純電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)性能測(cè)試與再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)性能測(cè)試與再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

0電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)考慮到污染和能源危機(jī)兩個(gè)問題，電動(dòng)汽車的清潔環(huán)保優(yōu)勢(shì)和多樣化的能量來源易于實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)汽車一般使用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)的方式有中置電機(jī)驅(qū)動(dòng)、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)等,根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的分配又可分為前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)等電機(jī)的性能對(duì)電動(dòng)汽車來說至關(guān)重要,電機(jī)的各種特性曲線是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)者進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的依據(jù)另一方面,電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程較短,無法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比,是電動(dòng)汽車在研究和開發(fā)過程中需要解決的關(guān)鍵問題本研究應(yīng)用虛擬儀器技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架。1試驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車用輪轂電機(jī)試驗(yàn)臺(tái),它由試驗(yàn)臺(tái)架和測(cè)控系統(tǒng)組成,可應(yīng)用于電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)的測(cè)試,模擬汽車起動(dòng)或者停止時(shí)所具有的慣性;能夠測(cè)試出電機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、電流、電壓這4個(gè)參數(shù)用于涉及電機(jī)的各種特性曲線的繪制;提供的信號(hào)均為0~10V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),適合于連接各類工控設(shè)備以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試,同時(shí),試驗(yàn)臺(tái)也提供了調(diào)節(jié)旋鈕以及電壓表、電流表等顯示設(shè)備,也可以以手動(dòng)的方式進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)架組成如圖1所示,臺(tái)架側(cè)視圖如圖2所示,試驗(yàn)臺(tái)架由安裝基體、滾筒A、滾筒B、飛輪、磁粉制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、角速度傳感器、測(cè)控系統(tǒng)以及一系列連接傳動(dòng)元件等組成。其中轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測(cè)由磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,以用于計(jì)算電機(jī)的輸出扭矩;角速度傳感器用于檢測(cè)飛輪的轉(zhuǎn)速,用于計(jì)算對(duì)應(yīng)的角加(減)速度;磁粉制動(dòng)器用于產(chǎn)生制動(dòng)力阻礙轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),模擬車輛機(jī)械制動(dòng)器的作用;滾筒用于接收來自車輪的驅(qū)動(dòng)力或阻力,并承受車輪壓緊的力量;飛輪用于模擬行駛慣性。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu),本研究根據(jù)虛擬儀器的硬件組成方案及特點(diǎn),確定測(cè)控系統(tǒng)采用的硬件模塊,構(gòu)建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)。測(cè)控系統(tǒng)采用基于PCI總線(數(shù)據(jù)采集卡)和串口總線的硬件結(jié)構(gòu),選取美國NI公司生產(chǎn)的NI-PXI-1042Q主機(jī)(上位機(jī))加PCI數(shù)據(jù)采集卡的方式來構(gòu)建虛擬儀器在測(cè)試電機(jī)性能時(shí),測(cè)控系統(tǒng)控制“能量回收控制模塊”將“電源系統(tǒng)”的電流輸送給“直流無刷輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器”,輪轂電機(jī)運(yùn)行,測(cè)控系統(tǒng)可采集到轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、電流、電壓等信號(hào),獲得各種特性曲線,如“在某一電壓下的轉(zhuǎn)速-扭矩特性”、“在某一電壓下的轉(zhuǎn)速-電流特性”、“在不同工況下的效率變化”、“過載能力”等等。不同的場(chǎng)合需要不同的特性。在進(jìn)行電機(jī)再生制動(dòng)試驗(yàn)時(shí),測(cè)控系統(tǒng)切換電流方向,本研究將輪轂電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流通過“能量回收控制模塊”輸送給“電流系統(tǒng)”,同時(shí)根據(jù)電機(jī)再生制動(dòng)控制策略的要求調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器與電機(jī)再生制動(dòng)之間的關(guān)系,使之達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)。測(cè)控系統(tǒng)可同時(shí)采集到各個(gè)所需數(shù)據(jù),用于驗(yàn)證控制策略的優(yōu)劣。2測(cè)量數(shù)據(jù)處理2.1電機(jī)輸出k個(gè)周期脈沖的特性在試驗(yàn)臺(tái)中,被測(cè)試的輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過電機(jī)的霍爾信號(hào)檢測(cè)出來,假設(shè)被測(cè)試的輪轂電機(jī)內(nèi)貼的磁鋼片數(shù)量為K,則電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈霍爾信號(hào)線將輸出K個(gè)周期的脈沖。因此,研究者通過檢測(cè)霍爾信號(hào)的周期c便可獲得電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,公式如下:式中:f—霍爾信號(hào)的頻率。2.2電機(jī)輸出扭矩的估計(jì)在試驗(yàn)臺(tái)中,被測(cè)試的輪轂電機(jī)產(chǎn)生的扭矩M(1)車輪的旋轉(zhuǎn)需要扭矩的支持,以M(2)兩個(gè)滾筒(形狀、質(zhì)量一樣)的旋轉(zhuǎn)需要扭矩的支持,以M(3)飛輪的旋轉(zhuǎn)需要扭矩的支持,以M(4)磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生了阻力,需要扭矩以抵消,以M也就是說,輪轂電機(jī)產(chǎn)生的扭矩可以用以上4項(xiàng)扭矩的求和來表示:在4項(xiàng)扭矩中:M式中:I然而,三者的角加速度(α車輪的角加速度α式中:α式中:因?yàn)檐囕唹壕o滾筒,可忽略兩者之間的打滑,有:由式(7)與式(8)可以得到下式:同理有:式中:R綜上所述,電機(jī)的輸出扭矩可以由下式求出:2.3分壓電路檢測(cè)輪轂電機(jī)為直流電源供電,其電壓的測(cè)量原理比較簡(jiǎn)單,如圖4(a)所示。圖中的分壓電路可將測(cè)量的電壓降低至可檢測(cè)范圍0~10V,再傳送至數(shù)據(jù)采集卡。電動(dòng)汽車用的輪轂電機(jī)電壓范圍很大,從48V~200V不等。容易得出,待求電壓V對(duì)于不同的輪轂電機(jī)電源,在電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下,本研究使用萬用表測(cè)出其靜態(tài)電壓V調(diào)好R式中:V2.4圖1b所示輪轂電機(jī)的供電電流通過霍爾式電流傳感器測(cè)量獲得,如圖4(b)所示。傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)量的電流大小呈線性關(guān)系,其量程為100A,對(duì)應(yīng)輸出50mA,通過1kΩ電阻R2.5電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)再生制動(dòng)電池組驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī),通過車輪和摩擦輪的轉(zhuǎn)矩傳遞帶動(dòng)飛輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)本研究切斷電源,讓飛輪通過車輪帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),能量回收電路導(dǎo)通。試驗(yàn)中的控制信號(hào)由虛擬儀器主機(jī)通過數(shù)據(jù)卡發(fā)出。電機(jī)控制器和能量回收控制模塊接收到控制信號(hào)后,本研究根據(jù)制定的控制策略對(duì)再生制動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的控制,采集飛輪轉(zhuǎn)速、儲(chǔ)能裝置端電壓和充電電流等,用于驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)和控制策略的合理性。本研究測(cè)量饋電試驗(yàn)開始前飛輪的角速度ω式中:J—飛輪慣量。饋電效率計(jì)算如下式:式中:W3電機(jī)再生制動(dòng)試驗(yàn)綜合以上設(shè)計(jì)思路,本研究編制了LabVIEW軟件程序,由于篇幅所限,不予贅述,軟件界面如圖5所示。為驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的性能和電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)的工作特性,本研究進(jìn)行了永磁直流無刷輪轂電機(jī)再生制動(dòng)試驗(yàn)(僅有再生制動(dòng)力,無機(jī)械制動(dòng)力)。首先電池組驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),達(dá)到某轉(zhuǎn)速(舉例試驗(yàn)n=110r/min)的同時(shí)帶動(dòng)滾筒和飛輪旋轉(zhuǎn);切斷電源,使整個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置依靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。測(cè)控系統(tǒng)切換到能量回收狀態(tài),采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、反饋電流、制動(dòng)力矩等參數(shù),得到的曲線如圖6所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可以看出,試驗(yàn)臺(tái)方案切實(shí)可行,能夠獲取較好的數(shù)據(jù)用于后續(xù)對(duì)控制策略的分析。4基于虛擬儀器的液壓試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證該試驗(yàn)臺(tái)將電機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)、電機(jī)再生制動(dòng)試驗(yàn)合二為一,本研究采用“虛擬儀器+LabVIEW”的方式,設(shè)計(jì)開發(fā)了輪轂電機(jī)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境,提高了硬件集成度和性能,簡(jiǎn)化了電路,有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本研究通過試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行,驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)及其測(cè)控系統(tǒng)控制方式的可行性,說明了利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)輪轂電機(jī)測(cè)試試