高速電機(jī)單側(cè)變速混合動(dòng)力EDU總成系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)

楊葵

摘? 要：該文為了解決高速單側(cè)邊上混合動(dòng)力EDU總成的出廠測(cè)試問題，利用PLC對(duì)測(cè)試臺(tái)架動(dòng)作進(jìn)行控制，利用PC作為數(shù)據(jù)收集和處理平臺(tái)，并開發(fā)友好的人機(jī)界面，滿足復(fù)雜的EDU系統(tǒng)的功能測(cè)試要求，采用分步測(cè)試方法進(jìn)行EDU系統(tǒng)5種運(yùn)行模式的功能測(cè)試，所有測(cè)試數(shù)據(jù)都在PC中保存起來(lái)，并上傳到服務(wù)器，進(jìn)行質(zhì)量追蹤。所設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)架能夠滿足EDU的測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：EDU;分步-合成測(cè)試;EOL測(cè)試;模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U467? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A]

1 設(shè)計(jì)背景

EDU系統(tǒng)包括高轉(zhuǎn)矩主驅(qū)電機(jī)140 kW/500 Nm、薄型ISG發(fā)電機(jī)53 kW/180 Nm。雙電機(jī)之間有自主創(chuàng)新的電磁離合器，可以實(shí)現(xiàn)5種運(yùn)行模式。

具體設(shè)計(jì)的EDU測(cè)試臺(tái)架功能復(fù)雜，測(cè)試除了驗(yàn)證2個(gè)電機(jī)的性能測(cè)試以外，還需要模擬整個(gè)EDU系統(tǒng)的5種運(yùn)行工況的關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試要求多、控制算法復(fù)雜，尤其是生產(chǎn)線使用的100%EOL下線測(cè)試臺(tái)架，對(duì)測(cè)試節(jié)拍需求很高。采用分步測(cè)試方法，簡(jiǎn)化難度，滿足EOL性能測(cè)試要求。

2 測(cè)試臺(tái)架總體設(shè)計(jì)與硬件組成

2.1 測(cè)試臺(tái)架的功能

該測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了EDU生產(chǎn)線的下線功能測(cè)試——EOL測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括2個(gè)電機(jī)的性能測(cè)試，EDU的5種運(yùn)行模式和噪聲測(cè)試[1]。測(cè)試方案組成如圖1所示。

2.1.1 電機(jī)性能測(cè)試

電機(jī)性能測(cè)試包括電機(jī)絕緣測(cè)試，耐壓測(cè)試電機(jī)的外特性關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)（一般為3個(gè)測(cè)試點(diǎn)）的效率、扭矩、電流、功率，反電式測(cè)試，堵轉(zhuǎn)測(cè)試，旋變角度，旋變波形測(cè)試[1]。

2.1.2 5種運(yùn)行模式的功能測(cè)試

運(yùn)行模式的功能測(cè)試包括5種。1）電池純電驅(qū)動(dòng)模式，電磁離合器處于脫離狀態(tài)，電源提供能源，驅(qū)動(dòng)TM電機(jī)工作的工作模式，電源模擬電池不同狀態(tài)下（滿電≥80%，半電=50%，虧電=20%）TM電機(jī)的性能。2）超速模式，高車速且高扭矩需求，電磁離合器處于結(jié)合狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器驅(qū)動(dòng)ISG電機(jī)，同時(shí)和TM電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)的模式，在該情況下，還需要根據(jù)情況選擇ISG發(fā)電或者也同時(shí)參與驅(qū)動(dòng)，在該模式下，有TM電機(jī)+發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+ISG不發(fā)電、TM電機(jī)+發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+ISG發(fā)電、TM電機(jī)+發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+ISG驅(qū)動(dòng)3種情況。3）巡航模式，電磁離合器結(jié)合狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，TM電機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)，ISG電機(jī)可以選擇空載或者發(fā)電狀態(tài)。4）回收制動(dòng)模式，電磁離合器處于脫離狀態(tài)，陪試電機(jī)提供反向負(fù)載扭矩驅(qū)動(dòng)TM電機(jī)發(fā)電模擬回收制動(dòng)模式。5）倒車模式，電磁離合器處于脫離狀態(tài)，TM電機(jī)反向驅(qū)動(dòng)模擬倒車模式[2]。

2.1.3 噪聲測(cè)試

通過(guò)設(shè)定振動(dòng)傳感器和噪聲收集器收集振動(dòng)信號(hào)和音頻信號(hào)，選用LMS軟件分析系統(tǒng)、分析噪聲數(shù)據(jù)、界定合格品范圍。將磨合并加注規(guī)定潤(rùn)滑油后的電驅(qū)動(dòng)總成安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，分別在距電驅(qū)動(dòng)總成的上、左、右、后50 cm 4處布置聲級(jí)計(jì)或麥克風(fēng)（注：電驅(qū)動(dòng)總成均是從輸出軸向輸入軸看，以此區(qū)別左、右、上、下），使電驅(qū)動(dòng)總成帶載運(yùn)行至設(shè)定工況下，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，測(cè)量并記錄各要求轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)扭矩的噪聲。

2.2 測(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 測(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)原理

測(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2.2.2 電源系統(tǒng)

采用雙向直流電源和電網(wǎng)工頻隔離，加入直流母線輸出功能，其直流輸出具有兩路輸出，兩路單獨(dú)控制，可同時(shí)測(cè)試2臺(tái)電機(jī)或控制器的功能，直流能量可閉環(huán)運(yùn)行或回饋至電網(wǎng)。采用PWM整流控制，選擇功率因素高于0.99。利用雙向可回饋直流電源需要模擬動(dòng)力電池輸入，對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的輸入功率、輸出電流、過(guò)載能力、耐壓及電機(jī)的效率、堵轉(zhuǎn)電流、最高轉(zhuǎn)速、超速、饋電等性能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。能實(shí)時(shí)將電機(jī)超速實(shí)驗(yàn)中的反電動(dòng)勢(shì)的能量回饋電網(wǎng)，避免控制器損壞[2]。

2.2.3 負(fù)載模擬系統(tǒng)

雙負(fù)載+發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器，模擬產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境。采用2個(gè)高扭矩、高響應(yīng)速度的永磁同步電機(jī)作為響應(yīng)雙負(fù)載，可以進(jìn)行分步控制來(lái)測(cè)試差速器功能，靈活精確模擬雙輪的負(fù)載，而且可以采用可編程控制器來(lái)靈活實(shí)現(xiàn)負(fù)載分配。發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器也是選用一款永磁同步電機(jī)，利用其快速響應(yīng)的特性，實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、拖曳等功能，以完美甚至更加嚴(yán)苛的條件來(lái)驗(yàn)證EDU產(chǎn)品系統(tǒng)的功能。

2.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用多種集線方式形成總線模式，以太網(wǎng)連接功率計(jì)，RS-485通信高精度扭矩計(jì)，噪聲采集器、CAN總線方式采集電機(jī)控制器ECU控制器，多種通信模式集成在一個(gè)系統(tǒng)中，能夠有效隔離數(shù)據(jù)干擾。

2.2.5 控制執(zhí)行系統(tǒng)

在線測(cè)試臺(tái)架的特點(diǎn)要求產(chǎn)品的安裝定位需要能夠快速裝卡，由于同時(shí)有噪聲測(cè)試的要求，所以必須要保證裝卡的精度和足夠的鎖緊力，才能減少工裝共振帶來(lái)的干擾。該次控制執(zhí)行系統(tǒng)，以PLC可編程邏輯控制器作為裝卡、定位、注油、抽油和切換電源的強(qiáng)電控制主體，采用完全物理隔離的方式，隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力。以PC作為數(shù)據(jù)采集和處理中心，采用LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，集成友好的操作界面，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和MES系統(tǒng)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管控、追蹤。

2.3 測(cè)試臺(tái)架硬件組成

測(cè)試臺(tái)架組成部分包含測(cè)試電源柜、循環(huán)水冷機(jī)、循環(huán)變速箱油供給過(guò)濾機(jī)、PLC電控柜、噪聲采集器、功率分析儀

WT333E-C2-H/C7、3套高精度高分辨率扭矩傳感器、3套EDU快速預(yù)裝工裝、測(cè)試臺(tái)架本體（含測(cè)試鑄鐵抗震平臺(tái)，3套永磁電機(jī)負(fù)載等）、噪聲隔音罩和PC操作平臺(tái)（IPC-610L/AIMB-701G2）。

3 測(cè)試臺(tái)架程序設(shè)計(jì)與分步測(cè)試設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試臺(tái)架程序模塊化設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試臺(tái)架程序按照模塊化設(shè)計(jì)，分成執(zhí)行控制系統(tǒng)模塊和測(cè)試系統(tǒng)模塊2個(gè)模塊。EDU產(chǎn)品的安裝、夾緊、注油、排油和冷卻屬于執(zhí)行控制系統(tǒng)程序模塊，按照邏輯控制和防錯(cuò)要求，執(zhí)行系統(tǒng)程序分為主程序、夾緊程序、注油程序、排油程序、冷卻程序和急停中斷程序。主程序包括自動(dòng)、手動(dòng)、調(diào)試程序3種模式，通過(guò)主程序包使各個(gè)功能程序串聯(lián)在一起，保證防錯(cuò)的要求，確保進(jìn)入測(cè)試程序的條件滿足而且可靠。測(cè)試系統(tǒng)程序參照主程序、子程序、中斷程序的并聯(lián)程序結(jié)構(gòu)，保證測(cè)試程序的靈活變化，為分步測(cè)試提供了技術(shù)基礎(chǔ)[2]。

3.2 人機(jī)界面

采用PC作為數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面，上位機(jī)采用LabVIEW作為組態(tài)軟件的主開發(fā)界面，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語(yǔ)言和平臺(tái)，以在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來(lái)替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。在操作時(shí)，用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，以此來(lái)檢驗(yàn)儀器的通信和操作。所有的運(yùn)行測(cè)試曲線、參數(shù)設(shè)置都采用可編程參數(shù)化設(shè)置，測(cè)試邏輯時(shí)序采用時(shí)序圖的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠非常直觀地做到參數(shù)可視化，易懂。

3.3 數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于測(cè)試臺(tái)架的復(fù)雜程度及電機(jī)控制器，ECU控制器、功率計(jì)、扭矩傳感器等應(yīng)用要求不一樣，該臺(tái)架采用復(fù)合總線方式，應(yīng)用CAN總線方式采集電機(jī)控制器、ECU的數(shù)據(jù)和通信，目的是為了能夠快速響應(yīng)2個(gè)負(fù)載電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器電機(jī)，以及被測(cè)EDU的2個(gè)電機(jī)控制器的協(xié)調(diào)反應(yīng)。采用RS-485通信模式分別采集扭矩傳感器的扭矩?cái)?shù)據(jù)，是為了適應(yīng)高精度扭矩傳感器的要求，采用以太網(wǎng)和功率計(jì)，PLC、MES通信，目的是為了解決大量數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)報(bào)表處理，以及質(zhì)量追蹤信息的傳遞和跟蹤。

3.4 分步測(cè)試設(shè)計(jì)

由于功能測(cè)試要求比較多，各種測(cè)試工況和測(cè)試條件交集在一起，對(duì)于在線100%功能測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，測(cè)試節(jié)拍是其中一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。如果直接采用非常簡(jiǎn)單的累加串聯(lián)測(cè)試模式，為了達(dá)到某些測(cè)試條件和穩(wěn)定有效的采集到數(shù)據(jù)，測(cè)試的時(shí)間將會(huì)非常長(zhǎng)。

該次采用將各種測(cè)試工況按照時(shí)間軸進(jìn)行細(xì)分，分步對(duì)被測(cè)EDU每個(gè)工況的測(cè)試條件做時(shí)序圖（速度-扭矩-時(shí)間），然后采用合并測(cè)試條件的方法，將原來(lái)簡(jiǎn)單的累加工況功能測(cè)試轉(zhuǎn)化為綜合考慮的分步測(cè)試工況設(shè)置，大大縮短了測(cè)試節(jié)拍和時(shí)間。

該測(cè)試臺(tái)架需要測(cè)試的工況包括5種模式的功能測(cè)試（低速、中速、高速），噪聲測(cè)試（低速、中速、高速、滑行），電機(jī)性能測(cè)試-扭矩、功率、效率、反電式（低速、中速、高速），EDU系統(tǒng)絕緣、耐壓、注油和排油測(cè)試等。

4 測(cè)試臺(tái)架的運(yùn)行與結(jié)果分析

4.1 測(cè)試臺(tái)架運(yùn)行測(cè)試結(jié)果展示

4.1.1 測(cè)試項(xiàng)目分析

以其中一些測(cè)試結(jié)果為例，對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)的最大差異<2%，滿足測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，見表1。

4.1.2 EDU系統(tǒng)噪聲測(cè)試

如圖3所示，在M6點(diǎn)100%負(fù)載實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試臺(tái)的測(cè)試結(jié)果中，系統(tǒng)電機(jī)噪聲和二級(jí)齒輪嚙合噪聲特征基本一致：電機(jī)噪聲峰值約89 dB（A），出現(xiàn)在3 700 rpm附近。二級(jí)齒輪嚙合聲壓峰值87.8 dB（A）～90.1 dB（A），出現(xiàn)在6 000 rpm～7 000 rpm。二級(jí)齒輪嚙合噪聲在3 000 rpm和5 000 rpm附近存在峰值，最大峰值約80 dB（A）左右。實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試臺(tái)結(jié)果相關(guān)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 測(cè)試臺(tái)架運(yùn)行情況分析

測(cè)試臺(tái)架驗(yàn)收，運(yùn)行30套穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)穩(wěn)定性基本上達(dá)到了EOL的測(cè)試要求[3]。金樣驗(yàn)證：EOL測(cè)試要求能夠把生產(chǎn)過(guò)程中的失效件識(shí)別出來(lái)，經(jīng)過(guò)對(duì)專門設(shè)計(jì)出來(lái)的5套金樣重復(fù)進(jìn)行30次測(cè)試，可識(shí)別性100%。對(duì)于有的測(cè)試數(shù)據(jù)，例如反電動(dòng)式、旋變角度，測(cè)試結(jié)果MSA分析表明，測(cè)試系統(tǒng)的誤差大部分在20%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，噪聲測(cè)試聲壓數(shù)值MSA有部分在20%～30%，也屬于讓步可接受的范圍，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在臺(tái)架設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了解決測(cè)試節(jié)拍的問題，采用分步-合成的測(cè)試算法，和EDU產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起，研究調(diào)整各種測(cè)試工況的測(cè)試條件，最后達(dá)到滿足測(cè)試監(jiān)控生產(chǎn)質(zhì)量的目的，同時(shí)又將測(cè)試節(jié)拍從原來(lái)的2 h縮減到4 min（不包括裝卡），該測(cè)試臺(tái)架通過(guò)。

參考文獻(xiàn)

[1]付翔，王紅雷，黃斌，等.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2015（5）：571-575.

[2]陶銀鵬，張曉玉，徐賢亞.純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)集成試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用[J].客車技術(shù)與研究，2014（4）：50-53.

[3]滿敏，陳凌珊，何志生.電動(dòng)汽車動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)與整車模擬試驗(yàn)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（1）：30-34.