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HUNANHUNAN UNIVERSITYUNIVERSITY 毕 业 论 文 论文题目论文题目 新能源汽车电驱动系统 测试平台研制 学生姓名 王文博 学生学号 201504061004 专业班级 车辆工程 1503 班 学院名称 机械与运载工程学院 指导老师 卿宏军 学院院长 丁荣军 201 年 月 日 湖南大学毕业设计(论文) 第 I 页 湖湖 南南 大大 学学 毕业论文毕业论文原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在老师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学生签名： 日期：201 年 月 日 毕业毕业论文版权使用授权书论文版权使用授权书 本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大 学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本论文。 本论文属于 1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“”） 学 生 签 名: 日期：201 年 月 日 指导教师签名： 日期：201 年 月 日 湖南大学毕业设计(论文) 第 II 页 新能源汽车电驱动系统测试平台研制 摘 要 测试平台主要指底盘测功机，其原理可简单概括为用底盘测功机模拟路面行驶工况， 对汽车动力性、制动性能、燃油经济性等性能进行检测的转鼓试验台架。试验台一般安 装在地下，需通过将车辆驶上转鼓，对中固定等步骤完成测试准备，相对于通常的道路 动力性能检测试验，转鼓试验台在精度、速度、可靠性等方面都有一定优势，且成本较 低。 本论文主要针对 4 吨以下新能源汽车的检测，设计方案为 48 英寸单鼓电机中置式 交流电力底盘测功机。本次课题介绍了试验台架的工作原理，建立了测试平台的三维立 体模型，对转鼓、基座、对中机构和换向机构等主体部件进行了设计。并对交流电机和 变频器等电气电子设备进行了选型。 最后， 通过 LabVIEW 对试验台架软件控制系统进行 了编程设计，达到了整车室内检测动力性的目的。 关键词：底盘测功机；LabVIEW；电控系统；动力性；交流电机 湖南大学毕业设计(论文) 第 III 页 Development of Test Platform for New Energy Vehicle Electric Drive System Abstract The test platform mainly refers to the chassis dynamometer. The principle can be simply summarized as a drum test bench that simulates the road driving conditions with the chassis dynamometer and tests the performance of the vehicles power, braking performance and fuel economy. The test rig is generally installed underground. The test preparation is completed by driving the vehicle onto the drum, and the centering is fixed. Compared with the normal road dynamic performance test, the drum test rig has accuracy, speed and reliability. Certain advantages and low cost. This paper is mainly for the detection of new energy vehicles below 4 tons. The design scheme is a 48-inch single drum motor centrally placed AC power chassis dynamometer. This project introduces the working principle of the test bench, establishes a three- dimensional model of the test platform, and designs the main components such as the drum, the base and the centering mechanism. The selection of electrical and electronic equipment such as AC motors and inverters was carried out. Finally, through the LabVIEW, the test bench software control system was programmed to achieve the purpose of detecting the power in the vehicle interior. Key words: Dynamometer; LabVIEW; Electric control system; Dynamic; Tracking 湖南大学毕业设计(论文) 第 IV 页 目录目录 1 绪论 . 1 1.1 底盘测功机开发背景及目的 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 设计开发方法. 2 1.3.1 设备整体结构设计. 2 1.3.2 电控设备选型 . 2 1.3.3 控制系统软件开发. 3 1.4 技术路线及研究内容 . 3 2 底盘测功机试验台架运行原理. 5 2.1 测功机工作原理分析 . 5 2.2 测功机力学分析 . 5 2.3 道路模拟行驶原理分析 . 6 2.3.1 汽车路面工况行驶阻力分析 . 6 2.3.2 汽车在转鼓试验台上的阻力分析 . 7 2.3.3 转鼓和路面阻力等效分析 . 9 2.4 本章小结 . 9 3 交流电力式底盘测功机机械装置设计选型 . 10 3.1 底盘测功机设计使用要求 . 10 3.2 底盘测功机结构类型选择 . 10 3.3 底盘测功机重要参数设计 . 12 3.3.1 转鼓最高速度 . 12 3.3.2 转鼓轴向尺寸和转鼓间距 . 12 3.3.3 底盘测功机轮廓尺寸 . 13 3.4 底盘测功机重要部件设计选型 . 13 3.4.1 转鼓部件 . 13 3.4.2 交流异步电机选型. 14 3.4.3 对中部件设计 . 16 3.4.4 制动装置 . 17 3.4.5 换向机构 . 18 3.5 交流电力式底盘测功机具体结构 . 19 3.5.1 二维 CAD 图纸 . 19 3.5.2 三维结构模型 . 20 3.6 本章小结 . 21 4 电控系统的选型及设计 . 22 4.1 电控系统介绍 . 22 4.2 电气电子设备 . 22 4.3 电控系统职能. 30 4.4 本章小结 . 30 5 上位机控制系统软件设计 . 31 5.1 LabVIEW 软件介绍 . 31 5.2 软件控制系统工作原理 . 31 5.3 软件总体设计 . 32 5.4 数据采集部分设计 . 35 5.4.1 模拟量输入 . 35 5.4.2 速度传感器信号输入 . 35 5.5 数据处理部分设计 . 36 湖南大学毕业设计(论文) 第 V 页 5.6 PID 控制部分设计 . 37 5.7 PWM 输出模块设计 . 39 5.8 本章小结 . 39 6 结论及体会 . 41 6.1 总结 . 41 6.26.2 展望 . 41 参考文献 . 43 致谢 . 44 湖南大学毕业设计(论文) 第 1 页 1 绪论 1.1 底盘测功机开发背景及目的 底盘测功机是用于进行室内台架试验检测汽车动力学性能的实验设备，其基本结 构主要包括 48 或 72 英寸转鼓、交流异步电机、举升装置、制动装置、散热装置、基 座、控制装置等。试验台架的滚筒用于模拟路面，同时通过变频器控制输出转矩来代替 汽车路面运行工况中的各种阻力，实现整车室内动力学检测。 近年来， 为应对环境污染和能源开发利用等严峻课题， 各国都在抓紧新能源汽车的 研制与开发。 面对新能源汽车不断发展的国际形势， 与之相对应的研究手段和检测手段 也需不断发展， 新能源汽车电驱动系统测试平台就是为了应对要求更高、 需求更多的检 测任务进行研究设计的。 底盘测功机可以对整车进行动力系统的相关性能进行直接检测，不需要对整车进行 拆分，有效地减小了整车测试的难度和复杂程度。同时，相比于计算机仿真检测手段，底 盘测功机检测还具有更直接、更准确的优点。此外，底盘测功机不仅可以应用于车辆的研 发检测，还具有检测车辆使用情况的功能，对汽车的定期检测、维修调整及保持良好工况 具有非同寻常的意义。 1.2 国内外研究现状 在国外，汽车检测技术在 1980 年之前就得到了一定程度的重视，此时的底盘测功机 主要是机械式为主， 通过增减机械飞轮代替机械惯量的增减， 模拟汽车的路面行驶工况， 虽然能够得出一些参数数据，但精确性和实用性完全无法满足汽车行业的高速发展需求。 1980 年之后，机电一体化的兴起成为底盘测功机研发的一大突破口，随着电控系统的不 断发展和自动化程度的不断提高，汽车检测试验台架的功能更全面、工作更稳定、精度更 高。 在传统的机械式底盘测功机的基础上，新式试验台架普遍减少了机械传动环节， 采用 精度更高， 反应速度更快的速度传感器和扭矩传感器， 使整车的动力学性能参数测试更加 准确、实用性更强。国外的试验台架具有功能齐全、精度高等优点，但是控制系统复杂， 成本很高，在国内暂时应用不多。 整车检测技术在国内起步较晚，主要是国内各大高校积极进行研发。如西交大、清华 大学、武汉理工大学、华南理工大学、天津大学等自主研发的各类型底盘测功机。此外， 湖南大学毕业设计(论文) 第 2 页 还有一些国内的科研机构进行了设计开发，我国第一台自主设计制造的转鼓试验台架为 DCG-10A 型测试平台，它就是由国家公路研究所统成都汽车检修厂合作开发的。 经过多年的研究设计， 国内已经积累了大量的理论知识和研发成果， 虽然目前我国独 立开发的底盘测功机尚不能满足企业高精度、高稳定性需求，但相比于研发初期，底盘测 功机在我国已经有一些企业生产了一系列的产品， 这些产品可以满足国家标准要求， 在一 些精度要求不高的检测环境中满足检测标准， 可以进行试验， 具有进入企业推广的资格。 汽车检测技术研究现在最大的难题是控制系统的优化设计，相比国外还需不断改进。 1.3 设计开发方法 1.3.1 设备整体结构设计 转鼓试验台架的主体部分包括底座、双轴式交流异步电机、转鼓、对中组件、控 制组件、鼓风机、速度和力距传感器、制动系统以及其他辅助装置等。转鼓用于模拟 汽车公路行驶工况时的路面，是测试平台的重要组成部分，当前的底盘测功机测试平 台一般是单滚筒或双滚筒这两种不同的类型。单滚筒的尺寸也分为很多种，常见的 有：48 英寸，72 英寸等。 举升装置的作用是将待测汽车行驶至试验台架上之后，利用汽车车轮的自动摆 正，通过小电机带动举升装置进行车辆的对中，为试验提供准确的定位。 散热装置一般安装在工作环境仓、测功机主机后部，通过电网供电，为整车检测 设备散热，保证底盘测功机工作温度不超过额定要求，使底盘测功机能够正常运行。 制动装置安装在转鼓内边缘，类似于盘式制动器，当制动指令发出后通过气压传 动使之与与转鼓摩擦接触，进行制动。能够在出现安全隐患或需要人为停止测试平台 运行时让底盘测功机快速停止。 控制系统软件开发就是基于以上三个部分的功能要求，设计开发出具有控制底盘 测功机在不同工况下正常运行的后台程序和硬件选型。 1.3.2 电控设备选型 电控设备的选型主要包括交流异步电机选型、电源柜选型、变频器选型、传感器 选型编码器和集线器选型等。通过实际工况计算得出各电气设备额定参数，再根据参 数要求对电气设备进行选型设计或定制设计。 湖南大学毕业设计(论文) 第 3 页 1.3.3 控制系统软件开发 本次课题采用 LABVIEW 进行设计开发，控制系统主要包括数据采集和处理、系统 控制和通讯三部分。 控制系统软件开发就是基于以上三个部分的功能要求，设计开发出具有控制底盘 测功机在不同工况下正常运行的后台程序和硬件选型。 1.4 技术路线及研究内容 本次课题根据旧式底盘测功机的局限性，结合市场调研和生产实际状况提出交流 电力式底盘测功机的设计方案，并讨论方案可行性，最后通过实验平台验证其实际可 操作性和真实性能。其技术路线图如下： 图 1.1 技术路线图 方案初步确定 变频器 转矩测试 负反馈 模型建立 参数确定 变频器选型及 PC 机通讯方式确定 通讯速率测试 惯量加载 根据国家标准 修改参数 测试结果 是否有效 得到最佳设计方案 湖南大学毕业设计(论文) 第 4 页 本次课题的研究内容主要包括以下几点： 1分析交流电力式底盘测功机基本原理，根据路面行驶实际工况将汽车行驶中的路面 载荷与滚筒受力等效，通过计算得出变频器驱动力方程。 2设计布置交流电力式底盘测功机整体结构和尺寸，确定底盘测功机各部件尺寸形 状，完成部分部件如电机的选型。 3对转鼓试验台电控装置进行选型布置，完成速度传感器、扭矩传感器等信号 的采集处理。介绍变频器的工作原理和通讯协议。 4根据国家标准，完成交流电力式底盘测功机控制系统软件部分设计，对其中各个动 力学参数测试模块进行分析介绍。 5总结全文。 湖南大学毕业设计(论文) 第 5 页 2 底盘测功机试验台架运行原理底盘测功机试验台架运行原理 2.1 测功机工作原理分析 本次课题所研发的交流电力式底盘测功机为电机中置式， ， 转鼓选用目前市场应用 较普遍的 48 英寸转鼓，通过焊接成型，采用硬质合金表面热喷涂处理，以满足其模拟 路面的表面粗糙度，增强耐磨性、耐腐蚀性。交流电力式底盘测功机的测功装置即功率 吸收装置是交流电机，它承担着电动机和发电机的双重职能。 试验台架外壳通过一对轴承支撑， 之后在外壳上连接一根力臂使其固定， 扭矩传感 器安装在力臂中间，力臂终端接在底座上进行固定安装。在测功机工作过程中，洛伦兹 力会对交流电机转子产生制动力矩，同时外壳会产生平衡力矩0, 0会使外壳有旋 转运动趋势，就会对力臂产生作用力，力臂对扭矩传感器产生拉（压）力。根据牛顿第 三定律可知 = 0，此时即可通过扭矩传感器测出电机输出转矩。 图 2.1 底盘电力测功机结构示意图 本次课题采用的测功机是交流异步电机， 当试验台架进行路面模拟试验时， 电机对 转鼓施加反向转矩模拟路面阻力工况； 当试验台架进行滑行试验时， 异步电机作为吸收 功率装置将能量回馈电网；当试验台架进行自检时，电机带动转鼓至规定速度滑行，可 以测出其自身的基本惯量和内部功率损耗。 2.2 测功机力学分析 转鼓试验台在工作过程中存在机械能和电磁能的损耗，这会导致扭矩传感器与电 机输出转矩之间存在差值，这里将差值定义成,将电机输出力定义为，传感 器显示的力为F F，三者之间存在以下关系： 湖南大学毕业设计(论文) 第 6 页 图 2.2 测功机力学分析模型 试验台架工作过程中，转鼓有三种工况：加速、减速、匀速。三种工况下无法 确定，故有三种力学分析模型，对应三组不同的动力学方程： 1）加速工况：转鼓加速时，转鼓的加速需通过交流异步电机驱动，试验台内部损 耗起阻碍作用，此时三者之间关系如下： F F= + ma (2.1) 2）减速工况：汽车在做滑行试验等减速工况试验时，内部阻力做正功加快减速过 程，此时三者关系如下： F F= + ma （2.2） 3)匀速工况：转鼓匀速转动，加速度为零，在两个边界处电机输出力与机构阻力 相等，此时三者关系如下： F = （2.3） 2.3 道路模拟行驶原理分析 2.3.1 汽车路面工况行驶阻力分析 汽车在路面上的行驶工况分为水平路面和坡道两种， 水平路面行驶时， 汽车受到空 气阻力、加速阻力、滚动阻力；坡道行驶还会受到坡道阻力即重力在坡道方向的 分力。和是在任何情况下都存在的，仅在加速工况存在，仅在坡道行驶时存 在。汽车水平路面行驶阻力分析图如下： 图 2.3 车辆路面行驶阻力 湖南大学毕业设计(论文) 第 7 页 汽车在坡道行驶时阻力分析图如下： 图 2.4 斜坡道汽车 故汽车行驶工况中总阻力可用以上几个阻力表示： = + + + （2.4） 其中： = 1 2 2, 是空气阻力系数，是空气密度，是车速，是车辆行驶迎风面积； = , 是车身重量，是滚动阻力系数； = , 是车重，是坡度角； = , 是旋转质量换算系数，是车身质量， 是车辆行驶加速 度； 在不考虑坡道阻力的情况下，加速阻力、滚动阻力和空气阻力都和车速有关。因 此可以将方程 2.4 转换成适用于测功机的待定系数方程： = a + b v + 2+ m （2.5） a是常数，单位为N；b是与速度相关的系数，单位为N/Km/h;c与速度的平方成正 比，单位为N/(km/h)2; 是旋转质量换算系数; 是车身质量; 是车辆行驶加速度。 2.3.2 汽车在转鼓试验台上的阻力分析 本次课题所采用的转鼓为 48 英寸转鼓，故以 48 英寸单转鼓进行受力分析。车辆 在转鼓试验测试平台上运行时会受到空气阻力、转鼓表面的滚动阻力、电机对转鼓的 加载力、试验台架内部阻力等。其受力分析图如下： 湖南大学毕业设计(论文) 第 8 页 图 2.5 车轮在滚筒上的受力分析 在水平方向上分析滚筒受力可以得出下面的动力学方程式： = + + + （2.6） 2.6 中： 为转鼓对车辆的作用反力，在试验台架中它的作用是模拟路面对车辆的作用力， 因此应该等于路面行驶工况中车辆行驶所受到的阻力； 代表转鼓和车轮的惯性力； 是测功机内部机械损耗、电磁能损耗与转鼓转动空气阻力之和； 是电机对转鼓的驱动力，其大小由转鼓试验台控制系统采集车辆速度信息后提 供相应加载力； 为滚动阻力，由于试验在转鼓表面进行，故与车速、轮胎和转鼓表面粗糙度等 参数均有关系。 为了更直观的将路面行驶动力学方程与转鼓试验台架检测动力学方程作对比，将 2.6 式中方程用下面的形式表达： = 0+ 0 + 0 2+ + (1 2) (2.7) 在式 2.7 中， 0为常数项， 单位是N； 0是随速度变化的相关系数， 单位N/Km/h; 0是随速度平方变化的相关系数， 单位是N/(Km/h)2； 1和2分别是转鼓和驱动轮转 动惯量的等效质量；是加速度。 湖南大学毕业设计(论文) 第 9 页 2.3.3 转鼓和路面阻力等效分析 转鼓试验台的运行原理就是通过转鼓模拟路面，使转鼓对车辆的作用力与汽车路 面行驶工况所受阻力相等， 达到在试验台架上完成整车动力学性能测试的目的。 因此， 试验台控制系统需要对速度信息进行采集处理，并将与在相同速度下对应相等。 对比式 2.5 和式 2.7 可知： a + b v + 2+ m = 0+ 0 + 0 2+ + (1 2) （2.8） 将上式进行归纳整理后： = (a 0) + (b 0) + ( 0) 2+ ( m + 1 2) (2.9) 在式 2.9 中，a、b和是检测车辆阻力系数，由车辆出厂时给出。若无此参数，需 参考国家标准进行道路试验得到。转鼓试验台的内阻系数0、0和0一般由试验台架 自身标定试验得到，本次课题因不涉及实物生产，因此内阻系数靠经验自定。 综上，对于转鼓试验台架模拟汽车路面行驶工况，测功机控制系统需通过采集速度 传感器和加速度传感器信号进行处理，根据对应的车速输出电机加载力，即可完成整车 台架检测。 2.4 本章小结 本章内容主要是底盘测功机检测车辆动力学性能的原理分析，同时对车辆在路面 和转鼓上行驶时的受力进行了分析计算，为下文实现底盘测功机检测功能提供理论基 础。 湖南大学毕业设计(论文) 第 10 页 3 交流电力式底盘测功机机械装置设计选型 3.1 底盘测功机设计使用要求 底盘测功机的机械装置设计需要满足其安装在实验舱内的尺寸要求和形状要求， 因此机械装置的设计任务主要是底盘测功机试验台架各组成部件的结构和尺寸设计， 同时满足装配尺寸要求。在可以实现车辆检测功能的前提下，尽可能使总体设计尺寸 更小、空间体积更小，使设计更合理。对于底盘测功机部分设计组件，考虑到其较恶 劣的工作环境，应使用较好的材质进行加工制造。 测功机设计要求： 1) 设计需满足系列化、通用化、标准化； 2) 机械装置设计过程中遵照国家标准进行； 3) 设备选型应符合国家要求； 4) 设备运行中不存在机械干涉； 5) 尽可能降低成本，增强商业竞争力； 6) 拆装、运输及维修需快捷简便。 测功机使用要求： 1) 检测车辆时的参数精度满足国家标准要求； 2) 操作简便，具有足够的刚度、强度，耐磨性和耐腐蚀性； 3) 具有较高的经济效益； 4) 具有安全防护措施、确保设备安全可靠。 3.2 底盘测功机结构类型选择 从转鼓数量分析，转鼓试验台分为单转鼓和双转鼓两种。双转鼓测功机每个车轮 由两个转鼓支撑，优点是转鼓尺寸小，对中简便；缺点是电机轴和转鼓轴动力传递结 构复杂，稳定性也更差。单转鼓测功机每个车轮只有一个转鼓支撑，为了更好地模拟 路面，故转鼓尺寸一般较大，但性能稳定，力传递结构简单，损耗小。 从电机布置形式分析，转鼓试验台架一般有电机恻置式和电机中置式两种。恻置 式电机一般布置在台架一侧，输出轴连接在一个转鼓上，另一个转鼓通过联轴器进行 过动力传递。中置式电机采用双轴交流异步电机，中置电机轴需额外设计尺寸参数， 即电机选型时要与生产厂家定制电机轴，双轴电机的两个轴端分别连接到一个转鼓 湖南大学毕业设计(论文) 第 11 页 上，构成试验台架。 1) 电机恻置式底盘测功机： 恻置式底盘测功机在当前市场中比较常见，其安装和制造成本较低，方便拆卸， 但缺点也很明显，占地面积大，结构冗杂。 图 3.1 恻置式底盘测功机 2) 电机中置式底盘测功机： 中置式底盘测功机将电机两轴端接在转鼓上，有效减小了测功机轴向尺寸，也简 化了机械装置的结构设计，降低制造成本。 图 3.2 中置式底盘测功机 本次课题采用的是单转鼓电机中置式试验台架方案，转鼓尺寸为 48 英寸。实际生 产中应制造四个转鼓，与车轮布置方式相同。前后转鼓之间通过轨道相连，可以调整 轴间距以适应不同类型的新能源汽车。试验台架整体需安装在环境舱内，保证通风和 除湿。 湖南大学毕业设计(论文) 第 12 页 图 3.3 中置式底盘测功机现场图 3.3 底盘测功机重要参数设计 底盘测功机设计过程中应遵循先整体后部分的设计准则，确定了整体工作尺寸之 后再对各组成部件进行尺寸和结构设计。总体设计中有三个主要参数需要优先确定： 3.3.1 转鼓最高速度 转鼓的最高速度在一定程度上等同于底盘测工机所能检测车辆的最高速度即检测 范围，国内相关法规检测要求一般不大于 120Km/h,因此，这里将转鼓最高速度预设为 200Km/h，这样底盘测功机将能够进行基本全部的车辆检测试验。 3.3.2 转鼓轴向尺寸和转鼓间距 底盘测功机的检测范围包括所有车辆，又由于不同型号汽车轮距不同，因此想开 发出符合所有车辆检测条件的转鼓需要满足一定的轴向尺寸和转鼓间距。转鼓轴向尺 寸和转鼓外间距也基本确定了底盘测功机的宽度轮廓尺寸。 根据市场调查统计，绝大部分检测车辆轮距在 1200mm至1800mm。故为了满足市 场检测需要，本次课题将转鼓轴向尺寸设定为 900mm,转鼓内边距设定为 900 mm,此 时转鼓外边距为 2700mm，故能满足绝大部分市场需求。 湖南大学毕业设计(论文) 第 13 页 3.3.3 底盘测功机轮廓尺寸 底盘测功机需安置在挖好的基坑内，参照现有的环境仓基坑大小，我们预定底盘 测功机长为 3.5m，宽为 2m,高为 1.6m。 3.4 底盘测功机重要部件设计选型 3.4.1 转鼓部件 转鼓是底盘测功机检测车辆时模拟路面的关键部件，转鼓的直径尺寸、转鼓的数 量和表面处理工艺是转鼓的三大影响性能的主要因素。 按照转鼓直径尺寸和数量分类： 1）单轴 48 英寸转鼓。转鼓的尺寸主要与路面模拟程度相关，当转鼓直径尺寸越 大时，模拟路面程度越高，测试越精确。同时随着转鼓直径尺寸变大，转鼓稳定性和 制造成本、制造难度也会大幅提高，故一般采用 48 英寸单轴转鼓进行设计。48 英寸转 鼓主要来源于欧美的制造