电动汽车电机控制及测试实验设计

王国元 刘尊民

摘  要 介绍一种电动汽车电机控制及测试试验台，由直流永磁电机、交流异步电机和开关磁阻电机及其运转控制电路、器件构成。使用该试验台可以进行加速踏板位置传感器检测、电机霍尔传感器检测、电机控制器检测等试验项目，可用于本科生或研究生的汽车构造或电动汽车设计等相关课程的试验教学。

关键词 电动汽车;电机控制;电机性能试验台

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：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

電动汽车作为节能环保的新产品，其研究和开发得到重视，成为当前汽车产业未来发展的方向。同时，电动汽车的大力发展可以缩小我国汽车工业与发达国家汽车工业之间的差距，并可带动我国汽车相关产业与技术的发展。作为电动汽车的核心部件之一，驱动电机及其控制系统性能的优劣直接决定了整车的性能[1-2]。在电动汽车设计课程本科教学中，开发基础性的电机性能实验具有重要意义。本文在总结电动汽车常用电机的种类及其特点的基础上，介绍一种电动汽车电机性能试验台及其试验方法。

2 电动汽车常用电机的类型及其特点

新能源汽车的驱动电机主要包括交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。大多数新能源汽车电机采用永磁同步电机，一部分汽车公司采用交流异步电机驱动系统，而开关磁阻电机在电动汽车上应用较少[3]。

交流异步电机结构简单，坚固耐用，电机本身运行可靠，转速极限高，不需要位置传感器，且成本低，是目前大功率电动汽车上应用最广的电机;但是驱动、控制系统很复杂，效率和功率密度偏低，在高速运转的情况下电机的转子发热严重，不是能效最优化的选择[4]。

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，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[5]。

作为一种新型电机，开关磁阻电机的结构最为简单，定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，转子上没有绕组，定子装有简单的集中绕组，具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。而且它具有直流调速系统，可控性好，同时适用于恶劣环境，作为电动汽车的驱动电机使用，具有较大发展潜力。目前影响其应用的主要因素有：开关磁阻电机有转矩波动大、需要位置检测器、系统非线性等特性;磁场为跳跃性旋转，控制系统复杂，对直流电源会产生很大的脉冲电流;开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动;噪声较大也是开关磁阻电动机重要的缺点[6-10]。

3 电动汽车电机性能试验台的结构设计

该试验台将直流永磁电机、交流异步电机和开关磁阻电机整合在一个试验台上，电路连接示意图如图1所示。直流永磁电机试验系统由直流永磁电机、霍尔传感器、电子油门、挡位开关、刹车开关、DC-DC转换模块（产生12 V电压）、点火开关、电源开关和电压电流等信息显示仪表等部件构成。交流电机试验系统由三相电机、电机编码器、电机温度传感器、电子油门、挡位开关、刹车开关、车载继电器、DC-DC转换模块、点火开关、电源开关和电压电流等信息显示仪表等部件构成;而开关磁阻电机试验系统由电机、电子油门、挡位开关、刹车开关、车载继电器、DC-DC转换模块、点火开关、电源开关和电压电流等信息显示仪表等部件构成。

4 试验项目

电动汽车试验台动力系统认识及演示  观摩新能源汽车驱动系统结构与性能试验台，识别各部件，识别电机控制器与各部件各引线功能。

1）闭合电源总开关，打开点火开关到ON挡位置。

2）换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，电机开始运转。

3）如果需要制动，右脚踩制动踏板，完成制动。

4）如果需要加速，右脚均匀用力，逐渐踩下电子加速踏板，电机开始加速;如果保持匀速行驶，电子加速踏板保持在某一开度即可。

5）本设备无离合踏板，运转过程中踏下刹车后换挡即可;但不能在前进挡行驶中没有停止就换倒挡！

6）如果需要倒车，先将换挡操纵机构手柄打到空挡，待车辆停稳后，再将换挡操纵机构手柄打到倒挡，完成倒车。

7）使用完毕后，关闭点火开关，断开电源开关。

加速踏板位置传感器检测  本试验台使用霍尔加速踏板位置传感器，安装在加速踏板上。传感器有三根引线，分别是电源线（+5 V）、地线和信号线（线形连续变化信号）。霍尔加速踏板位置传感器输出电压的大小，取决于霍尔元件周围的磁场强度。踩下加速踏板就改变了霍尔元件周围的磁场强度，也就改变了传感器的输出电压，再将电压信号传递给电机控制器，电机控制器将根据加速踏板位置信号控制电机运转。

1）电阻检测。首先断开电源总开关，点火开关OFF位

置;然后不踩下加速踏板，万用表检测加速踏板传感器的信号端子与地线阻值;踩下加速踏板，万用表检测加速踏板传感器的信号端子与地线阻值。

2）电压检测。首先闭合电源总开关，点火开关ON位置，然后换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆电机开始运转。接着不踩下加速踏板，万用表检测加速踏板传感器的信号端子与地线电压值;或者踩下加速踏板，万用表检测加速踏板传感器的信号端子与地线电压值。再用万用表检测加速踏板传感器的电源端子与地线电压值。

3）故障模拟。故障模拟按照下列顺序进行：

①闭合电源总开关，点火开关ON位置;

②换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆前轮开始运转;

③加速踏板传感器故障开关向“0”方向按下时，设置故障;

④踏下电子油门，检查故障现象（如电动机不运转）;

⑤万用表检测面板端子，检测线路与信号，查找原因;

⑥加速踏板传感器故障开关向“1”方向按下时，设置排除。

DC-DC模块检测  车辆用蓄电池组电压都较高，如48 V、

72 V、80 V等。车辆上一些小型用电器（如灯光、仪表喇叭、蜂鸣器）电源电压都较低，普遍为12 V（也有用24 V），不能从牵引蓄电池组主电源直接引用，电动车辆隔离转换器（俗称DC-DC）是最佳的方案选择，它可以将较高的电瓶电压降为稳定的直流低压输出。实验中，首先观摩新能源汽车驱动系统结构，识别DC-DC模块部件安装位置，然后依次打开电源开关和点火开关，用万用表测试DC-DC模块输入电压和输出电压。

电机霍尔传感器检测  在直流电机中，线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应地改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向转动，否则电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转。有的电机采用碳刷换向器以改变电流方向，而本试验台则采用霍尔传感器，即无刷直流电机。由于采用了位置集成电路和电子开关替代传统的电刷和换向器，因此不存在由于碳堆积产生的功率损耗或者电气噪声。同时，电子换向在数字指令的交互过程中也更具有灵活性。

1）电压检测。电压检测按照下述操作进行：

①闭合电源总开关，点火开关ON位置;

②换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆前轮开始运转;

③不踩下加速踏板，万用表检測霍尔传感器的信号端子与地线电压值;

④踩下加速踏板，万用表检测霍尔传感器的信号端子与地线电压值;

⑤万用表检测霍尔传感器的电源端子与地线电压值;

⑥对照面板检测控制器端子与地线电压值。

2）波形测试。波形测试按照下述操作进行：

①闭合电源总开关，点火开关ON位置;

②换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆前轮开始运转;

③慢慢踩下加速踏板，示波器检测霍尔传感器ABC的信号端子波形且记录。

3）故障模拟。故障模拟按照下述操作进行：

①闭合电源总开关，点火开关ON位置;

②换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆前轮开始运转;

③霍尔传感器故障开关向“0”方向按下时，设置故障;

④踏下电子油门，检查故障现象;

⑤万用表检测面板端子，检测线路与信号，查找原因;

⑥霍尔传感器故障开关向“1”方向按下时，设置排除。

制动开关检测  制动开关是开关量信号，有高电位有效与低电位有效两种状态，其中高电位有效时提供DC电源，低电位有效时接地有效。车制动开关提供制动信号给电机控制器，电机控制器控制电机运转或制动。

制动开关检测过程为：

1）闭合电源总开关，点火开关ON位置;

2）换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆前轮开始运转;

3）不踩下刹车踏板，万用表检测刹车开关的端子与地线电压值;

4）踩下刹车踏板，万用表检测刹车开关的端子与地线电压值;

5）关闭点火开关，分别踩下、不踩下刹车踏板，万用表检测刹车开关的端子电阻值。

电机控制器检测  控制器接收电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，控制器中变频器频率发生升降，从而达到加速或者减速的目的。此外，电机控制器还具有保护功能。保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电，以及电动机在运行中因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时，电路根据反馈信号采取的保护措施。电动车基本的保护功能有制动断电、欠压保护、过流保护、过载保护、限速保护和堵转保护等。直流永磁电机控制器接线图如图2所示。

电机控制器检测按照下述操作进行：

1）闭合电源总开关点火开关ON，万用表检测控制器的电源端子与地线电压值;

2）参照面板原理图，万用表检测控制器的开关量端子与地线电压值、电阻值;

3）参照面板原理图，万用表检测控制器的各传感器信号端子与地线电压值;

4）松开手刹，换挡操纵机构手柄置于前进或者倒车挡，右脚轻踩电子加速踏板，车辆前轮开始运转;

5）慢慢踩下加速踏板，示波器检测控制器输出UVW端子波形且记录;

6）慢慢踩下加速踏板，示波器检测控制器输入传感器（霍尔ABC与电子油门传感器）信号端子波形且记录。

电机的测试  本试验利用HCN-101型扭矩传感器（图3）和HN-201型扭矩转速功率仪（图4）进行电机的力学特性方面的检测，包括转矩、转速、效率、时间常数、堵转电流等。

试验步骤：

1）选择准备测试的电机（台架安装：三型号电机）;

2）扭矩传感器与准备测试的电机对接安装;

3）点火开关ON，选择挡位，踏下对应的电子油门运行电机;

4）观察，记录扭矩转速功率仪显示的电压、电流、转速、功率等的数值，并进行实际测定。

5 结论

该电机性能试验台由直流永磁电机、交流异步电机和开关磁阻电机及其运转控制电路、器件构成，可以进行加速踏板位置传感器检测、电机霍尔传感器检测、电机控制器检测和电机性能检测等试验项目，可用于本科生或研究生的汽车构造或电动汽车设计等相关课程的试验教学。

参考文献

[1]Ehsani M， Gao Yimin， Emadi A.Modern Electric， Hy-brid Electric， and Fuel Cell Vehicles： Fundamentals， Theory， and Design， Second Edition[M].Florida： CRC Press，2009.

[2]陳全世，朱家琏，田光宇.先进电动汽车技术[M].2版.北京：化学工业出版社，2013.

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[4]马强.电机及现代控制技术[M].北京：中国原子能出版社，2018：121-130.

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[6]程鹤.电动车开关磁阻电机驱动系统研究[M].江苏：中国矿业大学出版社，2017：9-10.

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