一、方案概述

本方案面向汽車電機(jī)(驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、泵/風(fēng)扇電機(jī)等)的研發(fā)與驗(yàn)證，提供一套以扭矩為核心指標(biāo)的測(cè)試與分析方案。汽車電機(jī)的工程價(jià)值最終體現(xiàn)在“輸出軸能輸出多大扭矩、扭矩是否穩(wěn)定、不同工況下扭矩響應(yīng)是否滿足要求”，因此方案以扭矩、轉(zhuǎn)速及其派生的機(jī)械功率為主線，同時(shí)同步采集電壓、電流等電參量以及溫度等環(huán)境參數(shù)，建立“機(jī)械輸出—電能輸入—效率與損耗”的閉環(huán)評(píng)價(jià)，為性能評(píng)估與問(wèn)題定位提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

扭矩是表征力使物體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量，可通俗理解為“把軸擰動(dòng)/帶動(dòng)負(fù)載的勁”。在最常見(jiàn)的場(chǎng)景下，扭矩等于施加力與力臂的乘積(F×r)，單位為 N·m。對(duì)電機(jī)而言，扭矩越大代表輸出軸帶載能力越強(qiáng);在相同功率下，轉(zhuǎn)速越低所需扭矩越大。扭矩與轉(zhuǎn)速共同決定機(jī)械輸出功率：P_mech = 扭矩 × 2πn/60(n 為轉(zhuǎn)速，單位 rpm)。結(jié)合電功率即可計(jì)算效率與損耗;便于對(duì)不同電機(jī)、不同控制策略與不同工況做量化對(duì)比。

圖1 電機(jī)測(cè)試示意圖

在典型臺(tái)架場(chǎng)景中，系統(tǒng)以扭矩與轉(zhuǎn)速信號(hào)作為核心測(cè)量量，可按需求接入角度/編碼器信號(hào)用于按圈分析，同時(shí)同步采集直流母線電壓/電流以及電機(jī)相電壓/相電流，并可擴(kuò)展溫度等環(huán)境參數(shù)。電壓、電流信號(hào)既能通過(guò)數(shù)采設(shè)備直接采集，也能通過(guò)高壓差分探頭、分流器或霍爾/羅氏電流傳感器等方式進(jìn)行隔離與量程轉(zhuǎn)換，既保證測(cè)量安全，也便于與數(shù)據(jù)采集通道匹配。方案支持適配三相或多相電機(jī)、不同電壓等級(jí)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并可與測(cè)功機(jī)、控制器及電源/負(fù)載系統(tǒng)對(duì)接，滿足研發(fā)與驗(yàn)證階段的多工況測(cè)試需求。

除穩(wěn)態(tài)扭矩外，汽車電機(jī)還需要關(guān)注扭矩脈動(dòng)(Torque Ripple)，即扭矩在一圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)的周期性起伏。扭矩脈動(dòng)會(huì)帶來(lái)噪聲與振動(dòng)(NVH)、低速爬行抖動(dòng)、效率下降及機(jī)械部件早期磨損。常用量化指標(biāo)為：扭矩脈動(dòng)(%) = (Tmax ? Tmin) / Tavg × 100，其中 Tmax/Tmin/Tavg 為單圈內(nèi)扭矩最大/最小/平均值。扭矩脈動(dòng)同時(shí)具有幅值與頻率特性，過(guò)度濾波可能掩蓋真實(shí)脈動(dòng)特征，建議保留原始波形并在分析環(huán)節(jié)進(jìn)行可追溯的濾波與統(tǒng)計(jì)。

本方案支持以角度/編碼器信號(hào)對(duì)扭矩進(jìn)行“按圈統(tǒng)計(jì)”：以每圈固定角度位置作為觸發(fā)點(diǎn)，在一圈窗口內(nèi)計(jì)算扭矩最大/最小/平均值并連續(xù)得到扭矩脈動(dòng)曲線，同時(shí)與轉(zhuǎn)速、聲壓/聲級(jí)、振動(dòng)與溫度等量進(jìn)行同一時(shí)基對(duì)齊對(duì)比，用于定位齒槽效應(yīng)、諧波電流或互感變化等導(dǎo)致的扭矩波動(dòng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為核心模塊，負(fù)責(zé)扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓和電流等信號(hào)的同步采集、存儲(chǔ)與觸發(fā)管理，并可擴(kuò)展總線采集能力。系統(tǒng)內(nèi)的控制器搭載 ASMC 測(cè)試軟件，完成通道配置、實(shí)時(shí)顯示與功率/效率計(jì)算;支持按測(cè)試工況自動(dòng)執(zhí)行流程、記錄關(guān)鍵結(jié)果并生成報(bào)告，減少人工干預(yù)并提升數(shù)據(jù)一致性與可追溯性。

該方案通過(guò)硬件與軟件的深度集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電能輸入、機(jī)械輸出及關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)的綜合測(cè)試管理，適用于研發(fā)驗(yàn)證、對(duì)標(biāo)分析以及臺(tái)架/整車綜合測(cè)試等場(chǎng)景。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖2 電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

二、測(cè)試系統(tǒng)說(shuō)明

2.1 測(cè)試系統(tǒng)原理

通過(guò)硬件與軟件的協(xié)同，本平臺(tái)以扭矩/轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)量，對(duì)被測(cè)電機(jī)在不同工況下的機(jī)械輸出、電能輸入及關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行同步測(cè)量與分析。測(cè)試時(shí)，將電機(jī)接入驅(qū)動(dòng)控制器與臺(tái)架負(fù)載系統(tǒng)(如測(cè)功機(jī));扭矩、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角由測(cè)功機(jī)、扭矩法蘭/動(dòng)態(tài)扭矩傳感器與編碼器提供，并通過(guò)模擬量或數(shù)字接口接入采集系統(tǒng)。電壓信號(hào)可直接接入數(shù)采系統(tǒng)的電壓采集通道(如直流母線電壓、相電壓)，也可根據(jù)電壓等級(jí)、隔離安全與現(xiàn)場(chǎng)干擾情況，經(jīng)高壓差分探頭或隔離變送器進(jìn)行量程/隔離轉(zhuǎn)換后接入;電流信號(hào)同樣可直接接入數(shù)采系統(tǒng)的電流采集通道，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置與測(cè)量要求，經(jīng)分流器、霍爾或羅氏電流傳感器轉(zhuǎn)換輸出后接入。必要時(shí)同步接入溫度以及 CAN/LIN 等總線信息，保證機(jī)械輸出、電能輸入與控制狀態(tài)在同一時(shí)基對(duì)齊。ASMC 控制與分析軟件在同一界面完成采樣率、量程、傳感器系數(shù)等配置，實(shí)時(shí)顯示扭矩/轉(zhuǎn)速、電壓/電流等波形與數(shù)值，并在線計(jì)算機(jī)械功率、電功率、能量與效率等指標(biāo)。測(cè)試結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)保存原始數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果，并支持導(dǎo)出與回放。針對(duì)不同電機(jī)型號(hào)或不同臺(tái)架，僅需調(diào)整接線與通道配置即可復(fù)用同一套采集與分析平臺(tái)，快速完成測(cè)試切換。

扭矩與轉(zhuǎn)速信號(hào)可由測(cè)功機(jī)、扭矩法蘭/動(dòng)態(tài)扭矩傳感器與編碼器提供。扭矩可通過(guò)模擬量(如 ±10 V)或數(shù)字接口接入采集系統(tǒng);轉(zhuǎn)速與角度推薦使用編碼器脈沖(A/B/Z)或一次每轉(zhuǎn)基準(zhǔn)脈沖接入計(jì)數(shù)器通道，以獲得高精度的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角時(shí)基，并與電壓、電流保持嚴(yán)格同步。對(duì)需要評(píng)估動(dòng)態(tài)響應(yīng)的場(chǎng)景，建議同步記錄加載指令/控制狀態(tài)(總線或IO)，用于對(duì)齊扭矩響應(yīng)與電參變化。

扭矩脈動(dòng)的計(jì)算可采用按轉(zhuǎn)角觸發(fā)的分圈統(tǒng)計(jì)方法：以角度信號(hào)的固定邊沿作為每圈起點(diǎn)，設(shè)置一圈窗口后分別計(jì)算 Tmax、Tmin、Tavg，并據(jù)此輸出扭矩脈動(dòng)(%) 隨時(shí)間或隨轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)。該方法對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較敏感，建議在測(cè)試中同時(shí)記錄轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，并在穩(wěn)速段與變速段分別評(píng)估;扭矩脈動(dòng)同時(shí)具有幅值與頻率特性，建議保留原始扭矩波形，濾波在分析環(huán)節(jié)進(jìn)行并可追溯。結(jié)合扭矩脈動(dòng)—轉(zhuǎn)速曲線及聲振對(duì)比，可提取“穩(wěn)速區(qū)間脈動(dòng)更低”等特征，為控制策略與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

圖3 扭矩測(cè)試原理圖

2.2 ASMC測(cè)試軟件介紹

ASMC 控制與分析軟件安裝于 PXIe 控制器，集設(shè)備管理、流程控制與數(shù)據(jù)分析于一體。軟件面向電機(jī)臺(tái)架測(cè)試的多通道同步采集與顯示，可在同一界面配置扭矩/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角、電壓/電流及溫度等通道，設(shè)置傳感器系數(shù)與量程，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)波形、數(shù)值表與趨勢(shì)曲線;內(nèi)置機(jī)械功率與電能計(jì)算功能，可輸出扭矩、機(jī)械功率、電功率、能量與效率等指標(biāo)，并支持對(duì)不同工況/不同樣機(jī)的結(jié)果對(duì)比。軟件支持按工況自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試流程、記錄關(guān)鍵結(jié)果，并一鍵生成標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試報(bào)告，支持 Excel、PDF 等格式導(dǎo)出。

在扭矩分析方面，軟件支持按圈統(tǒng)計(jì)得到 Tmax/Tmin/Tavg，計(jì)算扭矩脈動(dòng)并與轉(zhuǎn)速、聲振/溫度等量同一時(shí)基對(duì)齊顯示;同時(shí)支持把扭矩、轉(zhuǎn)速納入效率計(jì)算鏈，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械輸出—電能輸入—NVH/溫升”的綜合對(duì)比分析，便于識(shí)別齒槽效應(yīng)、諧波電流等導(dǎo)致的異常波動(dòng)。

在電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試中，軟件可對(duì)起動(dòng)、停止、階躍、加載、升降速等動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可結(jié)合總線數(shù)據(jù)對(duì)控制指令、狀態(tài)量與扭矩/電參結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，便于定位效率波動(dòng)、過(guò)流/過(guò)壓與低速抖動(dòng)等問(wèn)題。軟件架構(gòu)靈活可配置，可按項(xiàng)目需求擴(kuò)展計(jì)算項(xiàng)與報(bào)告模板，為電機(jī)研發(fā)、試驗(yàn)與質(zhì)量驗(yàn)證提供高效、可靠、可追溯的自動(dòng)化測(cè)試支撐。軟件示意圖如下：

圖4 ASMC測(cè)試與分析軟件示意圖

三、方案核心優(yōu)勢(shì)

面向扭矩輸出的核心評(píng)價(jià)能力：支持扭矩/轉(zhuǎn)速同步采集與實(shí)時(shí)顯示，覆蓋穩(wěn)態(tài)、起停、加載等典型工況，為帶載能力與扭矩響應(yīng)評(píng)估提供量化依據(jù)。

面向 NVH 的扭矩脈動(dòng)評(píng)估：支持按圈統(tǒng)計(jì)計(jì)算扭矩脈動(dòng)，并與聲音、振動(dòng)、溫度等參數(shù)同一時(shí)基對(duì)齊對(duì)比，快速定位低速爬行抖動(dòng)與異常波動(dòng)來(lái)源。

機(jī)械輸出—電能輸入閉環(huán)效率評(píng)價(jià)：支持同步采集直流母線及相電壓/相電流，并自動(dòng)計(jì)算功率、能量等關(guān)鍵電參;與扭矩/轉(zhuǎn)速聯(lián)動(dòng)計(jì)算機(jī)械功率與效率，支持損耗分析。

多源數(shù)據(jù)同步：扭矩、轉(zhuǎn)速、電參采集與溫度及 CAN/LIN 等總線數(shù)據(jù)可統(tǒng)一時(shí)基對(duì)齊，便于完成控制狀態(tài)—機(jī)械輸出—電能輸入的綜合分析。

自動(dòng)化與高效率：通過(guò)測(cè)試流程模板與參數(shù)化配置，實(shí)現(xiàn)一鍵執(zhí)行、自動(dòng)記錄與報(bào)告輸出，減少人工操作與漏測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，提高臺(tái)架測(cè)試效率。

安全與可擴(kuò)展：支持外部電壓/電流傳感器接入與隔離測(cè)量方案，適配不同電壓電流等級(jí);PXIe 模塊化架構(gòu)便于按通道數(shù)與帶寬需求靈活擴(kuò)展。

直觀的數(shù)據(jù)分析與對(duì)比：支持實(shí)時(shí)顯示、離線回放與多工況對(duì)比，快速定位異常波形、效率波動(dòng)及能量損耗來(lái)源。

開(kāi)放接口與系統(tǒng)集成：支持通過(guò)接口與上位機(jī)/臺(tái)架控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與流程聯(lián)動(dòng)，便于融入現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)與質(zhì)量追溯體系。

支持定制擴(kuò)展：可根據(jù)電機(jī)類型、測(cè)試規(guī)范與企業(yè)流程定制采集通道、計(jì)算指標(biāo)與報(bào)告模板，滿足不同項(xiàng)目的差異化需求。

四、核心硬件產(chǎn)品介紹

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊概述

控制、存儲(chǔ)與采集模塊基于 PXIe 模塊化架構(gòu)集成在同一機(jī)箱內(nèi)，可組合使用 ASMC PXIe 2252 高帶寬混合背板機(jī)箱、PXIe 1216 嵌入式控制器及 PXIe 8016 高速存儲(chǔ)卡，實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)度、數(shù)據(jù)處理與高速緩存。機(jī)箱提供穩(wěn)壓供電、強(qiáng)化散熱與智能監(jiān)控，支持多機(jī)箱同步;控制器提供高性能計(jì)算與高速 PXIe 交換通道;存儲(chǔ)卡提供大帶寬連續(xù)寫入能力，滿足電機(jī)功率測(cè)試長(zhǎng)時(shí)間、多通道同步記錄需求。機(jī)箱內(nèi)可根據(jù)項(xiàng)目配置電壓/電流采集、溫度、振動(dòng)及總線接口等板卡，實(shí)現(xiàn)電參、機(jī)械與狀態(tài)量的一體化采集?？刂婆c存儲(chǔ)模塊的產(chǎn)品示意圖如下：

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)品圖

圖6 PXIe采集卡產(chǎn)品圖

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊關(guān)鍵參數(shù)

ASMC PXIe 2252 機(jī)箱

1 系統(tǒng)槽 + 1 定時(shí)槽 + 7 混合槽，系統(tǒng)帶寬 24 GB/s、單槽 8 GB/s

內(nèi)置 600 W 工業(yè)電源與強(qiáng)化散熱;工作 ?20 ℃-+70 ℃ / 10 %-90 % RH

提供 10 MHz 時(shí)鐘 I/O，支持多機(jī)箱同步

ASMC PXIe 1216 控制器

Intel i7-6820EQ(2.8 GHz，睿頻 3.5 GHz)，16 GB RAM(可擴(kuò) 32 GB)

512 GB SSD，本地總線帶寬最高 24 GB/s，支持 P2P 直連與實(shí)時(shí)功耗/溫度監(jiān)測(cè)

雙槽 3U 結(jié)構(gòu)，工作 0 ℃-+50 ℃

ASMC PXIe 8016 高速存儲(chǔ)卡

NVMe 固態(tài)存儲(chǔ)(最高 16 TB)，PCIe x8 接口

連續(xù)讀寫帶寬 > 6 GB/s，板載交換芯片支持?jǐn)?shù)據(jù)直通與能耗監(jiān)測(cè)

工作 0 ℃-+50 ℃

傳感器供電板卡

程控直流 5-24 V，每通道 ≤ 300 mA;24 V/4 mA IEPE 恒流源

實(shí)時(shí)上電與欠壓監(jiān)測(cè)，統(tǒng)一穩(wěn)壓供電

模擬量采集板卡

通用高速：≤ 32 單端或 16 差分，16 bit，500 kS/s，±10 V 可編程量程

同步動(dòng)態(tài)：8 路 24 bit，8 S/s-102.4 kS/s，內(nèi)置抗混疊濾波與 AC/DC 耦合

數(shù)據(jù)直寫至存儲(chǔ)層，單槽持續(xù)帶寬 8 GB/s

數(shù)字量 / 總線采集板卡

16 路隔離 RS-485 DI，+6-+30 V 高電平;1200-115 200 bps 可設(shè)

即插即用支持 MT/T 899-2000 NRZ 與 Modbus RTU，可擴(kuò)展 CAN、UART、以太網(wǎng)

共享 PXIe 10 / 100 MHz 時(shí)基，實(shí)現(xiàn)模數(shù)采集納秒級(jí)同步，現(xiàn)場(chǎng)可換 BNC / Lemo / M12 接頭

度緯科技始終致力于在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、獨(dú)特和可靠的產(chǎn)品方案。我們深知，這些要素是企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立足的基石。正因?yàn)槿绱耍覀儗?chuàng)新的靈感來(lái)源于客戶的真實(shí)應(yīng)用需求，而非僅僅為了展示華而不實(shí)的產(chǎn)品特性。通過(guò)不斷優(yōu)化和提升數(shù)據(jù)采集方案，度緯科技助力合作伙伴邁向高效精準(zhǔn)的未來(lái)。歡迎選擇度緯科技，共同開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集的新篇章。