電動汽車小功率電機測試平臺的研發(fā)*

孟永剛，李偉超，黃泳誠，高大威※

（1.聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206；2.清華大學車輛與運載學院，北京 100084；3.北京科技大學機械工程學院，北京 100083）

0 引言

由于具有響應快速、調速范圍寬、定位準確的優(yōu)點，電機在電動汽車領域具有非常廣闊的應用前景。在電動汽車應用領域中，小功率電機所占比例相較于大功率電機更大，但目前市面上所銷售的電機測試平臺大部分是面向大功率電機而設計，針對小功率電機，尤其是功率在1 kW以下的電機的測試平臺非常少。目前市面上小功率電機測試平臺存在體積大、系統(tǒng)復雜等問題，因此本文針對電動汽車用的小功率電機，設計相應的電機測試平臺。

在進行小功率電機性能實驗時，為提高實驗的精度和經濟性，需要設計一個專用的小功率電機測試平臺[1]。一般而言，電機測試平臺需要具有負載電機驅動、轉矩轉速傳感器采集信號等功能，再通過PC端上位機軟件對負載電機進行恒扭矩與恒轉速控制，并采集相應的傳感器信息，最后能夠在上位機界面上對數(shù)據(jù)進行顯示、分析[2－4]。因此，本文將完成一個可靠的小功率電機測試平臺以供研究使用。

1 小功率電機測試平臺的需求分析

1.1 被測電機分析

本文針對的小功率電機功率等級在1 kW以下，負載電機的特性需要能夠覆蓋被測電機輸出特性，即進行的性能測試實驗必須能夠始終保持在負載電機的正常工作范圍內，由此可以模擬出被測電機可能會遇到的機械負載。但考慮到小功率電機在實際運行時，各種非線性因素會對電驅動系統(tǒng)產生一定的擾動，以及控制器的控制參數(shù)選取不當?shù)膯栴}，會對電機產生一個瞬時很大的沖擊，這個沖擊一般會造成瞬時相電流達到額定值的數(shù)倍左右，甚至更高[5]。由此，除了需要保證負載電機能夠滿足被測電機正常工作狀態(tài)的負載需要，也必須能夠抵消被測電機的瞬時沖擊[6]。因此，考慮到負載電機的功率覆蓋范圍，以及測試平臺的安全性，選擇的負載電機功率應在2 kW左右。

1.2 負載選擇

通常，在電機測試實驗中的負載部件有幾個比較常見的選擇，其中包括磁粉測功機、磁滯測功機、電渦流測功機以及伺服電機等[7]。每種負載部件都有不同的工作原理及特性，經過廣泛調研，對這幾類負載的技術特點以及應用場景進行簡單的對比介紹[8－10]。如圖1所示。

圖1 不同類型負載特性對比

根據(jù)對比可知，各類測功機在特定條件下具有良好的性能，伺服電機憑借閉環(huán)控制的優(yōu)勢，可以提供精確的輸出控制，同時適用的范圍也相對較廣[11]。雖然伺服電機在價格方面相對來說比較高，但考慮到對于電機的各種測試條件比較嚴格，并需要保證測試平臺的可靠性與擴展性，對磁粉測功機、磁滯測功機、電渦流測功機以及伺服電機的各項優(yōu)劣點進行綜合對比，伺服電機具有適應性強、閉環(huán)控制精度高等其他各類測功機所不具備的優(yōu)勢，因此伺服電機更適合本文所設計的小功率電機測試平臺，故負載電機選用伺服電機。

2 實驗平臺整體結構方案設計

經過初步設計，電動汽車小功率電機測試平臺主要包括被測電機、負載電機、負載電機控制器、各類傳感器（電流、轉矩、轉速）、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機控制系統(tǒng)、交直流電源等，設計的測試平臺框架如圖2所示。

圖2 測試平臺設計方案

整個測試平臺通過電網供電，負載電機（即伺服電機）由負載電機控制器控制調節(jié)，被測電機與負載電機采用對拖的形式進行連接，兩電機的輸出軸相對連接，中間部分安裝有轉矩轉速傳感器，測定電機的實際輸出轉速與轉矩。在PC端的上位機控制面板可以調整伺服電機運轉模式，并且能夠給定電機轉速轉矩指令。上位機通過RS485 通信方式與轉矩轉速傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸，RS485 通信方式具有傳輸速率快，掛載節(jié)點多等優(yōu)勢，由RS485 采集的轉矩轉速信號能夠在上位機界面準確顯示。伺服電機控制器與上位機采用CAN總線通信方式，CAN 總線具有傳輸速率快，抗干擾能力強等優(yōu)點，因此在工業(yè)控制中作為主要的通信方式。CAN 總線將上位機的轉速或轉矩指令信號傳遞至伺服電機控制器，電機控制器再通過FOC 控制方式來調整電機轉矩、轉速的輸出。轉矩轉速傳感器將其測定的結果傳輸?shù)缴衔粰C的數(shù)據(jù)采集模塊中進行相關數(shù)據(jù)的處理，最終將結果直觀地表示在上位機顯示面板上。圖3所示為實驗平臺整體結構方案。

圖3 測試平臺整體結構

3 小功率電機測試平臺的搭建

在本文第2 節(jié)中已經確定了測試平臺的整體結構方案，電機測試平臺采用了電機對拖的形式。接下來將對平臺所需的硬件設備進行對比選擇。

3.1 負載電機選擇

本文設計的小功率電機測試平臺面向的是額定功率在1 kW以下的電動汽車用電機，經廣泛調研，汽車用的小功率電機額定轉速一般在3 000 r/min以下，以2 000 r/min為主，極限工況下可達到6 000 r/min。因此，為保證模擬被測電機的工作負載，負載電機的特性曲線必須能夠完全覆蓋被測電機的特性曲線。在此，根據(jù)文獻，選擇的安全系數(shù)K＝1.5[12－13]。以此系數(shù)為根據(jù)，通過計算可以得到負載電機所需克服的轉矩為2.4～7.2 N·m。

利用式（1）可以計算出伺服電機額定功率約為1.78 kW。根據(jù)伺服電機最大額定轉矩7.2 N·m，以及額定功率1.78 kW進行初步挑選，結果如表1所示。

表1 負載電機選型

對比上述幾種伺服電機，可以看出，第一個伺服電機的各項參數(shù)均能較好地滿足本文測試平臺的性能參數(shù)需求。圖4所示為該型電機的特性曲線，該伺服電機在轉速為2 000 r/min時的連續(xù)轉矩能夠達到10 N·m，峰值轉矩下的轉速達到6 000 r/min，由圖可知其滿足了小功率電機測試的基本需求。

圖4 伺服電機轉矩轉速特性

3.2 轉矩轉速傳感器選擇

在電機測試過程中，測量負載電機的實際輸出轉矩、轉速、功率等，需要通過安裝在電機間的扭矩轉速傳感器讀取相關物理量。經過廣泛的市場調研，選出如表2所示的幾類轉矩轉速傳感器。由表可知，量程為20 N·m 傳感器的精度偏低，其最高轉速12 000 r/min 相對需求6 000～8 000 r/min 而言過大。在前一節(jié)里，已經確定測試過程中的最大轉矩不會超過10 N·m，因此，綜合考慮成本與精度因素，最終選擇第一個轉矩轉速傳感器。此外，考慮到該型傳感器采用RS485 通信，方便使用LABVIEW與其進行信息的交互。

表2 轉矩轉速傳感器選型

3.3 實物平臺搭建

前幾節(jié)敘述了電機測試平臺各個部件的選型工作，下一步將進行平臺各個部件的安裝裝配?？紤]到機械加工誤差以及人工裝配時的誤差，在安裝這些部件的過程中必須不斷調整，以確保整個對拖系統(tǒng)同軸度等的精度要求。如圖5～6 所示為整個永磁同步電機實驗研究平臺硬件結構部分的三維設計裝配效果圖以及最終的實物圖。

圖5 測試臺架3D圖

圖6 測試臺架實物

4 測試平臺調試與功能實現(xiàn)

4.1 轉矩轉速傳感器調試

測試平臺選用的轉矩轉速傳感器使用了RS485 通信模塊，采用Modbus RTU協(xié)議，具有雙通道輸出，同時可以傳輸轉矩與轉速信號。

RS485 屬于串口通信，串口通信的工作方式是通過串行的方式按位（bit）發(fā)送及接受字符，這種方式相對并行通信方式來說會慢一些，但節(jié)省了數(shù)據(jù)線。串口一般使用ASCII碼字符傳輸數(shù)據(jù)，通常來說每個字符除了8位數(shù)據(jù)位外，還有1位起始位和1位停止位，共10位，有時也要考慮奇偶校驗位。

本次上位機系統(tǒng)的編寫采用的軟件是LABVIEW，LAB?VIEW具有成熟的串口驅動底層，為用戶提供了便利的API接口，因此利用軟件包含的底層驅動，就可以使用LABVIEW對串口進行收發(fā)操作。如圖7所示為LABVIEW進行串口通信的程序流程圖，圖8所示為LABVIEW串口通信程序框圖。

圖7 串口通信流程

圖8 串口通信程序

4.2 伺服電機調試

測試平臺使用的伺服電機控制器支持以太網TCP/TP 協(xié)議，同時也支持工業(yè)現(xiàn)場總線CAN 通信。上位機使用LAB?VIEW 軟件編寫上位機系統(tǒng)的伺服電機控制系統(tǒng)，通過CAN通信實現(xiàn)對伺服電機的控制，CAN通信示意圖如圖9所示。

圖9 驅動器CAN通信

根據(jù)伺服電機控制器的CAN通信協(xié)議，每一幀CAN數(shù)據(jù)包通過過程數(shù)據(jù)對象（PDO）來進行實時的數(shù)據(jù)通信。PDO分為兩種類型，即傳輸PDO（TPDO）和接收PDO（RPDO），通過TPDO可以將數(shù)據(jù)從控制器傳至上位機的控制系統(tǒng)，而使用RPDO 則可以讓控制器接收從上位機控制系統(tǒng)中發(fā)出的數(shù)據(jù)。

利用PDO進行數(shù)據(jù)實時傳輸時，需要發(fā)送CAN報文，每一幀報文其中包括了11 位的COB－ID、控制字節(jié)、對象In?dex、子索引號以及4 個字節(jié)的數(shù)據(jù)內容。其中11 位的COB－ID分為兩個部分，第0～6位表示模塊ID，也就是可以將數(shù)字1～127設置為控制器的站地址。COB－ID的第7～10位是功能代碼，這4 位的二進制數(shù)規(guī)定了CAN 總線傳輸過程中報文的優(yōu)先級。

PDO 的對象定義了各個指令的含義，通過改變這些定義對象的值可以實現(xiàn)想要實現(xiàn)的功能。對象Index的存放是按照先低字節(jié)后高字節(jié)的存放順序。例如，在對象字典中6041h的定義為查詢控制器的狀態(tài)，此時想要查詢驅動器的狀態(tài)則可以通過CAN 總線發(fā)送幀ID 為603，數(shù)據(jù)內容為40 41 60 00 40 00 00 00的報文。

為了在上位機上清晰地顯示發(fā)送或接收的CAN 報文，并優(yōu)化邏輯操作，因此需要設計一個能夠儲存CAN報文的數(shù)據(jù)簇，并在LABVIEW中建立一個表格，表格的每一行都可以存放一個幀的所有結構，也即其中間包括有序號、傳輸方向、傳輸幀COB－ID、控制字節(jié)、對象Index、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內容等等，程序框圖如圖10所示。

圖10 CAN報文解析程序

上位機系統(tǒng)與伺服電機控制器之間采用CAN 卡進行連接，CAN 卡通過PCI插槽與PC連接，CAN 卡具有2 個CAN 通道。通過在LABVIEW 中調用CAN 卡的底層驅動函數(shù)庫，能夠實現(xiàn)上位機與電機控制器的CAN通信，上位機中CAN通信的配置流程如圖11～12所示。

圖11 CAN通信流程

4.3 上位機界面

本節(jié)為電機測試平臺編寫了上位機系統(tǒng)的主程序，將第4.1節(jié)的轉矩轉速傳感器串口模塊以及伺服電機控制模塊進行了整合，將其中需要的指令操作簡化，并設計了相應的人性化操作顯示界面。

圖12 CAN通信程序

上位機系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能主要包括讀取轉矩轉速控制器的轉矩、轉速測量值以及對負載伺服電機的驅動控制。根據(jù)此需求，設計的上位機系統(tǒng)界面如圖13所示。

圖13 測試平臺上位機界面

此界面中包含了4 個主要模塊，包括系統(tǒng)主面板、通信配置面板、電機控制面板以及數(shù)據(jù)采集顯示面板。

（1）主控面板可以對實驗臺的啟停進行控制，并設有緊急停止按鈕。

（2）通信配置面板可以配置RS485 串口及CAN 的通信參數(shù)，通信必須配置正確才可以啟動實驗臺。

（3）電機控制面板在點擊實驗臺啟動按鈕后才會出現(xiàn)，防止誤操作。在此面板中可以對伺服電機的工作模式進行選擇，可以以脈沖、周期脈沖以及連續(xù)輸出3種輸出模式輸出想要的轉速及轉矩指令。

（4）數(shù)據(jù)采集顯示面板可以顯示轉矩轉速傳感器采集的轉矩及轉速數(shù)據(jù)累計歷史圖象，同時在下方還有實時顯示最近10 s 內的數(shù)據(jù)細節(jié)圖象，通過拉動下方的藍色位置條可以隨時查看轉矩、轉速圖中的任意10 s內的細節(jié)。

4.4 控制功能實現(xiàn)

首先驗證負載伺服電機的轉速控制功能。通過電機控制面板輸入連續(xù)轉速值，設定為1 000 r/min，點擊確認按鈕，這時可以看到數(shù)據(jù)采集面板顯示出了相應的轉速圖象，如圖14所示，從細節(jié)圖可以看出，轉速誤差非常小，證明測試臺架具有良好的轉速控制能力。

圖14 上位機轉速采集

接下來驗證負載伺服電機的轉矩控制功能。驗證轉矩功能時需對伺服電機加一個恒定負載，以抵消伺服電機轉矩，通過伺服電機控制面板輸入連續(xù)轉矩值，設定為1.14 N·m，可以看到數(shù)據(jù)采集面板顯示出了相應的轉矩圖象，如圖15所示，從圖可知，轉矩誤差非常小，分布在－0.06～0.04 N·m，證明測試臺架具有良好的轉矩控制功能。

圖15 上位機轉矩采集

5 結束語

本文基于通過對電動汽車小功率電機測試平臺的測試需求分析，設計了測試平臺的整體方案，搭建了測試平臺的硬件與軟件系統(tǒng)，并編寫了能夠控制測試平臺的上位機系統(tǒng)，為小功率電機測試研究提供了較完善的實驗環(huán)境，總結如下。

（1）本文根據(jù)電動汽車小功率電機的技術特點和實驗研究要求，設計了電機測試平臺的總體方案。

（2）基于測試平臺的整體方案，選擇并對比了各個模塊所需的硬件設備，對負載電機及傳感器等進行了選型。并根據(jù)選擇的設備，綜合平臺的整體結構方案，設計并搭建了整個平臺的硬件系統(tǒng)。

（3）完成了測試平臺的數(shù)據(jù)采集及控制功能模塊的程序編寫，并將各個模塊有機的組合，協(xié)同工作，實現(xiàn)了測試平臺的控制及數(shù)據(jù)采集功能，實驗結果表明，轉矩范圍在0～10 N·m，轉速在0～8 000 r/min 范圍內時，測試平臺的穩(wěn)定運行，測試精度能夠達到0.1%，滿足實驗要求。同時上位機具有良好人機交互的平臺操作界面，為電機實驗研究提供了較好的環(huán)境和條件。