電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王現(xiàn)海，高德欣

（青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，青島 266061）

我國(guó)的新能源汽車(chē)行業(yè)在近些年得到了空前的發(fā)展。國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》為新能源汽車(chē)發(fā)展指明方向。新能源汽車(chē)出廠必須進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電子電控等系統(tǒng)的測(cè)試[1]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很多成果[2-3]，例如，文獻(xiàn)[2]提出了一種新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)組成；文獻(xiàn)[3]給出了新能源汽車(chē)電機(jī)的不同效率測(cè)定的硬件系統(tǒng)組成和測(cè)試方法。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]均是將測(cè)得的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)之后再利用MATLAB 進(jìn)行繪制，這種測(cè)試分析方法不僅麻煩，還會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，不利于企業(yè)提高生產(chǎn)力。文獻(xiàn)[4]提出一種將遞推最小二乘法與模型參考自適應(yīng)法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻在線辨識(shí)。

本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)定的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套測(cè)試與分析系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件組成，設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在軟件內(nèi)繪制電機(jī)效率云圖，并利用自適應(yīng)最小二乘法進(jìn)行對(duì)電機(jī)測(cè)試歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，從多方面對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滿足了電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)性能測(cè)試要求[5-6]，縮短了電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)測(cè)試周期，提高了測(cè)試效率。

1 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)以西門(mén)子PLC S7-300 和CP5611 卡、HIOKI（日置）的功率分析儀、德國(guó)的HBM-T40B 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器以及被試電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、變頻器、直流電源等組成工控機(jī)硬件平臺(tái)，各設(shè)備之間的連線如圖1 所示。系統(tǒng)總體可以分為4 個(gè)模塊：

圖1 設(shè)備連線圖Fig.1 Device connection diagram

（1）工控模塊：主要是安裝在工控機(jī)上的平臺(tái)測(cè)試和分析軟件，其功能包括對(duì)測(cè)試平臺(tái)和電機(jī)的控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、結(jié)果導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)曲線擬合、效率云圖繪制等。

（2）電機(jī)控制模塊：包括電源、測(cè)功機(jī)控制器、電機(jī)控制器。為提高測(cè)試精度，選用測(cè)功機(jī)控制器控制負(fù)載電機(jī)的參數(shù)達(dá)到對(duì)被試電機(jī)增加或減少負(fù)載的目的。電機(jī)控制器通過(guò)控制被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）機(jī)械平臺(tái)模塊：該模塊主要包括傳感器、電機(jī)等臺(tái)架部分。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器傳入PLC 存儲(chǔ)，同時(shí)安裝了振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、防護(hù)罩、鼓風(fēng)機(jī)等裝置，保證測(cè)試過(guò)程安全穩(wěn)定的進(jìn)行。

（4）參數(shù)采集模塊：主要指的是功率分析儀和西門(mén)子PLC S7-300。為了保持參數(shù)采集的同時(shí)性和一致性，上位機(jī)采用Profibus-DP 通訊方式讀取PLC S7-300 寄存器中的數(shù)據(jù)的同時(shí)采用Socket 通訊方式讀取功率分析儀中的參數(shù)。

1.1 軟件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用C# 語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主界面如圖2 所示。本系統(tǒng)的主要任務(wù)是在測(cè)試部分通過(guò)Profibus-DP 協(xié)議與西門(mén)子PLC 通訊進(jìn)而控制電機(jī)，使用Socket 通訊協(xié)議完成對(duì)電機(jī)的繞組電流、驅(qū)動(dòng)電壓等參數(shù)的多通道的采集并存儲(chǔ)；在分析部分對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行效率云圖繪制和曲線擬合分析。因?yàn)橄到y(tǒng)軟件在控制電機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)操作的同時(shí)，還需進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所以提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率顯得尤為重要。在軟件的開(kāi)發(fā)中運(yùn)用了多種編程技術(shù)，如多線程、定時(shí)器、進(jìn)程間通訊技術(shù)等。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of system

軟件編寫(xiě)采用模塊化的思想，系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，各模塊的具體功能如下：

圖3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System software function design structure

（1）測(cè)試模塊：按照國(guó)標(biāo)要求對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)得電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到與測(cè)試單號(hào)相對(duì)應(yīng)的Access 數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（2）數(shù)據(jù)模塊：將與測(cè)試單號(hào)相對(duì)應(yīng)的Access中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種計(jì)算，同時(shí)在軟件相對(duì)應(yīng)的位置上顯示其結(jié)果。

（3）曲線分析模塊：將歷史數(shù)據(jù)以自適應(yīng)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合。還需要反映電機(jī)測(cè)試效率在不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的分布情況，將其繪制成效率云圖。

（4）用戶(hù)管理模塊：管理此軟件的用戶(hù)信息，將用戶(hù)分為3 級(jí)：系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)操作員、系統(tǒng)維護(hù)。但是只有管理員才對(duì)此模塊有使用權(quán)限。

（5）幫助模塊：實(shí)現(xiàn)軟件注冊(cè)，查看軟件版本及本軟件的功能特點(diǎn)。

1.2 軟件測(cè)試部分

軟件測(cè)試部分的流程如圖4 所示，其功能如下：

（1）新建測(cè)試單：根據(jù)需求在指定文件夾創(chuàng)建與測(cè)試單號(hào)相同的數(shù)據(jù)庫(kù)，以備試驗(yàn)的數(shù)據(jù)存入。

（2）選擇測(cè)試單：將試驗(yàn)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保存到與選擇的測(cè)試單號(hào)同名的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）選擇試驗(yàn)類(lèi)型：為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保護(hù)電機(jī)的安全，設(shè)置為在同一時(shí)間只能選擇一種試驗(yàn)類(lèi)型，根據(jù)需求選擇試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

（4）啟動(dòng)測(cè)試：上方功能選擇完成之后，才可進(jìn)行啟動(dòng)。啟動(dòng)測(cè)試完成后，電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)采集、顯示、自動(dòng)存入之前選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（5）具體試驗(yàn)操作：不同試驗(yàn)按照試驗(yàn)要求調(diào)整不同的電壓、電流等參數(shù)，可選擇手動(dòng)試驗(yàn)和自動(dòng)試驗(yàn)2 種操作。

（6）停止測(cè)試：數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)停止，PLC 讀寫(xiě)停止，界面各項(xiàng)指示重置。

1.3 分析部分

分析部分主要是將測(cè)試部分存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線的擬合和電機(jī)效率云圖的繪制。

1.3.1 曲線擬合

本系統(tǒng)對(duì)曲線進(jìn)行擬合的方法是自適應(yīng)最小二乘法，該方法的思想就是在經(jīng)典最小二乘理論的基礎(chǔ)上，原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次的數(shù)據(jù)重構(gòu)，然后用不同次數(shù)的多項(xiàng)式對(duì)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，找到最佳的擬合多項(xiàng)式。最后對(duì)擬合多項(xiàng)式進(jìn)行反數(shù)據(jù)重構(gòu)，回歸到原始數(shù)據(jù)形態(tài)，以此來(lái)解決常規(guī)最小二乘擬合法由于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)自身的特性帶來(lái)的一系病態(tài)的問(wèn)題[7]。

（1）數(shù)據(jù)重構(gòu)

在測(cè)試過(guò)程中，會(huì)存在數(shù)據(jù)在電機(jī)高轉(zhuǎn)速環(huán)境下發(fā)生傳輸錯(cuò)誤等情況，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值、數(shù)值跨度較大的情況，會(huì)直接影響到對(duì)該數(shù)據(jù)的曲線擬合，為了使擬合的效果更佳，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平移、數(shù)域轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮與擴(kuò)張來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)。

（2）自適應(yīng)最小二乘法擬合

與普通最小二乘法相比，自適應(yīng)最小二乘法對(duì)輸入數(shù)據(jù)的反復(fù)重構(gòu)找到最佳的擬合多項(xiàng)式。步驟如下：

3）將Sn1（x）上下平移Δy，其中Δy＝max（∣yi-Sn1（xi）∣）/2；

4）經(jīng)過(guò)前3 個(gè)步驟得到一組擬合數(shù)據(jù)（xi，yi1）（i=1，2，…，t），其中t 為要擬合的次數(shù)。將擬合數(shù)據(jù)（xi，yi1）（i=1，2，…，t）再次按照以上步驟進(jìn)行擬合，得到新的擬合數(shù)據(jù)（xi，yi2）（i=1，2，…，t），并計(jì)算兩次擬合數(shù)據(jù)的均方值（root mean square，RMS），如果RMS＞ε，則繼續(xù)進(jìn)行重復(fù)以上步驟，直到RMS≤ε，此時(shí)得到的函數(shù)便是n=3 的擬合函數(shù)，并記錄下擬合的次數(shù)；

5）當(dāng)n=3 的函數(shù)擬合完成后，再取n=4，5，…，t-1 按照上述步驟得到各自的擬合函數(shù)同時(shí)記錄下擬合次數(shù)，將擬合次數(shù)最少的函數(shù)作為其最終擬合函數(shù)。

1.3.2 效率云圖

電機(jī)效率云圖主要反映了電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的效率分布情況。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化會(huì)影響其輸出功率，進(jìn)而導(dǎo)致輸出效率發(fā)生變化。電機(jī)效率的高低決定著電機(jī)性能的優(yōu)劣，一般使用效率云圖來(lái)描述該電機(jī)的效率特性，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是目前的方法大多數(shù)是將測(cè)得的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)之后再利用MATLAB進(jìn)行繪制，在使用時(shí)相對(duì)比較麻煩，而本系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)直接生成效率云圖，提升了數(shù)據(jù)分析的效率。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)類(lèi)型與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可以對(duì)多種功率的永磁同步電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，可以完成的試驗(yàn)項(xiàng)目包括負(fù)載、溫升、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、超速、耐久、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)等，每個(gè)試驗(yàn)都有其特定目的和特性曲線，以此來(lái)驗(yàn)證電機(jī)的性能。

以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的永磁同步電機(jī)為例，該電機(jī)的基本參數(shù)如下：額定功率為40 kW，峰值功率為80 kW；額定轉(zhuǎn)矩為125 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為300 N·m；最高轉(zhuǎn)速為9000 r/min；高效工作效率區(qū)間為電機(jī)效率在80%的點(diǎn)至少占有85%，峰值效率大于93%；絕緣等級(jí)為H。本文選取負(fù)載實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)進(jìn)行分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的合理性。

2.1 負(fù)載試驗(yàn)

負(fù)載試驗(yàn)的目的是采集電機(jī)在一定工況下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求將數(shù)據(jù)擬合成負(fù)載特性曲線，最終確定該電機(jī)在本次試驗(yàn)中是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)負(fù)載特性曲線如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)負(fù)載特性曲線Fig.5 Standard motor load characteristic curve

以500 r/min 作為電機(jī)的起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速，每增加500 r/min 目標(biāo)轉(zhuǎn)速，記錄一次電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)矩值，電機(jī)在額定和峰值狀態(tài)下的數(shù)據(jù)如表1 所示。分別以自適應(yīng)最小二乘法和常規(guī)最小二乘法對(duì)表1 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行特性曲線擬合，如圖6 和圖7所示。將圖6 和圖7 對(duì)比，可見(jiàn)自適應(yīng)最小二乘法擬合曲線更加的平滑；并與圖5 對(duì)比，可見(jiàn)擬合曲線完全滿足國(guó)標(biāo)的要求，證明了本系統(tǒng)電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)的有效性。

表1 額定和峰值工況下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)Tab.1 Rated and peak operating speed torque data

圖6 自適應(yīng)最小二乘法擬合曲線Fig.6 Curves fitted by adaptive least square method

圖7 常規(guī)最小二乘法擬合曲線Fig.7 Curve fitted by conventional least square method

2.2 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)主要是按照給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的工況表對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率，通過(guò)公式η＝計(jì)算求出電機(jī)的效率，然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成效率云圖，再求出高效工作區(qū)和峰值效率判斷是否符合要求。永磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下的電機(jī)效率數(shù)據(jù)如表2 所示。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)形成的效率云圖如圖8 所示。從效率云圖上看，在低轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)矩的情況下電機(jī)的效率均不高，在轉(zhuǎn)矩范圍為50～225 N·m 和轉(zhuǎn)速范圍為1500～5500 r/min 的情況下，電機(jī)效率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的增加而增加，超過(guò)此范圍，電機(jī)效率就會(huì)發(fā)生隨著轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的增加而降低的情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到電機(jī)的峰值效率為94.2%，其高效工作區(qū)的效率為92.4%，符合轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性要求和電機(jī)的參數(shù)要求，生成的效率云圖正確無(wú)誤，可以清晰的看出效率的分布，證明了本系統(tǒng)的有效性。

表2 不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下的電機(jī)效率Tab.2 Motor efficiency under different speed torque

圖8 效率云圖Fig.8 Efficiency cloud map

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng)，并在某電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中試驗(yàn)應(yīng)用。系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，能夠滿足對(duì)永磁同步電機(jī)的性能及耐久性測(cè)試，結(jié)果測(cè)試精度和準(zhǔn)確率較高，系統(tǒng)功能豐富，尤其是實(shí)時(shí)效率云圖和在線實(shí)時(shí)曲線擬合功能，滿足了企業(yè)要求，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，具有一定的推廣價(jià)值。