1、轮毂式电动汽车电机动态性能测试试验杨朝阳 201311802010 机械设计及理论 2013 级研究生摘 要: 为轮毂电机驱动的电动汽车设计了一套动力总成试验台架的硬件及软件平台，利用该平台对轮毂电机驱动电动汽车的电机性能和整车控制策略进行了一系列典型试验 试验结果表明，该台架试验平台能够满足设计要求，为轮毂电机性能和整车控制策略的研究提供试验保证，为将来整车的研发工作奠定了实验基础。关键词:试验台架; 轮毂电机; 动态性能新能源汽车是当今汽车行业的研究热点和重要发展方向 其中，轮毂电机驱动的电动汽车极大地优化了传动系统结构，节省了车辆布置空间，使车身设计更为灵活多样，同时动态响应更为灵敏，具
2、有诸多传统汽车所不具备的优点，面向轮毂电机电动汽车设计台架，使用 PLC 作为上位机进行控制，实现了两个子台架的通信和联调，通过实验验证，其满足两轮驱动式轮毂电机电动汽车的试验要求，为轮毂电机实车的研发奠定了实验基础。1、轮毂电机试验台架设计1.1 试验台架功能为满足轮毂电机电动汽车动力系统研究的需要，所设计的试验台架必须具备以下功能: 1.可以实现驱动电机在速度控制模式以及转矩控制模式下的稳态实验; 2.对驱动电机在不同工况下进行性能测试与标定; 3.各驱动电机的联调和协同控制; 可以验证轮毂电机动力控制系统的控制策略和控制算法，验证控制算法，控制策略提出的合理性；4.对其进行合理的优化改进
3、，为整车控制优化提供合理的方案参考,保证整车控制方案的可行性与运行的稳定性。1.2 试验台架总体设计方案试验台架采用模块化的设计思想，将台架按功能划分为不同的模块模块化的功能台架具有较强的通用性，可以使测试对象实现台架的资源共享 整个试验台架分为以下 5 个模块:(1) 测功机系统 将磁粉制动器与张力控制器链接，通过联轴器与扭矩传感器链接，微电机制动提供制动力矩。( 2) 动力总成系统 将 10kW 电机及直流无刷电机控制系统，及 48V 的蓄电池组作为驱动电动轮的动力来源。( 3) 数据采集与控制系统基于 PLC 的数据采集模块，采集各部件的实时性能参数。(4) 能源管理系统 该系统由 48
4、V 的铅酸蓄电池组以及电池管理系统组成(5) 散热冷却系统 电机控制器采用风冷方式冷却，电机和测功电机也采用风冷方式冷却。蓄电池PLC 电机控制器磁粉制动器扭矩传感器轮毂电机电机控制器2.台架硬件结构及设计21 测功机系统测功系统由磁粉制动器，张力控制器及扭矩传感器三部分组成。2.1.1 磁粉制动器本实验台采用的是广州晟辉机电设备有限公司生产的磁粉式电磁刹车器，其主要用途是：保持、作业、制动、扭力限制等。本实验台根据电机实际扭矩输出，及制动效果，选择的是 PB-2.5 型号的制动器，能满足本实验所要求提供的最大制动力需要，满足实验要求！ 磁粉制动器相关试验参数磁粉制动器工作原理：1:磁粉制动器
5、是采用磁粉作介质，在通电情况下形成磁粉链来传递扭矩的新型传动元件，主要由内转子、外转子、激磁线圈及磁粉组成。2:当线圈不通电时，主动转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在主动转子的内壁上，磁粉与从动转子之间没有接触，主动转子空转。3:接通直流电源后产生电磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，把内转子、外转子联接起来，从而达到传递，制动扭矩的目的。磁粉制动器的特点1、可以轻松进行大范围的控制。2、可以达到连续滑动运转。3、可以得到安定的扭力。4、无鸣叫音。动作面的滞滑现象会发生于摩擦方式，但是在此不会出现，而且也不会发出连结音，所以运转相当安静。5、热容量很大。由于使用了耐热性优越的磁粉及
6、运用了理想的冷却方法，即使是过于严酷的连续滑动运转，也可以安心使用。6、可以达到平顺的连续及驱动状态。由于静摩擦系数和动摩擦系数几乎一样，所以完全连结时不会产生震荡，可以因应负载加减速度。2.1.2 张力控制器本实验台采用广州晟辉机电设备有限公司生产的张力控制器 KTC002，配合磁粉制动器一起使用，通过调节张力控制器的控制电流输出控制磁粉制动器的制动力输出，右图为实验采用的张力控制器 KTC002 外形图。图为 控制器相关参数图为 张力控制器相关安装参数张力控制器（Tension controller）是一种由单片机或者一些嵌入式器件及外围电路开发而成的系统，是一种控制仪表，它可以直接设定要
7、求控制的张力值，然后直接输入张力传感器的信号（一般为毫伏级别）作为张力反馈值，通过比较得出偏差后，输入到 PID等控制器进行处理，最好输出给外围执行机构去控制，最终达到偏差最小，系统响应最快的目的。工作原理：线圈静止型磁粉离合器和磁粉制动器是控制输入电流，达到改变输出转钜的自动化器件。当线圈不通电时，输入轴旋转，磁粉在离心力的作用下，压附于夹环内壁，输出轴与输入轴没有接触，此时，为空转状态。当线圈通电时，磁粉在磁力线作用下产生磁链，从而使输出轴与输入轴成为一刚体而旋转，并在超载时产生滑差，此时为工作状态。从而达到传递扭矩的目的。2.1.3 扭矩传感器本实验台采用的是山东博林传感器有限公司生产的
8、 FDN-20.N.M 动扭矩测速传感器,其相关参数如下表指标名称 参数规格量 程 0-20KN.m供电电源 24V DC扭矩信号 515Khz、420mA、15V(可选)转速量程01000、3000、6000、8000、15000转/分 (可选) 注：低于50转/分建议使用编码器测量转速。转速信号 60脉冲/转、420mA(可选)精度 0.1%、0.25%、0.5% (可选)年稳定性 0.3%/年绝缘电阻 200M（100VDC）环境温度 -2060相对湿度 090%RH过载能力 150%频率响应 100s安装方式 单键、双键、花键、法兰 (可选)传感器特点：既可以测量静止扭矩，也可以测量旋
9、转扭矩；检测精度高、稳定性好、抗干扰能力强；体积小、重量轻、易于安装；不需反复调零即可连续测量正反转扭矩；没有集流环等磨损件，可高转速长时间运行；应变弹性体强度大，可承受 150%载荷；既可水平安装，也可垂直安装；传感器部分可脱离二次仪表独立使用，直接与测量板卡，PLC 或 DCS 组成扭矩测量装置。传感器测试信号输出：转速信号、扭矩信号，输出均为 0-5V 的电压信号，便于 PLC 对其进行实时采集处理，根据转换系数可将其换算为实际的测量值，通过 PLC 实时采集信号输出，记录实时数据变化，能达到实时监测的目的。安装要求：1.测量传感器的轴径和中心高。2.使用两组联轴器，将带扭矩传感器安装在
10、动力源和负载之间。3.传感器可选用刚性或者弹性联轴器连接。震动较大、同心度小于 0.2mm 大于 0.05mm 时，建议选用弹性联轴器，安装同轴度超过 0.2mm 时，严禁使用。如果通过万向节连接，同心度可适当大些。 4.动力及负载设备必须固定可靠避免振动。5.将本扭矩信号传感器的基座与设备的基座固定可靠，避免产生弯矩。6.标准传感器无论采用水平或者垂直安装，传感器不允许承受过大的轴向力、弯矩，否则影响传感器的使用，甚至造成传感器的损坏。2.2 动力总成系统和能源管理系统试验台的动力总成系统和能源管理系统包括一台永磁无刷直流轮毂电机及一套铅酸电池组为电机驱动提供电力支持，及蓄电池电压监测系统。
11、2.2.1 永磁无刷直流轮毂电机永磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。基本原理：永磁无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的
12、启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等主电路是一个典型的电压型交-直- 交电路，逆变器提供等幅等频 5-26KHZ 调制波的对称交变矩形波。永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 120的 U、V 、W 方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生 T1-T4 导通、 T1-T6 导通、 T3-T6 导通、T3-T2 导通、 T5-T2 导通、T5-T4 导通，也就是说将直流母线电压依次加在
13、A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对 N-S 极，T1-T6 功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 60电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 60 电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W 按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进 60电角度，如此循环，永磁直流电机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为永磁直流电机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。2. 永磁无刷直流电机
14、的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，与他励直流电动机的电流-转矩特性一样。轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外传子电机，电机的最高转速在 1000-1500r/min，无减速装置，车轮
15、的转速与电机相同；而内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达 10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。轮毂电机的优缺点优点 1：省略大量传动部件，让车辆结构更简单。2：可实现多种复杂的驱动方式。3：便于采用多种新能源车技术。缺点 1：增大簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有所影响。2：电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能。与电动机集中动力驱动相比，轮毂电机技术具备很大的优势，它布局更为灵活，不需要复杂的机械传动系统，同时也有自己的显著不足，比如密封和起步
16、电流/扭矩间的平衡关系，以及转向时驱动轮的差速问题等等，如果能在工程上解决这些难题，轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。2.2.2 能量管理系统：本系统由四块额定电压为 12V 的铅酸蓄电池串联而成，为电机提供48V 的直流电压，驱动电机运转，以及实时监测电压电量的电源管理模块。2.3 数据采集与电机控制系统本实验台采用的是上海派芬公司的 TTC200 型号 PLC 作为信息采集及控制模块，以及永康久久科技生产的永磁无刷直流电机智能控制器，作为控制的执行元件，PLC 接收扭矩传感器传来的电机的转矩转速信号与设定的期望值进行比对，生成控制信号，将控制信号传给控制器，控制电机转速转
17、矩的输出，达到车辆稳定运行的目的。2.3.1 通用非公路控制-TTC200总体描述非公路工业所用设备需要工作于恶劣的环境下，TTC200 是一个功能强大的适用于这些设备的电子控制解决方案。HY-TTC200 符合 IEC61508 国际标准，单机版和带 TTP 总线的网络版分别满足 SIL2（安全完整性等级）和 SIL3 需求。它是完整而兼容的 TTC 产品家族的一员，坚固的外壳保护使它适用于非公路工业设备上。汽车工业主要依靠其设备的可靠性工作于极困难的条件下，TTC200 正是适应于该领域的一款汽车多用途电子解决方案。TTC200 符合 IEC 61508 国际标准进行设计。具有 TTP的单
18、机版本和网络版本分别达到 SIL2（安全完整性水平）和 SIL3 的要求。TTC200 使用坚固耐用的外壳加以保护以适应汽车工业的应用要求。特性下述所有 I/O 和其他接口电路均有接地和正极短路保护功能。 32 位飞思卡尔 MPC555 处理器，40MHz，448kB 的内部 Flash，26kB 的内部 RAM，512kB 的外部 RAM（可选 1MB 的外部 RAM） ，2MB 的外部 Flash 16kb 的 EEPROM 飞思卡尔 HC908 看门狗及监控软件。 1 路带冗余通道的 TTP 总线， RS-485 物理底层（高达 5Mb/s） ，奥地利微电子AS8202NF型 TTP 通
19、信控制器（可选） 1 路 RS-232 接口和 1 路 LIN 接口 2 路 CAN 接口，波特率 125kb/s 到 1Mb/s 8 路 AI（05V 或 420mA/10 位） ，可由软件进行配置 12 路 AI/ DI（010V/10 位） 8 路 DI（10Hz10kHz 的定时器） 5 路 DI 8 路 2.35A 的 DO/ PWM（高电平） ，带电流检测、开路检测，可配置为 DI（定时器） 4 路 4A 的 DO/ PWM（高电平） ，带开路检测，可配置为 DI（定时器） 16 路 4A 的 DO（高电平） ，带开路检测，可配置为 DI 3 路 15A 的 DO（高电平） ，带开
20、路检测（1 路带雨刷器可选） ，可配置为 DI（定时器） 3 路 DO（高电平） ，为安全应用的外部继电器切断输出（无声故障） 2 路 AO，0.2Vbat0.8Vbat 内部：电路板温度监控、传感器供电、蓄电池监控 1 路 10.5V 的传感器电源 2 路 5V 的传感器电源 安全：分布式和独立式系统模块化安全概念 编程环境：C/C+，CoDeSys2.3（支持 CANopen） ，MATLAB/ Simulink2.3.2 永磁无刷直流电机智能控制器新型大功率永磁无刷电机驱动 器，可应用于清洁车辆、货运三轮车、旅游观光车、高尔夫球车或其他电动工具的速度控制,它具有以下功能特点：1.方波电压
21、 PWM 调制方式，1016KHz 载波频率。2.采用独特的驱动电路。3.采用高性能 MOS 管,提高控制器的可靠性。4.无级变速和反转识别功能。5.具有过热保护功能，使控制器在过载运行时可以有效得到保护。6.过流保护功能。7.适用电机类型：三相有位置传感器（60或 120）的永磁无刷电机（BLDC） 。主要技术指标及产品功能（1）绝缘电阻：各端子对外壳100M。（2）电机转速要求：5002000r/min(依电机参数定) 。( 3 ) 环境温度：-10 45。（4）过载能力：额定电流的 2 倍（1S） 。（5）输入电压：2072VDC。（6）保护功能：欠压保护：39V1V（48V） ；48V
22、1V （60V ） 。过温保护：控制器壳内底板最高温度75关断或电流减少。堵转保护：最大电流持续 1S 保护，或根据用户要求设定。（7）转把调速控制信号电压范围：1.24.2V。（8）速度信号输出：脉冲信号或电压信号(可选) 。（9）防飞车功能。（10）软启动功能（启动平稳） 。（11）启动噪音小。（12）可供用户选择的功能：高、低电平刹车、正反转功能（前进-空档- 后退） 、柔性制动、运行或故障信息的指示和报警等。3.基于实验平台的电机动态性能测试实验3.1 油门踏板控制特性试验测试实车安装的电动油门踏板，其构造为直线霍尔元件，在固定磁场中，变化，通过噶宁磁通的变化，改变输出的控制电压。实验测试设备：可调式直流稳压电源、加速踏板，PLC， 。试验中通过可变电源给加速踏板提供一个 5V 的直流电压，接到加速踏板的黄线跟黑线上，将蓝线与PLC 的 0-5V 模拟量输入借口链接，改变加速踏板的行程，通过 PLC 采集加速踏板的输出电压值，根据数据输出，绘制加速踏板的开和角度与输出控制电压的联合曲线。实验数据如下：
