一種新能源汽車電機(jī)綜合性能測試系統(tǒng)

李 勝，路國衛(wèi)，盧劍劍，郎向榮，朱 慶，王江峰

（1.浙江集衡信息科技有限公司；2.杭州威衡科技有限公司，浙江 杭州 311113）

1 目標(biāo)

為解決新能源汽車電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)過程中電機(jī)品質(zhì)性能的品控問題，明確研發(fā)改進(jìn)的方向，本文設(shè)計(jì)一套新能源汽車電機(jī)綜合性能測試系統(tǒng)，可在電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)過程中對電機(jī)定轉(zhuǎn)子的性能進(jìn)行測試，在電機(jī)裝配成品前對電機(jī)定轉(zhuǎn)子性能品質(zhì)進(jìn)行判斷，提前找到產(chǎn)品的研制改良方向。開發(fā)的測試系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對被測電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量、記錄各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)，在PC端實(shí)時(shí)顯示并完成數(shù)據(jù)處理，生成報(bào)表及各種曲線，全面分析電機(jī)及控制器的特性及效能。該系統(tǒng)以精度高、重復(fù)性好、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)、并行效率高、使用壽命長、工作簡便為目標(biāo)，能對新能源汽車電機(jī)進(jìn)行空載特性、負(fù)載特性試驗(yàn)。

2 測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分機(jī)械測試臺架部分、電氣測控部分以及軟件測控部分三大模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化等特點(diǎn)，對系統(tǒng)中的三大模塊需做出具體要求。其中機(jī)械臺架部分需滿足測試產(chǎn)品上下線的快捷性，在測試過程中需滿足測試的穩(wěn)定性，其中對測試產(chǎn)品的快速裝夾，測試過程中的臺架振動、散熱需求及物理防護(hù)等問題都要在設(shè)計(jì)過程中解決；電氣控制模塊需精度高、靈敏度好、控制穩(wěn)定，在測試過程中能保障系統(tǒng)的長久可靠運(yùn)行，在緊急情況能一鍵制動保障人員及設(shè)備的安全。軟件模塊可自由設(shè)定測試模式、測試條件，并能以報(bào)表、圖形、曲線等形式實(shí)時(shí)顯示并分析測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果需實(shí)時(shí)存儲，避免系統(tǒng)斷電導(dǎo)致測試結(jié)果丟失。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 測試系統(tǒng)機(jī)械臺架設(shè)計(jì)

根據(jù)測試系統(tǒng)目標(biāo)要求進(jìn)行機(jī)械臺架設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的臺架需具備穩(wěn)定性好、振動小、安全防護(hù)高、操作便捷等特性。首先，為解決臺架的穩(wěn)定性和振動等問題，應(yīng)在設(shè)計(jì)中盡量將設(shè)備的整體重心做低，臺架質(zhì)量可適當(dāng)加大。在設(shè)計(jì)中，通過有限元分析，計(jì)算出臺架的各階振動點(diǎn)，使系統(tǒng)的工作狀態(tài)涉及到的速度區(qū)間盡量避開各階振動點(diǎn)。其次，測試產(chǎn)品的快速裝夾拆卸能力，是臺架設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)，對各類型的電機(jī)應(yīng)分別考慮其最優(yōu)且可靠的裝夾方式。本文根據(jù)新能源汽車電機(jī)定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行快速裝夾設(shè)計(jì)，經(jīng)過以上考慮和分析，測試系統(tǒng)機(jī)械臺架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械臺架結(jié)構(gòu)圖

其中負(fù)載伺服電機(jī)、高精度轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器與被測電機(jī)通過工裝夾具固定在測試平臺上，通過聯(lián)軸器將其互相連接，搭建出一個(gè)可靠穩(wěn)定的測試臺架。

3.1 電機(jī)快速裝夾的設(shè)計(jì)

為減輕測試人員的操作強(qiáng)度，測試產(chǎn)品上下線的便捷性是衡量系統(tǒng)臺架設(shè)計(jì)部分優(yōu)劣的一大重要指標(biāo)。電機(jī)在組裝成品前無機(jī)殼的情況下要完成快速裝夾測試，本系統(tǒng)利用線性滑軌的高精度特性及精密加工保證各部件的精度設(shè)計(jì)了一套組合夾具。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該組合夾具包含：定子固定工裝、前端蓋、軸承座、氣動三爪卡盤、后端蓋、線性滑軌及其緊固工裝等。定子固定工裝內(nèi)加工有一專用銅套，用以固定測試電機(jī)定子，銅套兩側(cè)有定位鍵，聯(lián)合頂部的螺旋固定機(jī)構(gòu)將測試電機(jī)定子牢固可靠地固定在定子固定工裝內(nèi)；測試電機(jī)轉(zhuǎn)子固定在前端軸承座和前機(jī)蓋伸出的定制軸上，滑動定子固定工裝和后端蓋到測試位置，將兩側(cè)的手柄螺栓緊固，裝夾結(jié)束。

圖3 快速裝夾組合夾具

3.2 電機(jī)測試散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)備運(yùn)行過程中，電機(jī)產(chǎn)生的熱量超過一定程度會影響測試結(jié)果，甚至損壞設(shè)備，因此需對設(shè)備的散熱系統(tǒng)進(jìn)行評估判定。在定子固定工裝側(cè)邊貼上熱電偶，通過溫度采集儀顯示測試電機(jī)實(shí)時(shí)溫度，經(jīng)過上位機(jī)分析處理，在達(dá)到一定溫度后系統(tǒng)自動開啟冷風(fēng)機(jī)。機(jī)械部分中對電機(jī)快速裝夾組合夾具進(jìn)行了通風(fēng)管道的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)外部冷風(fēng)機(jī)通風(fēng)軟管接入后端蓋中預(yù)留的軟管接入孔，風(fēng)從后端蓋流過定子工裝經(jīng)過前端蓋設(shè)計(jì)的缺口中流出，從而達(dá)到電機(jī)降溫的效果。通風(fēng)管道設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 通風(fēng)管道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.3 任意角度堵轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)

在堵轉(zhuǎn)測試中，為解決堵轉(zhuǎn)角度固定、單一問題，本系統(tǒng)引進(jìn)氣動三爪卡盤，可配合角度編碼器共同使用。在測試過程中，通過系統(tǒng)控制，可在任意角度進(jìn)行機(jī)械堵轉(zhuǎn)，從而得到更準(zhǔn)確的堵轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)。

4 測試系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)機(jī)柜用以完成測控功能，變頻柜中設(shè)計(jì)了濾波模塊、整流模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、制動單元等；信息采集柜用以放置系統(tǒng)測試中涉及到的儀器儀表，實(shí)現(xiàn)被測電機(jī)采集、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集、NI機(jī)箱采集控制等；操作臺放置工控機(jī)、電腦、PLC回路，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作控制，并對變頻柜及信息采集柜輸入的信息通過定制的軟件分析，實(shí)時(shí)顯示測試結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)備布局圖如圖5所示，圖6為操作柜的控制顯示面板。

圖5 系統(tǒng)布局圖

圖6 操作柜控制面板

系統(tǒng)采用PLC集中控制處理，可對負(fù)載快速控制；能夠通過PLC轉(zhuǎn)換變頻器工作模式，四象限運(yùn)行，驅(qū)動、加載可逆，恒轉(zhuǎn)或恒扭控制任意切換；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩通過PLC高速計(jì)數(shù)通道測試，經(jīng)過中斷信號同步采集扭矩轉(zhuǎn)速信號，可以減少功率計(jì)算時(shí)的測量誤差；同時(shí)PLC對設(shè)備電器運(yùn)行監(jiān)控，出現(xiàn)故障設(shè)備或超速、超扭時(shí)，限制設(shè)備運(yùn)行，停機(jī)并發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)PLC回路如圖7所示。

圖7 PLC回路

5 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在工業(yè)測量控制系統(tǒng)開發(fā)中，LabVIEW程序開發(fā)具有非常大的優(yōu)勢，該系統(tǒng)程序使用NI公司的LabVIEW語言編寫，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測試測量、控制及仿真分析。開發(fā)的軟件由系統(tǒng)管理、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工四大功能組成，系統(tǒng)軟件功能如圖8所示。

圖8 軟件功能圖

系統(tǒng)管理模塊可在軟件設(shè)置界面完成測量參數(shù)的名稱、單位等參數(shù)的設(shè)置工作，并可對外部設(shè)備進(jìn)行管理。參數(shù)控制可完成測試過程的控制以及測量參數(shù)的控制，并可進(jìn)行測試過程中報(bào)警參數(shù)設(shè)置。自動測試軟件設(shè)置界面如圖9所示。

圖9 自動測試參數(shù)設(shè)置界面

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)加工模塊將各個(gè)獨(dú)立測量的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，通過軟件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析功能，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示有多種可選方式，數(shù)字顯示、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線分別體現(xiàn)被試產(chǎn)品不同狀態(tài)下的變化情況。再由數(shù)據(jù)記錄功能將試驗(yàn)測量值記錄在設(shè)定好的數(shù)據(jù)庫中。軟件測試界面如圖10所示。

圖10 軟件測試界面

通過機(jī)械臺架設(shè)計(jì)、測控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，完成了本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

6 結(jié)語

通過對新能源汽車電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的新能源汽車電機(jī)綜合性能測試系統(tǒng)，能夠在電機(jī)研制過程中提前檢測出電機(jī)定轉(zhuǎn)子的性能品質(zhì)，使電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)過程變得可靠可控，并實(shí)現(xiàn)了測試平臺的數(shù)字化、智能化，測試操作簡單，測試結(jié)果可靠，完成了既定目標(biāo)。該系統(tǒng)的成功研制，對新能源汽車電機(jī)設(shè)計(jì)要求、品質(zhì)的優(yōu)劣提供了理論依據(jù)，使產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)有了改進(jìn)的目標(biāo)和方向。