【电驱动】电动汽车驱动电机测试与分析系统设计

导读

为实现对电动汽车驱动电机性能的测试,该文根据国家标准设计了一套电动汽车驱动电机测试与分析系统｡该系统根据技术协议的要求以西门子PLCS7-300为主要控制器搭建系统的硬件平台,使用C#高级语言开发测试分析软件完成硬件平台控制､数据采集､生成效率云图和历史数据曲线拟合分析并将结果导出｡实验结果表明,该系统自动化程度高､功能全面､软件操作简单,可以精准快速地完成永磁同步电机的性能测试,具有提高数据分析效率､缩短测试分析周期等优势｡

关键词：永磁同步电机;C#;自适应最小二乘法;效率云图

作者：王现海，高德欣

青岛科技大学 自动化与电子工程学院，青岛

我国的新能源汽车行业在近些年得到了空前的发展｡国务院出台了《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》为新能源汽车发展指明方向｡新能源汽车出厂必须进行动力系统､驱动系统､控制系统､电子电控等系统的测试[1]｡目前,国内针对汽车驱动电机测试系统的研究已经有了很多成果[2-3],

例如,文献[2]提出了一种新能源汽车驱动电机的测试系统,并详细分析了系统组成;文献[3]给出了新能源汽车电机的不同效率测定的硬件系统组成和测试方法｡文献[2]和文献[3]均是将测得的转矩､转速､效率数据导出来之后再利用MATLAB进行绘制,这种测试分析方法不仅麻烦,还会浪费时间,不利于企业提高生产力｡文献[4]提出一种将递推最小二乘法与模型参考自适应法相结合的方法实现了异步电机转子电阻在线辨识｡

本文根据国家标准及其规定的试验方法,设计开发了一套测试与分析系统,给出了系统实现的硬件组成,设计了上位机监控软件｡本系统实现了在软件内绘制电机效率云图,并利用自适应最小二乘法进行对电机测试历史数据进行了曲线拟合,从多方面对电机的性能进行了分析｡实验结果表明,满足了电动汽车电机性能测试要求[5-6],缩短了电动汽车驱动电机试验测试周期,提高了测试效率｡

01  系统硬件组成

本系统以西门子PLCS7-300和CP5611卡､HIOKI(日置)的功率分析仪､德国的HBM-T40B转速转矩传感器以及被试电机､负载电机､变频器､直流电源等组成工控机硬件平台,各设备之间的连线如图1所示｡系统总体可以分为4个模块:

（1）工控模块:主要是安装在工控机上的平台测试和分析软件,其功能包括对测试平台和电机的控制,对数据进行分析､结果导出､历史数据曲线拟合､效率云图绘制等｡

（2）电机控制模块:包括电源､测功机控制器､电机控制器｡为提高测试精度,选用测功机控制器控制负载电机的参数达到对被试电机增加或减少负载的目的｡电机控制器通过控制被试电机的转速､转矩等参数来进行试验｡

（3）机械平台模块:该模块主要包括传感器､电机等台架部分｡转速和转矩信号通过转速转矩传感器传入PLC存储,同时安装了振动传感器､温度传感器､防护罩､鼓风机等装置,保证测试过程安全稳定的进行｡

（4）参数采集模块:主要指的是功率分析仪和西门子PLCS7-300｡为了保持参数采集的同时性和一致性,上位机采用Profibus-DP通讯方式读取PLCS7-300寄存器中的数据的同时采用Socket通讯方式读取功率分析仪中的参数｡

软件总体设计

本系统在MicrosoftVisualStudio开发平台使用C#语言进行系统软件程序的开发设计,系统主界面如图2所示｡本系统的主要任务是在测试部分通过Profibus-DP协议与西门子PLC通讯进而控制电机,使用Socket通讯协议完成对电机的绕组电流､驱动电压等参数的多通道的采集并存储;在分析部分对已经存储在数据库中的历史数据进行效率云图绘制和曲线拟合分析｡因为系统软件在控制电机进行各项操作的同时,还需进行数据分析,所以提升系统的运行效率显得尤为重要｡在软件的开发中运用了多种编程技术,如多线程､定时器､进程间通讯技术等｡

软件编写采用模块化的思想,系统软件功能设计结构如图3所示,各模块的具体功能如下:

（1）测试模块:按照国标要求对永磁同步电机进行测试,将测得电压､电流､转速､转矩等各个参数数据存储到与测试单号相对应的Access数据库中,以便后续分析模块进行数据分析｡

（2）数据模块:将与测试单号相对应的Access中的数据进行多种计算,同时在软件相对应的位置上显示其结果｡

（3）曲线分析模块:将历史数据以自适应最小二乘法进行曲线拟合｡还需要反映电机测试效率在不同转矩和转速下的分布情况,将其绘制成效率云图｡

（4）用户管理模块:管理此软件的用户信息,将用户分为3级:系统管理员､系统操作员､系统维护｡但是只有管理员才对此模块有使用权限｡

（5）帮助模块:实现软件注册,查看软件版本及本软件的功能特点｡

软件测试部分

软件测试部分的流程如图4所示,其功能如下:

（1）新建测试单:根据需求在指定文件夹创建与测试单号相同的数据库,以备试验的数据存入｡

（2）选择测试单:将试验需要存储的数据保存到与选择的测试单号同名的数据库中｡

（3）选择试验类型:为了保证系统的稳定性和保护电机的安全,设置为在同一时间只能选择一种试验类型,根据需求选择试验进行测试｡

（4）启动测试:上方功能选择完成之后,才可进行启动｡启动测试完成后,电机参数实时采集､显示､自动存入之前选择的数据库中｡

（5）具体试验操作:不同试验按照试验要求调整不同的电压､电流等参数,可选择手动试验和自动试验2种操作｡

（6）停止测试:数据库读写停止,PLC读写停止,界面各项指示重置｡

分析部分

分析部分主要是将测试部分存入数据库中的历史数据进行曲线的拟合和电机效率云图的绘制｡

曲线拟合

本系统对曲线进行拟合的方法是自适应最小二乘法,该方法的思想就是在经典最小二乘理论的基础上,原始数据进行了多次的数据重构,然后用不同次数的多项式对重构后的数据进行拟合,找到最佳的拟合多项式｡最后对拟合多项式进行反数据重构,回归到原始数据形态,以此来解决常规最小二乘拟合法由于原始数据点自身的特性带来的一系病态的问题[7]｡

（1）数据重构

在测试过程中,会存在数据在电机高转速环境下发生传输错误等情况,导致采集到的数据会出现负值､数值跨度较大的情况,会直接影响到对该数据的曲线拟合,为了使拟合的效果更佳,对原始数据进行数据平移､数域转换､数据压缩与扩张来实现数据重构｡

（2）自适应最小二乘法拟合

与普通最小二乘法相比,自适应最小二乘法对输入数据的反复重构找到最佳的拟合多项式｡步骤如下:

1)将原始数据进行数据重构形成新的数据组

 ii(x*,y*)(i=1,2,…,N);ii2)先对数据(x*,y*)(i=1,2,…,N)(n=3)次多项n式进行曲线拟合,求出拟合函数Sn(x)=Σakxk,然后k=0按照普通的最小二乘法的方法求出系数ak1(k=0,1,n…,n),得到Sn1(x)=Σak1xk;k=03）将Sn1(x)上下平移Δy,其中Δy=max(∣yi-Sn1(xi)∣)/2;4）经过前3个步骤得到一组拟合数据(xi,yi1)(i=1,2,…,t),其中t为要拟合的次数｡将拟合数据(xi,yi1)(i=1,2,…,t)再次按照以上步骤进行拟合,得到新的拟合数据(xi,yi2)(i=1,2,…,t),并计算两次拟合数据的均方值(rootmeansquare,RMS),如果RMS>ε,则继续进行重复以上步骤,直到RMS≤ε,3此时得到的函数S3(x)=Σakxk便是n=3的拟合函k=0数,并记录下拟合的次数;5）当n=3的函数拟合完成后,再取n=4,5,…,nt-1按照上述步骤得到各自的拟合函数Sn(x)=Σakxk,k=0同时记录下拟合次数,将拟合次数最少的函数作为其最终拟合函数｡1.3.2效率云图

电机效率云图主要反映了电机在不同转矩和转速下的效率分布情况｡对于驱动电机来说,转矩和转速的变化会影响其输出功率,进而导致输出效率发生变化｡电机效率的高低决定着电机性能的优劣,一般使用效率云图来描述该电机的效率特性,对其进行评价｡但是目前的方法大多数是将测得的转矩､转速､效率数据导出来之后再利用MATLAB进行绘制,在使用时相对比较麻烦,而本系统可以将数据库中的数据直接生成效率云图,提升了数据分析的效率｡

02  系统试验类型与数据分析

系统可以对多种功率的永磁同步电机进行测试,可以完成的试验项目包括负载､温升､转速转矩､超速､耐久､堵转试验等,每个试验都有其特定目的和特性曲线,以此来验证电机的性能｡

以现场测试的永磁同步电机为例,该电机的基本参数如下:额定功率为40kW,峰值功率为80kW;额定转矩为125N·m,峰值转矩为300N·m;最高转速为9000r/min;高效工作效率区间为电机效率在80%的点至少占有85%,峰值效率大于93%;绝缘等级为H｡本文选取负载实验和转速转矩试验进行分析,通过现场的测试,验证了本系统的合理性｡

负载试验

负载试验的目的是采集电机在一定工况下的转速､转矩等参数,根据国家标准的要求将数据拟合成负载特性曲线,最终确定该电机在本次试验中是否符合国家标准｡标准电机负载特性曲线如图5所示｡

以500r/min作为电机的起始目标转速,每增加500r/min目标转速,记录一次电机实际的转速值和转矩值,电机在额定和峰值状态下的数据如表1所示｡分别以自适应最小二乘法和常规最小二乘法对表1的转速转矩进行特性曲线拟合,如图6和图7所示｡将图6和图7对比,可见自适应最小二乘法拟合曲线更加的平滑;并与图5对比,可见拟合曲线完全满足国标的要求,证明了本系统电机负载试验的有效性｡

转速转矩试验

转速转矩试验主要是按照给定转速转矩的工况表对电机进行测试，同时测量转速、转矩、功率，然后将试验数据绘制成效率云图,再求出高效工作区和峰值效率判断是否符合要求｡永磁同步电机不同转速转矩下的电机效率数据如表2所示｡根据表2中的数据形成的效率云图如图8所示｡从效率云图上看,在低转速或低转矩的情况下电机的效率均不高,在转矩范围为50~225N·m和转速范围为1500~5500r/min的情况下,电机效率会随着转速或转矩的增加而增加,超过此范围,电机效率就会发生随着转速或转矩的增加而降低的情况｡经过计算得到电机的峰值效率为94.2%,其高效工作区的效率为92.4%,符合转速转矩特性要求和电机的参数要求,生成的

效率云图正确无误，可以清晰的看出效率的分布，证明了本系统的有效性。

03  结语

本文设计了一套电动汽车驱动电机测试与分析系统,并在某电机生产企业中试验应用｡系统经现场试运行,能够满足对永磁同步电机的性能及耐久性测试,结果测试精度和准确率较高,系统功能丰富,尤其是实时效率云图和在线实时曲线拟合功能,满足了企业要求,提高了企业的生产效率,具有一定的推广价值｡

【参考文献】

[1]严蓓兰.新能源汽车电机发展趋势及测试评价研究[J].电机与控制应用,2018,45(6):109-116.

[2]李晓航,张文武.新能源汽车驱动电机测试系统的研究[J].电测与仪表,2021,58(9):103-108.

[3]伍庆龙,杨钫,王燕.电动汽车驱动电机工作特性及效率测试研究[J].汽车文摘,2020(7):48-51.

[4]赵海森,杜中兰,刘晓芳,等.基于递推最小二乘法与模型参考自适应法的鼠笼式异步电机转子电阻在线辨识方法[J].中国电机工程学报,2014,34(30):5386-5394.

[5]陈良.基于 LabVIEW 的永磁同步电机性能测试系统设计及应用[J].现代制造工程,2020(5):155-161+97.

[6]林加堃,涂群章,段克军,等.永磁同步电机控制系统仿真与试验[J].兵器装备工程学报,2016,37(2):150-153.

[7]高德欣,程捷,白剑飞.最小二乘法在电机测试分析中的应用[J].微电机,2017,50(3):9-13.