基于LabVIEW的轮毂电机综合测试平台研制

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300131）

控制系统的可靠性和稳定性与电机性能的好坏有直接的关系。因此，在电机的生产运行和科研过程中需要对电机的性能参数等进行必要的测试以检验电机是否满足相关要求。轮毂电机集电动机、传动机构等机构于轮毂中，是一种独特的驱动单元，具有结构紧凑、节约能源、绿色环保、传动效率高等优点[1]。目前轮毂电机主要应用于电动汽车领域和电动自行车领域[2]。国外对轮毂电机进行过深入的专项研究的公司和研究所有很多，生产出大量的高性能电动汽车和电动自行车。在国内，近年来有关轮毂电机的研究越来越多，轮毂电机技术已经在电动自行车行业获得较成功的应用。在汽车领域，国家发改委、科技部近期大力推进轮毂电机在汽车行业[3]的应用。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合[4-5]的产物，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准开发平台，在电机性能测试系统中也得到了广泛的应用[6-7]。

本文研制了基于LabVIEW的轮毂电机测试平台，利用LabVIEW的多项式拟合子VI[8]实现曲线拟合，结合虚拟仪器技术，此测功平台的稳定性和可靠性得到进一步的提高。

1 平台的构建

该平台主要由电源、控制器、被测电机、扭矩传感器、磁粉制动器、相关电表构成，再利用CAN总线[9-10]实现各个单元实时通信，系统框图如图1所示。

图1 测功平台框Fig.1 Dynamometer diagram of the platform

系统运行时分自动和手动2种模式，可以按需求调节被测电机的负载，测出被测电机的相关参数，记录最高效率点、最大输出功率点、最大转矩点、堵转点的输入功率、输出功率及效率。

2 人机交互

虚拟仪器技术的发展，使现场在线测试困难程度得到极大降低，同时虚拟仪器技术还可以大大提高实验效率，从而提高实验进程。LabVIEW作为虚拟仪器技术中最常用的编程语言，其可视化的形式配合数据流的方式让其在该领域大放异彩。受环境因素影响，电机的性能指标的实际值并不能简单地用检测仪器检测出来，而LabVIEW的多项式拟合子VI可以很好地进行曲线拟合。本文利用Lab-VIEW实现人机交互界面及相关程序的编写。通讯方面利用CAN总线结构准确稳定快捷又能保证平台的简洁。基于LabVIEW开发的程序流程如图2所示。

图2 程序流程Fig.2 Program flow chart

3 测试与实际运行效果

将轮毂式直流无刷电机安装在本平台进行调试。被测电机的额定电压为36V，额定功率为250W。在该平台上对轮毂电机进行空载和负载试验。

3.1 空载实验

电机空载实验在电机测试中必不可少，对电机的启动性能、轴承、运转状态有很好的检测。表1所示为空载时部分电流和转速数据。图3所示为相应的LabVIEW实现的效果图。

表1 空载电流-转速数据Tab.1 No-load current-speed data

图3 空载模式Fig.3 No-load mode

3.2 负载试验

负载试验最能模拟真实环境中电机的运行状况，是测功平台最重要的一部分。负载试验的目的是要测取电机的工作特性曲线，考虑效率和其他相关因素是否合格，取得分析电机运行性能的必要数据。表2所示为负载试验时的部分数据。图4所示为LabVIEW实现的效果图。

表2 负载时部分数据Tab.2 Partial data for load

图4 负载模式Fig.4 Load mode

3.3 加载装置的测试

本平台用磁粉制动器进行加载，其响应速度快、线性度好、输出转矩恒定、过载保护强等特点使其广泛应用于快速工作状态和高频场合。表3所示为磁粉制动器的激磁电流和传递转矩数据。激磁电流和传递转矩之间的曲线图如图5所示。

表3 激磁电流与传递转矩数据Tab.3 Data of magnetizing current and transmission torque

图5 激磁电流-传递转矩关系Fig.5 Relationship of the magnetizing current and the transmission torque

由图5可以看出，在5%～100%的额定转矩范围内，激磁电流与传递转矩基本成正比例线性关系，只要改变激磁电流的大小，就可以在较大范围内控制转矩的大小。

3.4 电源测试

鉴于目前大多数动力电源都是锂电池或蓄电池等充电电池，因此本平台的电源测试部分选用一款36 V/10 A的充电锂电池为测试对象，以能耗仪的形式进行设计，其测试主要分为充电和放电2种模式。采集电池的总电压、总电流及温度存入数据库以供分析研究。电池的主要功能是储能和释放能量，所以电池对外做的功和输出能量直接相关。因此本设计对电池充放电的能量进行了计算，计算方法为

式中：u（t）、i（t）为 t时刻电池的充放电外电压和电流。最终测出最高和最低的电压电流数据与标称信息对比评估电池性能。

3.5 控制器测试

控制器的质量由其控制特性和可靠性2个方面决定。控制特性主要指电机运转的平稳性、调速特性和负载能力。一般情况，运转的平稳性除与电机机械和装配质量有一定的关系外，还与控制器、电机间的匹配及采用的控制技术有密切的关系。而控制器的可靠性与采用的元器件、电路设计、装配质量等因素有关，其中，尤以控制器所用的功率驱动管的负载能力最为重要。在电机运行时，控制器的驱动管处于大电流的开关运行过程，因此，从某种意义上讲，驱动器的带负载运行能力是控制器最重要的技术指标。实验中，调节磁粉制动器使其提供不同的负载并记录相关数据。此外，控制器的测试也包括对实验过程中温度的实时监测。

3.6 曲线的拟合

曲线拟合广泛地应用在数据采集处理中。充分利用LabVIEW及其子VI使曲线拟合方便而简洁。本平台中所有曲线都利用基于最小二乘法的多项式拟合子VI进行5次拟合，得到较好的效果。图6为表2中输出功率和转矩的关系曲线拟合效果图。

图6 拟合后的转矩-输出功率曲线Fig.6 Torque and power output torque curve after the fitting

其拟合多项式方程为

4 结语

应用虚拟仪器技术使该平台开发周期更短、使用效率更高、成本更低廉。与CAN总线的友好结合使其具有很强的可扩展性和可重用性，使用价值进一步增强。采用最小二乘原理的多项式拟合具有拟合不变性，对电机参数特性曲线进行拟合能够有效地反映电机的性能指标，满足电机性能测试需求。磁粉制动器的电流和转矩具有良好的线性关系，其传递或制动转矩仅受励磁电流控制，同时散热结构良好，整体结构紧密，增加了平台的可靠性和准确性，作为加载装置科学合理。利用LabVIEW和虚拟技术可以方便快捷地实现电源、控制器、电机的综合测试。

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