北汽EC180驱动电机教学仿真平台开发设计

王小龙 曹文继 杜伟

摘 要：在国家节能环保政策的引导下，传统汽车产业面临向新能源汽车领域转型升级，国内各大车企对新能源汽车人才需求旺盛。本文对驱动电机开展精细化反求设计，运用Handyscan和Solidworks软件联合搭建三维模型，联合Unity3D软件开发了北汽EC180驱动电机教学仿真平台，实现动态展示电机爆炸图、电机正反转和紧急制动停车功能。运用三维仿真技术呈现驱动电机系统构造、工作过程和工作原理，相较以文字、图片和工程图等元素讲授为主的传统教学模式，显著提高了教学水平和人才培养质量。

关键词：驱动电机 Handyscan Solidworks Unity3D 仿真平台

1 引言

在国家节能环保政策的引导下，燃油汽车排放法规日益严苛，传统汽车产业面临向新能源汽车领域转型升级的迫切要求，各大车企对新能源汽车人才需求旺盛[1]。国内一百多所高校开设了车辆工程新能源汽车方向课程，着力培养新能源汽车专业人才[2]。然而，国内各高校基本沿用传统的文字、图片和二维工程图等知识元素开展课堂教学，教学方法和教学模式陈旧，实验实训等硬件条件滞后，导致理论与实践脱节，学生不能彻底掌握专业知识，举一反三，深度思考，创新能力培养缺失，更不能满足新时代、新形势下汽车工业对新能源汽车高素质人才的需求[3]。基于此，本文建立了北汽EC180驱动电机教学仿真平台，在教学中引入仿真技术，学生可以自由的操作平台软件，主动参与到教学过程中，大幅提高教学效果和人才培养质量。

2 驱动电机联合建模

2.1 驱动电机参数测定

驱动电机参数测定分两大步，按工艺拆装驱动电机，较规整的结构采用游标卡尺、螺旋测微仪等工具测定。电机后端盖为多变曲面，应用Handyscan700扫描仪逆向反求。Handyscan700配套软件为VXelements，融入了全部的基本元素和工具，VXmodel是一款被集成到VXelements中用于后期处理的图形软件[4]。

启动计算机上的扫描仪随附的VXelements软件，创建新的会话框，为确保优秀的数据质量，温度变化，表面质量不佳都应及时校准。完成校准，进行配置选择，在准备测量的部件上添加标点，密切关注标点的密度，相对位置等。扫描定位标点，优化定位模型，扫描时，扫描部件选择距离适中，分辨率，优化表面，优化点，扫描完毕保存云点。所测定部分参数如表1所示。

2.2 驱动电机主要部件模型

应用上述数据，建立转子模型、电机前端盖模型、定子模型、电机外壳和接线盒等标准模型。电机前端盖的建模，比较规整，除拉伸切除外，主要应用镜像、阵列等菜单。电机后端盖建模使用扫描仪数据，该过程繁琐，经过修复、临摹工序完成[5]，以点云数据的形式导入Solidworks，如图1所示。

由于散热筛片的存在，电机外壳建模困难，未采用圆柱体切除方式，而通过筛片某一截面拉伸的方法得到模型，如图2所示。

2.3 驱动电机模型总装配

在Solidworks中选择新建装配体，导入电机外壳，默认为中心，固定模型，依次导入其它零件，确定配合关系。电机后端盖装配是总装配的难点，该模型由扫描仪得到，不便于装配中的约束操作，提前在零件工程中建立一个基准面，以该基准面为参考。螺栓与曲面约束，打开基准面，以基准面开始配合，建立正确的装配约束关系[6]，完成总装配，如图3所示。

3 驱动电机仿真开发设计

3.1 仿真功能简介

实现结构展示与运动仿真功能。结构展示实现：点击按钮，自动生成爆炸图，各个零件模塊具有延时展示功能，加入镜头旋转和驱动电机缩放功能，全视野观察电机构造。电机动态仿真实现前进、倒车和制动减速驻车，点击不同的按钮，实现不同的动态演示功能。具备一键退出功能。

3.2 仿真开发流程

使用Unity3D软件作为开发工具，可自由创建3D动画、3D视频游戏等，支持在Windows、IOS、Android等多种平台发布，脚本编程基于Mono技术，适应JavaScript、C# 或Boo语言[7]。

打开Unity3D，初始界面如图4所示，开发流程为：导入模型文件，材质镜头设置，导入动画插件，添加动画（即是爆炸图的延时生成过程），复制模型，添加透明脚本及参考物模型，设置UI按钮，编写UI脚本，绑定脚本，设置发布程序参数，发布程序[8]。

打开软件后的第一步是导入模型。在3dsmax中完成格式转换，模型另存为FBX格式。模型导入后，完成材质设定，模型更有质感，如图5所示，最后完成镜头设置。

Unity3D支持C#及JS两种语言，在下载Unity时，默认下载C#。编写脚本，选择“Assets”，点击“Create”，选择C#Script，出现了一个代码编写的文件，进行重命名，双击进入C#中编写，如图6所示。

3.3 程序流程图

待上一次程序指令结束后，系统自动复位，程序处于等待状态，点击选择不同的按钮执行不同的指令。加速按钮状态，电机加速旋转，进行循环反馈判断，达到最大转速后，系统执行最大转速。倒车按钮状态，电机反向转动，进行循环反馈判断，达到最大转速后，系统执行最大倒车转速，如图7所示。在减速制动模式下，程序执行循环运算，直至速度降至零，如图8所示。

3.4 程序发布

完成电机结构展示与运动仿真后，保存文件，点击Unity3D软件左上角的“File”，选择“Build settings”，弹出界面窗口，点击“Add Open Scenes”将当前场景添加到待生成的列表里，左下方的平台选择“PC， Mac&Linux Standalone”，点击“Build”按钮，输入选择发布程序的路径和名称，完成程序发布。双击应用程序，弹出新的界面，勾选“Windowed”，自动调整分辨率，点击“Play”进入应用程序。

4 驱动电机动态仿真

4.1 三维动态仿真软件平台界面

依照上述建模与仿真方法，建立北汽EC180三电系统仿真软件平台，驱动电机系统，动力电池系统和充电系统，如图9所示。

开发的仿真教学平台系统，可以全景接触驱动电机，视角效果如图10所示。

4.2 三维动态仿真

电机爆炸演示遵照电机装配工艺，沿虚拟转子轴线移动，各部件按设置时序顺次延迟两秒或者同时移动，移动的距离顺次减小，直至最后一个部件，如图11所示。

点击运动仿真，电机非运动部分可视化，保留转子部分，显示预先设定的参考物，弹出设定的D、R、刹车三个UI按钮。单击D按钮，电机开始旋转加速，达到最大值后保持最大转速旋转;单击刹车按钮，电机速度逐步减小至零;单击R按钮，电机开始反向旋转，达到最大值后保持最大转速运行，如图12所示。

5 结语

在欧美发达国家，美国依勒冈大学、麻省理工学院、西班牙大学和意大利帕瓦多大学在20世纪90年代就建立远程虚拟仿真实验室。2014年教育部公布首批一百个国家级仿真教学实验中心[9]，着力开发仿真软件。为满足新时代汽车整车及零部件企业对新能源汽车人才的需求，本文综合运用Handyscan、Solidworks和Unity3D软件开发了北汽EC180驱动电机教学仿真平台，实现了驱动电机系统、动力电池系统和充电系统模块有机融合，动态仿真展示电机构造、工作过程和工作原理，该平台具有可操作性和功能拓展性，平台开发符合国家建设仿真教学平台的战略要求，提高了人才培养质量和创新能力。

基金项目：四川省科技厅科研计划（2017KZ0075）资助项目，四川省教育厅科研计划（CDXW-2015001）资助项目

参考文献：

[1]臧杰.新能源汽车[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]侯军兴，文振华.基于仿真技术的汽车专业课程教学研究与实践[J]. 新课程研究旬刊，2015（7）：17-18.

[3]蒋芬，罗振华.仿真软件在汽车专业教学中的应用研究[J]. 科技创新导报，2013（35）：162-163.

[4]汤定国，李飞.计算机仿真平台在汽车实训教学中的应用[J].中国职业技术教育，2005（25）：39-39.

[5]彭永鹏，王振，崔利富，等.手持式三维激光扫描仪扫描方法优化[J]. 低温建筑技术，2016，38（2）：1-4.

[6]陈超祥，胡其登.Solid works零件与装配体教程[M].北京：机械工业出版社，2015.

[7]宣雨松. Unity3D游戏开发[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

[8]陈嘉栋. Unity 3D脚本编程：使用C#语言开发跨平台游戏[M]. 北京：电子工业出版社，2016.

[9]晁政，刘鸿宇，黄武，等.虛拟仿真教学的发展现状[J]. 电子世界，2014（19）：168-168.