǎn)，本文提出了如圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)原理框圖，其中特別需要指出的是，在此設(shè)計(jì)方案中，采用伺服電動(dòng)機(jī)、而不是制動(dòng)器作為負(fù)載。

圖1 EPS電動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)示意圖

采用伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)有：①既可作為負(fù)載使用，也可以拖動(dòng)被測(cè)電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)電動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試和阻力矩測(cè)試；②同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制時(shí)響應(yīng)快、精度高；③定轉(zhuǎn)速控制容易、穩(wěn)定，不像制動(dòng)器只能通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速。缺點(diǎn)在于伺服電動(dòng)機(jī)本身存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；且若控制不當(dāng)，存在性能測(cè)試時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)反拖被測(cè)電動(dòng)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(cè)試和微轉(zhuǎn)矩測(cè)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(duì)于靠近負(fù)載電動(dòng)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(dòng)的能力，故選用彈性聯(lián)軸器。對(duì)于靠近被測(cè)電動(dòng)機(jī)端的聯(lián)軸器而言，要求剛性較好，真實(shí)反映被測(cè)電動(dòng)機(jī)的情況，故選用膜片聯(lián)軸器。

安裝平臺(tái)用于承載兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的安裝支架，且在支架和平板之間設(shè)計(jì)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，以保證兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的同軸度，提高試驗(yàn)臺(tái)性能。被測(cè)電動(dòng)機(jī)可再加一個(gè)環(huán)境箱，可以測(cè)試不同溫度情況下電動(dòng)機(jī)的性能，以及進(jìn)行電動(dòng)機(jī)在不同環(huán)境溫度下的疲勞試驗(yàn)。

1.3測(cè)試系統(tǒng)硬件原理

圖2是測(cè)試系統(tǒng)硬件原理圖。所有信號(hào)都通過(guò)NI的采集卡采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN卡向ECU送模擬的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，以模擬實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)EPS過(guò)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，從而驅(qū)動(dòng)被測(cè)EPS電動(dòng)機(jī)。負(fù)載電動(dòng)機(jī)通過(guò)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(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)傳遞到PID控制器，通過(guò)控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)各種控制。

性能測(cè)試過(guò)程中，需要采集的信號(hào)有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、直流電壓、電流以及被測(cè)電動(dòng)機(jī)的線電壓、線電流等；在阻力矩測(cè)試中，需要采集的信號(hào)有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)如霍爾波形、反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)U、V、W等。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)控制圖

2 EPS電動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本EPS電動(dòng)機(jī)測(cè)試軟件系統(tǒng)采用基于虛擬儀器［4］的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著計(jì)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(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)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(shí)間少和無(wú)縫集成等優(yōu)勢(shì)。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(yǔ)言，傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)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(diǎn)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?yàn)橛脩籼峁┖?jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)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(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)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(shí)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(shí)際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。

2.1伺服電動(dòng)機(jī)控制

本系統(tǒng)中負(fù)載電動(dòng)機(jī)采用西門子電動(dòng)機(jī)，采用S120控制器，切換過(guò)程是改變西門子電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)模式。為了使系統(tǒng)平穩(wěn)地在兩種模式之間任何時(shí)間切換，所以切換信號(hào)也同時(shí)接入到PID控制器。當(dāng)改變切換信號(hào)時(shí)，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(hào)，即驅(qū)動(dòng)器信號(hào)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(cè)試實(shí)現(xiàn)

EPS負(fù)載特性測(cè)試過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)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(jì)算出來(lái)的外，其余的都是通過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理后顯示出來(lái)的。電動(dòng)機(jī)阻力矩等測(cè)試中，需要顯示的是力矩隨時(shí)間或轉(zhuǎn)角的曲線、反電勢(shì)波形、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)波形、反電勢(shì)常數(shù)計(jì)算值等。其它的高級(jí)功能如轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電流波動(dòng)等，可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得，并不需要實(shí)時(shí)顯示。這些計(jì)算和處理都是基于LabVIEW的公式計(jì)算器，在不同通道之間進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，并直接顯示計(jì)算結(jié)果，用戶可以通過(guò)圖3所示的公式編輯器進(jìn)行。

圖3 公式編輯器

本測(cè)試系統(tǒng)中定轉(zhuǎn)速測(cè)試支持兩種方式，一種是負(fù)載電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，被測(cè)電動(dòng)機(jī)利用ECU啟動(dòng)后，加大負(fù)載電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值，由于被測(cè)EPS電動(dòng)機(jī)速度范圍比較廣，且利用加大或減小轉(zhuǎn)矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速，所以穩(wěn)定時(shí)間比較長(zhǎng)，且波動(dòng)比較大；另一種方法負(fù)載電動(dòng)機(jī)采用位置/速度控制模式，被測(cè)電動(dòng)機(jī)利用ECU輸出最大轉(zhuǎn)矩，然后通過(guò)設(shè)定參數(shù)，伺服電動(dòng)機(jī)向轉(zhuǎn)矩相同方轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)恒定速度，且可以用來(lái)測(cè)試電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線而不會(huì)造成反拖。

2.3疲勞測(cè)試實(shí)現(xiàn)

電動(dòng)機(jī)疲勞測(cè)試分為常溫和帶溫度的疲勞測(cè)試，用戶可以自定義疲勞條件，如負(fù)載值、負(fù)載持續(xù)時(shí)間、溫度值、環(huán)境溫度保溫時(shí)間以及疲勞次數(shù)。計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN向ECU發(fā)送正向、反向和啟停電動(dòng)機(jī)的指令。疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)數(shù)據(jù)保存要求系統(tǒng)自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并保存下來(lái)，方便后續(xù)性能研究分析。同時(shí)系統(tǒng)具備故障檢測(cè)功能，能在產(chǎn)生故障時(shí)及時(shí)顯示故障、關(guān)閉ECU電源，保護(hù)設(shè)備和被測(cè)樣件，以方便試驗(yàn)人員排查和解除故障。

針對(duì)疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)（一般都需要幾十天），且夜間試驗(yàn)無(wú)人看管的特點(diǎn)，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了全面的安全保護(hù)設(shè)定，本系統(tǒng)不僅有過(guò)速保護(hù)、過(guò)轉(zhuǎn)矩保護(hù)，還有過(guò)溫保護(hù)。過(guò)速保護(hù)是設(shè)定速度在一定時(shí)間內(nèi)大于某值或小于某值，據(jù)此判定電動(dòng)機(jī)是否空載或輕載運(yùn)行或者電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生過(guò)速的可能原因有被測(cè)電動(dòng)機(jī)失效、通信失效、控制器失效或伺服電動(dòng)機(jī)失效等。判斷時(shí)間根據(jù)測(cè)試波形設(shè)定，太短會(huì)引起設(shè)備誤停機(jī)，太長(zhǎng)可能會(huì)引起系統(tǒng)其它部件故障，從而引發(fā)事故。過(guò)溫保護(hù)是在距被測(cè)電動(dòng)機(jī)表面2mm以內(nèi)安置溫度傳感器，同時(shí)把ECU內(nèi)部的溫度傳感器信號(hào)通過(guò)CAN發(fā)送至計(jì)算機(jī)，通過(guò)設(shè)定兩個(gè)溫度上限，保護(hù)電動(dòng)機(jī)和ECU在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生過(guò)熱損壞，防止事故發(fā)生。

根據(jù)以上軟件方面的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主界面如圖4所示，界面簡(jiǎn)潔、操作比較簡(jiǎn)單，用戶只需通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置即可使用。

圖4 EPS電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主界面

圖5 EPS電動(dòng)機(jī)疲勞測(cè)試曲線

3 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行

試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖5和圖6所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間疲勞運(yùn)行，能做到自動(dòng)監(jiān)控，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，能關(guān)掉ECU，及時(shí)關(guān)閉電源，并保存歷史數(shù)據(jù)。

圖6 EPS電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性測(cè)試曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于虛擬儀器研究開發(fā)了采用伺服電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載的EPS電動(dòng)機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)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(yàn)臺(tái)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試，長(zhǎng)時(shí)間疲勞運(yùn)行時(shí)能有效監(jiān)控系統(tǒng)狀況，保證安全，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)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(guó)汽車工程學(xué)會(huì).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(jiān).汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用驅(qū)動(dòng)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(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)（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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)開發(fā)工作；王明軍（1985-），男，工程師，從事汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)開發(fā)工作。