一、方案概述

本方案面向汽車電機(驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機、泵/風(fēng)扇電機等)的研發(fā)與驗證，提供一套以扭矩為核心指標(biāo)的測試與分析方案。汽車電機的工程價值最終體現(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)速及其派生的機械功率為主線，同時同步采集電壓、電流等電參量以及溫度等環(huán)境參數(shù)，建立“機械輸出—電能輸入—效率與損耗”的閉環(huán)評價，為性能評估與問題定位提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

扭矩是表征力使物體繞軸轉(zhuǎn)動效果的物理量，可通俗理解為“把軸擰動/帶動負(fù)載的勁”。在最常見的場景下，扭矩等于施加力與力臂的乘積(F×r)，單位為 N·m。對電機而言，扭矩越大代表輸出軸帶載能力越強;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)合電功率即可計算效率與損耗;便于對不同電機、不同控制策略與不同工況做量化對比。

圖1 電機測試示意圖

在典型臺架場景中，系統(tǒng)以扭矩與轉(zhuǎn)速信號作為核心測量量，可按需求接入角度/編碼器信號用于按圈分析，同時同步采集直流母線電壓/電流以及電機相電壓/相電流，并可擴(kuò)展溫度等環(huán)境參數(shù)。電壓、電流信號既能通過數(shù)采設(shè)備直接采集，也能通過高壓差分探頭、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、不同電壓等級的驅(qū)動系統(tǒng)，并可與測功機、控制器及電源/負(fù)載系統(tǒng)對接，滿足研發(fā)與驗證階段的多工況測試需求。

除穩(wěn)態(tài)扭矩外，汽車電機還需要關(guān)注扭矩脈動(Torque Ripple)，即扭矩在一圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)的周期性起伏。扭矩脈動會帶來噪聲與振動(NVH)、低速爬行抖動、效率下降及機械部件早期磨損。常用量化指標(biāo)為：扭矩脈動(%) = (Tmax ? Tmin) / Tavg × 100，其中 Tmax/Tmin/Tavg 為單圈內(nèi)扭矩最大/最小/平均值。扭矩脈動同時具有幅值與頻率特性，過度濾波可能掩蓋真實脈動特征，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。

本方案支持以角度/編碼器信號對扭矩進(jìn)行“按圈統(tǒng)計”：以每圈固定角度位置作為觸發(fā)點，在一圈窗口內(nèi)計算扭矩最大/最小/平均值并連續(xù)得到扭矩脈動曲線，同時與轉(zhuǎn)速、聲壓/聲級、振動與溫度等量進(jìn)行同一時基對齊對比，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。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為核心模塊，負(fù)責(zé)扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓和電流等信號的同步采集、存儲與觸發(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 測試軟件，完成通道配置、實時顯示與功率/效率計算;支持按測試工況自動執(zhí)行流程、記錄關(guān)鍵結(jié)果并生成報告，減少人工干預(yù)并提升數(shù)據(jù)一致性與可追溯性。

該方案通過硬件與軟件的深度集成，實現(xiàn)對電機電能輸入、機械輸出及關(guān)鍵運行狀態(tài)的綜合測試管理，適用于研發(fā)驗證、對標(biāo)分析以及臺架/整車綜合測試等場景。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖2 電機測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

二、測試系統(tǒng)說明

2.1 測試系統(tǒng)原理

通過硬件與軟件的協(xié)同，本平臺以扭矩/轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)量，對被測電機在不同工況下的機械輸出、電能輸入及關(guān)鍵運行狀態(tài)進(jìn)行同步測量與分析。測試時，將電機接入驅(qū)動控制器與臺架負(fù)載系統(tǒng)(如測功機);扭矩、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角由測功機、扭矩法蘭/動態(tài)扭矩傳感器與編碼器提供，并通過模擬量或數(shù)字接口接入采集系統(tǒng)。電壓信號可直接接入數(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、隔離安全與現(xiàn)場干擾情況，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)場布置與測量要求，經(jīng)分流器、霍爾或羅氏電流傳感器轉(zhuǎn)換輸出后接入。必要時同步接入溫度以及 CAN/LIN 等總線信息，保證機械輸出、電能輸入與控制狀態(tài)在同一時基對齊。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，實時顯示扭矩/轉(zhuǎn)速、電壓/電流等波形與數(shù)值，并在線計算機械功率、電功率、能量與效率等指標(biāo)。測試結(jié)束后，系統(tǒng)自動保存原始數(shù)據(jù)與計算結(jié)果，并支持導(dǎo)出與回放。針對不同電機型號或不同臺架，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，快速完成測試切換。

扭矩與轉(zhuǎn)速信號可由測功機、扭矩法蘭/動態(tài)扭矩傳感器與編碼器提供。扭矩可通過模擬量(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)脈沖接入計數(shù)器通道，以獲得高精度的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角時基，并與電壓、電流保持嚴(yán)格同步。對需要評估動態(tài)響應(yīng)的場景，建議同步記錄加載指令/控制狀態(tài)(總線或IO)，用于對齊扭矩響應(yīng)與電參變化。

扭矩脈動的計算可采用按轉(zhuǎn)角觸發(fā)的分圈統(tǒng)計方法：以角度信號的固定邊沿作為每圈起點，設(shè)置一圈窗口后分別計算 Tmax、Tmin、Tavg，并據(jù)此輸出扭矩脈動(%) 隨時間或隨轉(zhuǎn)速的趨勢。該方法對轉(zhuǎn)速波動較敏感，建議在測試中同時記錄轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，并在穩(wěn)速段與變速段分別評估;扭矩脈動同時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—轉(zhuǎn)速曲線及聲振對比，可提取“穩(wěn)速區(qū)間脈動更低”等特征，為控制策略與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

圖3 扭矩測試原理圖

2.2 ASMC測試軟件介紹

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。軟件面向電機臺架測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，實時呈現(xiàn)波形、數(shù)值表與趨勢曲線;內(nèi)置機械功率與電能計算功能，可輸出扭矩、機械功率、電功率、能量與效率等指標(biāo)，并支持對不同工況/不同樣機的結(jié)果對比。軟件支持按工況自動執(zhí)行測試流程、記錄關(guān)鍵結(jié)果，并一鍵生成標(biāo)準(zhǔn)化測試報告，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)計得到 Tmax/Tmin/Tavg，計算扭矩脈動并與轉(zhuǎn)速、聲振/溫度等量同一時基對齊顯示;同時支持把扭矩、轉(zhuǎn)速納入效率計算鏈，實現(xiàn)“機械輸出—電能輸入—NVH/溫升”的綜合對比分析，便于識別齒槽效應(yīng)、諧波電流等導(dǎo)致的異常波動。

在電機與驅(qū)動系統(tǒng)測試中，軟件可對起動、停止、階躍、加載、升降速等動態(tài)過程進(jìn)行統(tǒng)計分析，并可結(jié)合總線數(shù)據(jù)對控制指令、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、過流/過壓與低速抖動等問題。軟件架構(gòu)靈活可配置，可按項目需求擴(kuò)展計算項與報告模板，為電機研發(fā)、試驗與質(zhì)量驗證提供高效、可靠、可追溯的自動化測試支撐。軟件示意圖如下：

圖4 ASMC測試與分析軟件示意圖

三、方案核心優(yōu)勢

面向扭矩輸出的核心評價能力：支持扭矩/轉(zhuǎn)速同步采集與實時顯示，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)評估提供量化依據(jù)。

面向 NVH 的扭矩脈動評估：支持按圈統(tǒng)計計算扭矩脈動，并與聲音、振動、溫度等參數(shù)同一時基對齊對比，快速定位低速爬行抖動與異常波動來源。

機械輸出—電能輸入閉環(huán)效率評價：支持同步采集直流母線及相電壓/相電流，并自動計算功率、能量等關(guān)鍵電參;與扭矩/轉(zhuǎn)速聯(lián)動計算機械功率與效率，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)一時基對齊，便于完成控制狀態(tài)—機械輸出—電能輸入的綜合分析。

自動化與高效率：通過測試流程模板與參數(shù)化配置，實現(xiàn)一鍵執(zhí)行、自動記錄與報告輸出，減少人工操作與漏測風(fēng)險，提高臺架測試效率。

安全與可擴(kuò)展：支持外部電壓/電流傳感器接入與隔離測量方案，適配不同電壓電流等級;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)分析與對比：支持實時顯示、離線回放與多工況對比，快速定位異常波形、效率波動及能量損耗來源。

開放接口與系統(tǒng)集成：支持通過接口與上位機/臺架控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與流程聯(lián)動，便于融入現(xiàn)有測試平臺與質(zhì)量追溯體系。

支持定制擴(kuò)展：可根據(jù)電機類型、測試規(guī)范與企業(yè)流程定制采集通道、計算指標(biāo)與報告模板，滿足不同項目的差異化需求。

四、核心硬件產(chǎn)品介紹

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊概述

控制、存儲與采集模塊基于 PXIe 模塊化架構(gòu)集成在同一機箱內(nèi)，可組合使用 ASMC PXIe 2252 高帶寬混合背板機箱、PXIe 1216 嵌入式控制器及 PXIe 8016 高速存儲卡，實現(xiàn)設(shè)備調(diào)度、數(shù)據(jù)處理與高速緩存。機箱提供穩(wěn)壓供電、強化散熱與智能監(jiān)控，支持多機箱同步;控制器提供高性能計算與高速 PXIe 交換通道;存儲卡提供大帶寬連續(xù)寫入能力，滿足電機功率測試長時間、多通道同步記錄需求。機箱內(nèi)可根據(jù)項目配置電壓/電流采集、溫度、振動及總線接口等板卡，實現(xiàn)電參、機械與狀態(tài)量的一體化采集?？刂婆c存儲模塊的產(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 機箱

1 系統(tǒng)槽 + 1 定時槽 + 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)電源與強化散熱;工作 ?20 ℃-+70 ℃ / 10 %-90 % RH

提供 10 MHz 時鐘 I/O，支持多機箱同步

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 直連與實時功耗/溫度監(jiān)測

雙槽 3U 結(jié)構(gòu)，工作 0 ℃-+50 ℃

ASMC PXIe 8016 高速存儲卡

NVMe 固態(tài)存儲(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

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

實時上電與欠壓監(jiān)測，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 時基，實現(xiàn)模數(shù)采集納秒級同步，現(xiàn)場可換 BNC / Lemo / M12 接頭

度緯科技始終致力于在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中實現(xiàn)創(chuàng)新、獨特和可靠的產(chǎn)品方案。我們深知，這些要素是企業(yè)在市場競爭中立足的基石。正因為如此，我們將創(chuàng)新的靈感來源于客戶的真實應(yīng)用需求，而非僅僅為了展示華而不實的產(chǎn)品特性。通過不斷優(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。歡迎選擇度緯科技，共同開啟數(shù)據(jù)采集的新篇章。