電動汽車電機控制及測試實驗設計

王國元 劉尊民

摘 ?要 介紹一種電動汽車電機控制及測試試驗臺，由直流永磁電機、交流異步電機和開關磁阻電機及其運轉控制電路、器件構成。使用該試驗臺可以進行加速踏板位置傳感器檢測、電機霍爾傳感器檢測、電機控制器檢測等試驗項目，可用于本科生或研究生的汽車構造或電動汽車設計等相關課程的試驗教學。

關鍵詞 電動汽車;電機控制;電機性能試驗臺

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：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，成為當前汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。同時，電動汽車的大力發(fā)展可以縮小我國汽車工業(yè)與發(fā)達國家汽車工業(yè)之間的差距，并可帶動我國汽車相關產(chǎn)業(yè)與技術的發(fā)展。作為電動汽車的核心部件之一，驅動電機及其控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了整車的性能[1-2]。在電動汽車設計課程本科教學中，開發(fā)基礎性的電機性能實驗具有重要意義。本文在總結電動汽車常用電機的種類及其特點的基礎上，介紹一種電動汽車電機性能試驗臺及其試驗方法。

2 電動汽車常用電機的類型及其特點

新能源汽車的驅動電機主要包括交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。大多數(shù)新能源汽車電機采用永磁同步電機，一部分汽車公司采用交流異步電機驅動系統(tǒng)，而開關磁阻電機在電動汽車上應用較少[3]。

交流異步電機結構簡單，堅固耐用，電機本身運行可靠，轉速極限高，不需要位置傳感器，且成本低，是目前大功率電動汽車上應用最廣的電機;但是驅動、控制系統(tǒng)很復雜，效率和功率密度偏低，在高速運轉的情況下電機的轉子發(fā)熱嚴重，不是能效最優(yōu)化的選擇[4]。

永磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機，與他勵式直流電動機相比，具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優(yōu)點，是小功率直流電動機的主要類型[5]。

作為一種新型電機，開關磁阻電機的結構最為簡單，定、轉子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結構，轉子上沒有繞組，定子裝有簡單的集中繞組，具有結構簡單堅固、可靠性高、質量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點。而且它具有直流調速系統(tǒng)，可控性好，同時適用于惡劣環(huán)境，作為電動汽車的驅動電機使用，具有較大發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳坝绊懫鋺玫闹饕蛩赜校洪_關磁阻電機有轉矩波動大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性等特性;磁場為跳躍性旋轉，控制系統(tǒng)復雜，對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流;開關磁阻電動機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動;噪聲較大也是開關磁阻電動機重要的缺點[6-10]。

3 電動汽車電機性能試驗臺的結構設計

該試驗臺將直流永磁電機、交流異步電機和開關磁阻電機整合在一個試驗臺上，電路連接示意圖如圖1所示。直流永磁電機試驗系統(tǒng)由直流永磁電機、霍爾傳感器、電子油門、擋位開關、剎車開關、DC-DC轉換模塊（產(chǎn)生12 V電壓）、點火開關、電源開關和電壓電流等信息顯示儀表等部件構成。交流電機試驗系統(tǒng)由三相電機、電機編碼器、電機溫度傳感器、電子油門、擋位開關、剎車開關、車載繼電器、DC-DC轉換模塊、點火開關、電源開關和電壓電流等信息顯示儀表等部件構成;而開關磁阻電機試驗系統(tǒng)由電機、電子油門、擋位開關、剎車開關、車載繼電器、DC-DC轉換模塊、點火開關、電源開關和電壓電流等信息顯示儀表等部件構成。

4 試驗項目

電動汽車試驗臺動力系統(tǒng)認識及演示 ?觀摩新能源汽車驅動系統(tǒng)結構與性能試驗臺，識別各部件，識別電機控制器與各部件各引線功能。

1）閉合電源總開關，打開點火開關到ON擋位置。

2）換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，電機開始運轉。

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）本設備無離合踏板，運轉過程中踏下剎車后換擋即可;但不能在前進擋行駛中沒有停止就換倒擋！

6）如果需要倒車，先將換擋操縱機構手柄打到空擋，待車輛停穩(wěn)后，再將換擋操縱機構手柄打到倒擋，完成倒車。

7）使用完畢后，關閉點火開關，斷開電源開關。

加速踏板位置傳感器檢測 ?本試驗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）。霍爾加速踏板位置傳感器輸出電壓的大小，取決于霍爾元件周圍的磁場強度。踩下加速踏板就改變了霍爾元件周圍的磁場強度，也就改變了傳感器的輸出電壓，再將電壓信號傳遞給電機控制器，電機控制器將根據(jù)加速踏板位置信號控制電機運轉。

1）電阻檢測。首先斷開電源總開關，點火開關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，點火開關ON位置，然后換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛電機開始運轉。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行：

①閉合電源總開關，點火開關ON位置;

②換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運轉;

③加速踏板傳感器故障開關向“0”方向按下時，設置故障;

④踏下電子油門，檢查故障現(xiàn)象（如電動機不運轉）;

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向“1”方向按下時，設置排除。

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。實驗中，首先觀摩新能源汽車驅動系統(tǒng)結構，識別DC-DC模塊部件安裝位置，然后依次打開電源開關和點火開關，用萬用表測試DC-DC模塊輸入電壓和輸出電壓。

電機霍爾傳感器檢測 ?在直流電機中，線圈和磁鋼的位置發(fā)生變化時，線圈必須對應地改變電流方向，這樣電機才能繼續(xù)向一個方向轉動，否則電機就會在某一個位置左右擺動，而不是連續(xù)旋轉。有的電機采用碳刷換向器以改變電流方向，而本試驗臺則采用霍爾傳感器，即無刷直流電機。由于采用了位置集成電路和電子開關替代傳統(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，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行：

①閉合電源總開關，點火開關ON位置;

②換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運轉;

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行：

①閉合電源總開關，點火開關ON位置;

②換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運轉;

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行：

①閉合電源總開關，點火開關ON位置;

②換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運轉;

③霍爾傳感器故障開關向“0”方向按下時，設置故障;

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向“1”方向按下時，設置排除。

制動開關檢測 ?制動開關是開關量信號，有高電位有效與低電位有效兩種狀態(tài)，其中高電位有效時提供DC電源，低電位有效時接地有效。車制動開關提供制動信號給電機控制器，電機控制器控制電機運轉或制動。

制動開關檢測過程為：

1）閉合電源總開關，點火開關ON位置;

2）換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運轉;

3）不踩下剎車踏板，萬用表檢測剎車開關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的端子與地線電壓值;

5）關閉點火開關，分別踩下、不踩下剎車踏板，萬用表檢測剎車開關的端子電阻值。

電機控制器檢測 ?控制器接收電機轉速等信號反饋到儀表，當發(fā)生制動或者加速行為時，控制器中變頻器頻率發(fā)生升降，從而達到加速或者減速的目的。此外，電機控制器還具有保護功能。保護功能是對控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動機在運行中因某種故障或誤操作而導致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時，電路根據(jù)反饋信號采取的保護措施。電動車基本的保護功能有制動斷電、欠壓保護、過流保護、過載保護、限速保護和堵轉保護等。直流永磁電機控制器接線圖如圖2所示。

電機控制器檢測按照下述操作進行：

1）閉合電源總開關點火開關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，換擋操縱機構手柄置于前進或者倒車擋，右腳輕踩電子加速踏板，車輛前輪開始運轉;

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。

電機的測試 ?本試驗利用HCN-101型扭矩傳感器（圖3）和HN-201型扭矩轉速功率儀（圖4）進行電機的力學特性方面的檢測，包括轉矩、轉速、效率、時間常數(shù)、堵轉電流等。

試驗步驟：

1）選擇準備測試的電機（臺架安裝：三型號電機）;

2）扭矩傳感器與準備測試的電機對接安裝;

3）點火開關ON，選擇擋位，踏下對應的電子油門運行電機;

4）觀察，記錄扭矩轉速功率儀顯示的電壓、電流、轉速、功率等的數(shù)值，并進行實際測定。

5 結論

該電機性能試驗臺由直流永磁電機、交流異步電機和開關磁阻電機及其運轉控制電路、器件構成，可以進行加速踏板位置傳感器檢測、電機霍爾傳感器檢測、電機控制器檢測和電機性能檢測等試驗項目，可用于本科生或研究生的汽車構造或電動汽車設計等相關課程的試驗教學。

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