一種新能源汽車電機綜合性能測試系統

李 勝，路國衛，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

為解決新能源汽車電機研發生產過程中電機品質性能的品控問題，明確研發改進的方向，本文設計一套新能源汽車電機綜合性能測試系統，可在電機研發生產過程中對電機定轉子的性能進行測試，在電機裝配成品前對電機定轉子性能品質進行判斷，提前找到產品的研制改良方向。開發的測試系統根據相關國家標準及行業標準設計，對被測電機可實現精準測量、記錄各項測試數據，在PC端實時顯示并完成數據處理，生成報表及各種曲線，全面分析電機及控制器的特性及效能。該系統以精度高、重復性好、運行穩定性強、并行效率高、使用壽命長、工作簡便為目標，能對新能源汽車電機進行空載特性、負載特性試驗。

2 測試系統的總體設計

該系統分機械測試臺架部分、電氣測控部分以及軟件測控部分三大模塊進行設計。為實現系統的數字化、智能化等特點，對系統中的三大模塊需做出具體要求。其中機械臺架部分需滿足測試產品上下線的快捷性，在測試過程中需滿足測試的穩定性，其中對測試產品的快速裝夾，測試過程中的臺架振動、散熱需求及物理防護等問題都要在設計過程中解決；電氣控制模塊需精度高、靈敏度好、控制穩定，在測試過程中能保障系統的長久可靠運行，在緊急情況能一鍵制動保障人員及設備的安全。軟件模塊可自由設定測試模式、測試條件，并能以報表、圖形、曲線等形式實時顯示并分析測試數據，測試結果需實時存儲，避免系統斷電導致測試結果丟失。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

3 測試系統機械臺架設計

根據測試系統目標要求進行機械臺架設計。設計的臺架需具備穩定性好、振動小、安全防護高、操作便捷等特性。首先，為解決臺架的穩定性和振動等問題，應在設計中盡量將設備的整體重心做低，臺架質量可適當加大。在設計中，通過有限元分析，計算出臺架的各階振動點，使系統的工作狀態涉及到的速度區間盡量避開各階振動點。其次，測試產品的快速裝夾拆卸能力，是臺架設計中的一個重點，對各類型的電機應分別考慮其最優且可靠的裝夾方式。本文根據新能源汽車電機定轉子的結構特點進行快速裝夾設計，經過以上考慮和分析，測試系統機械臺架如圖2所示。

圖2 系統機械臺架結構圖

其中負載伺服電機、高精度轉速轉矩傳感器與被測電機通過工裝夾具固定在測試平臺上，通過聯軸器將其互相連接，搭建出一個可靠穩定的測試臺架。

3.1 電機快速裝夾的設計

為減輕測試人員的操作強度，測試產品上下線的便捷性是衡量系統臺架設計部分優劣的一大重要指標。電機在組裝成品前無機殼的情況下要完成快速裝夾測試，本系統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計了一套組合夾具。其結構如圖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。定子固定工裝內加工有一專用銅套，用以固定測試電機定子，銅套兩側有定位鍵，聯合頂部的螺旋固定機構將測試電機定子牢固可靠地固定在定子固定工裝內；測試電機轉子固定在前端軸承座和前機蓋伸出的定制軸上，滑動定子固定工裝和后端蓋到測試位置，將兩側的手柄螺栓緊固，裝夾結束。

圖3 快速裝夾組合夾具

3.2 電機測試散熱系統的設計

在設備運行過程中，電機產生的熱量超過一定程度會影響測試結果，甚至損壞設備，因此需對設備的散熱系統進行評估判定。在定子固定工裝側邊貼上熱電偶，通過溫度采集儀顯示測試電機實時溫度，經過上位機分析處理，在達到一定溫度后系統自動開啟冷風機。機械部分中對電機快速裝夾組合夾具進行了通風管道的設計，系統外部冷風機通風軟管接入后端蓋中預留的軟管接入孔，風從后端蓋流過定子工裝經過前端蓋設計的缺口中流出，從而達到電機降溫的效果。通風管道設計如圖4所示。

圖4 通風管道設計結構圖

3.3 任意角度堵轉的設計

在堵轉測試中，為解決堵轉角度固定、單一問題，本系統引進氣動三爪卡盤，可配合角度編碼器共同使用。在測試過程中，通過系統控制，可在任意角度進行機械堵轉，從而得到更準確的堵轉性能數據。

4 測試系統電氣控制設計

該系統設計了3個機柜用以完成測控功能，變頻柜中設計了濾波模塊、整流模塊、電機驅動模塊、制動單元等；信息采集柜用以放置系統測試中涉及到的儀器儀表，實現被測電機采集、轉速轉矩采集、NI機箱采集控制等；操作臺放置工控機、電腦、PLC回路，對整個系統進行操作控制，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，實時顯示測試結果。系統設備布局圖如圖5所示，圖6為操作柜的控制顯示面板。

圖5 系統布局圖

圖6 操作柜控制面板

系統采用PLC集中控制處理，可對負載快速控制；能夠通過PLC轉換變頻器工作模式，四象限運行，驅動、加載可逆，恒轉或恒扭控制任意切換；轉速轉矩通過PLC高速計數通道測試，經過中斷信號同步采集扭矩轉速信號，可以減少功率計算時的測量誤差；同時PLC對設備電器運行監控，出現故障設備或超速、超扭時，限制設備運行，停機并發出聲光報警。系統PLC回路如圖7所示。

圖7 PLC回路

5 測試系統軟件設計

在工業測量控制系統開發中，LabVIEW程序開發具有非常大的優勢，該系統程序使用NI公司的LabVIEW語言編寫，實現系統的測試測量、控制及仿真分析。開發的軟件由系統管理、參數控制、數據采集、數據加工四大功能組成，系統軟件功能如圖8所示。

圖8 軟件功能圖

系統管理模塊可在軟件設置界面完成測量參數的名稱、單位等參數的設置工作，并可對外部設備進行管理。參數控制可完成測試過程的控制以及測量參數的控制，并可進行測試過程中報警參數設置。自動測試軟件設置界面如圖9所示。

圖9 自動測試參數設置界面

系統通過數據加工模塊將各個獨立測量的數據結合起來，通過軟件設計的數據分析功能，實時顯示試驗結果。數據顯示有多種可選方式，數字顯示、實時曲線、歷史曲線分別體現被試產品不同狀態下的變化情況。再由數據記錄功能將試驗測量值記錄在設定好的數據庫中。軟件測試界面如圖10所示。

圖10 軟件測試界面

通過機械臺架設計、測控系統電氣設計及軟件設計，完成了本次系統的設計工作。

6 結語

通過對新能源汽車電機結構特點的分析，根據相關國家標準及行業標準設計的新能源汽車電機綜合性能測試系統，能夠在電機研制過程中提前檢測出電機定轉子的性能品質，使電機研發生產過程變得可靠可控，并實現了測試平臺的數字化、智能化，測試操作簡單，測試結果可靠，完成了既定目標。該系統的成功研制，對新能源汽車電機設計要求、品質的優劣提供了理論依據，使產品的研發生產有了改進的目標和方向。