基于LabVIEW的輪轂電機綜合測試平臺研制

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300131）

控制系統的可靠性和穩定性與電機性能的好壞有直接的關系。因此，在電機的生產運行和科研過程中需要對電機的性能參數等進行必要的測試以檢驗電機是否滿足相關要求。輪轂電機集電動機、傳動機構等機構于輪轂中，是一種獨特的驅動單元，具有結構緊湊、節約能源、綠色環保、傳動效率高等優點[1]。目前輪轂電機主要應用于電動汽車領域和電動自行車領域[2]。國外對輪轂電機進行過深入的專項研究的公司和研究所有很多，生產出大量的高性能電動汽車和電動自行車。在國內，近年來有關輪轂電機的研究越來越多，輪轂電機技術已經在電動自行車行業獲得較成功的應用。在汽車領域，國家發改委、科技部近期大力推進輪轂電機在汽車行業[3]的應用。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合[4-5]的產物，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準開發平臺，在電機性能測試系統中也得到了廣泛的應用[6-7]。

本文研制了基于LabVIEW的輪轂電機測試平臺，利用LabVIEW的多項式擬合子VI[8]實現曲線擬合，結合虛擬儀器技術，此測功平臺的穩定性和可靠性得到進一步的提高。

1 平臺的構建

該平臺主要由電源、控制器、被測電機、扭矩傳感器、磁粉制動器、相關電表構成，再利用CAN總線[9-10]實現各個單元實時通信，系統框圖如圖1所示。

圖1 測功平臺框Fig.1 Dynamometer diagram of the platform

系統運行時分自動和手動2種模式，可以按需求調節被測電機的負載，測出被測電機的相關參數，記錄最高效率點、最大輸出功率點、最大轉矩點、堵轉點的輸入功率、輸出功率及效率。

2 人機交互

虛擬儀器技術的發展，使現場在線測試困難程度得到極大降低，同時虛擬儀器技術還可以大大提高實驗效率，從而提高實驗進程。LabVIEW作為虛擬儀器技術中最常用的編程語言，其可視化的形式配合數據流的方式讓其在該領域大放異彩。受環境因素影響，電機的性能指標的實際值并不能簡單地用檢測儀器檢測出來，而LabVIEW的多項式擬合子VI可以很好地進行曲線擬合。本文利用Lab-VIEW實現人機交互界面及相關程序的編寫。通訊方面利用CAN總線結構準確穩定快捷又能保證平臺的簡潔。基于LabVIEW開發的程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程Fig.2 Program flow chart

3 測試與實際運行效果

將輪轂式直流無刷電機安裝在本平臺進行調試。被測電機的額定電壓為36V，額定功率為250W。在該平臺上對輪轂電機進行空載和負載試驗。

3.1 空載實驗

電機空載實驗在電機測試中必不可少，對電機的啟動性能、軸承、運轉狀態有很好的檢測。表1所示為空載時部分電流和轉速數據。圖3所示為相應的LabVIEW實現的效果圖。

表1 空載電流-轉速數據Tab.1 No-load current-speed data

圖3 空載模式Fig.3 No-load mode

3.2 負載試驗

負載試驗最能模擬真實環境中電機的運行狀況，是測功平臺最重要的一部分。負載試驗的目的是要測取電機的工作特性曲線，考慮效率和其他相關因素是否合格，取得分析電機運行性能的必要數據。表2所示為負載試驗時的部分數據。圖4所示為LabVIEW實現的效果圖。

表2 負載時部分數據Tab.2 Partial data for load

圖4 負載模式Fig.4 Load mode

3.3 加載裝置的測試

本平臺用磁粉制動器進行加載，其響應速度快、線性度好、輸出轉矩恒定、過載保護強等特點使其廣泛應用于快速工作狀態和高頻場合。表3所示為磁粉制動器的激磁電流和傳遞轉矩數據。激磁電流和傳遞轉矩之間的曲線圖如圖5所示。

表3 激磁電流與傳遞轉矩數據Tab.3 Data of magnetizing current and transmission torque

圖5 激磁電流-傳遞轉矩關系Fig.5 Relationship of the magnetizing current and the transmission torque

由圖5可以看出，在5%～100%的額定轉矩范圍內，激磁電流與傳遞轉矩基本成正比例線性關系，只要改變激磁電流的大小，就可以在較大范圍內控制轉矩的大小。

3.4 電源測試

鑒于目前大多數動力電源都是鋰電池或蓄電池等充電電池，因此本平臺的電源測試部分選用一款36 V/10 A的充電鋰電池為測試對象，以能耗儀的形式進行設計，其測試主要分為充電和放電2種模式。采集電池的總電壓、總電流及溫度存入數據庫以供分析研究。電池的主要功能是儲能和釋放能量，所以電池對外做的功和輸出能量直接相關。因此本設計對電池充放電的能量進行了計算，計算方法為

式中：u（t）、i（t）為 t時刻電池的充放電外電壓和電流。最終測出最高和最低的電壓電流數據與標稱信息對比評估電池性能。

3.5 控制器測試

控制器的質量由其控制特性和可靠性2個方面決定。控制特性主要指電機運轉的平穩性、調速特性和負載能力。一般情況，運轉的平穩性除與電機機械和裝配質量有一定的關系外，還與控制器、電機間的匹配及采用的控制技術有密切的關系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設計、裝配質量等因素有關，其中，尤以控制器所用的功率驅動管的負載能力最為重要。在電機運行時，控制器的驅動管處于大電流的開關運行過程，因此，從某種意義上講，驅動器的帶負載運行能力是控制器最重要的技術指標。實驗中，調節磁粉制動器使其提供不同的負載并記錄相關數據。此外，控制器的測試也包括對實驗過程中溫度的實時監測。

3.6 曲線的擬合

曲線擬合廣泛地應用在數據采集處理中。充分利用LabVIEW及其子VI使曲線擬合方便而簡潔。本平臺中所有曲線都利用基于最小二乘法的多項式擬合子VI進行5次擬合，得到較好的效果。圖6為表2中輸出功率和轉矩的關系曲線擬合效果圖。

圖6 擬合后的轉矩-輸出功率曲線Fig.6 Torque and power output torque curve after the fitting

其擬合多項式方程為

4 結語

應用虛擬儀器技術使該平臺開發周期更短、使用效率更高、成本更低廉。與CAN總線的友好結合使其具有很強的可擴展性和可重用性，使用價值進一步增強。采用最小二乘原理的多項式擬合具有擬合不變性，對電機參數特性曲線進行擬合能夠有效地反映電機的性能指標，滿足電機性能測試需求。磁粉制動器的電流和轉矩具有良好的線性關系，其傳遞或制動轉矩僅受勵磁電流控制，同時散熱結構良好，整體結構緊密，增加了平臺的可靠性和準確性，作為加載裝置科學合理。利用LabVIEW和虛擬技術可以方便快捷地實現電源、控制器、電機的綜合測試。

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