基于Vehicle Spy3的永磁同步電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

謝 斌, 張 楠, 武仲斌, 楊如丹

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

隨著電動(dòng)車輛的不斷發(fā)展,該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)電機(jī)受到廣泛關(guān)注[1]。電動(dòng)車輛課程廣泛涉及電機(jī)相關(guān)內(nèi)容,僅對(duì)電機(jī)理論知識(shí)進(jìn)行講解是不夠的,將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

電機(jī)測(cè)試平臺(tái)通過(guò)虛擬儀器技術(shù),可對(duì)各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、分析和記錄,完成電機(jī)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)[2],有助于學(xué)生了解電機(jī)的工作特性,大大豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。文獻(xiàn)[3]基于AVL電機(jī)測(cè)試臺(tái)架,搭建了驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試平臺(tái),并進(jìn)行了電機(jī)溫度對(duì)效率的影響實(shí)驗(yàn)和電機(jī)功率實(shí)驗(yàn)等,文獻(xiàn)[4]基于LabVIEW建立永磁直流電動(dòng)機(jī)綜合測(cè)試平臺(tái),并分析了振動(dòng)與噪聲波形,對(duì)本文具有參考意義。

本文基于Intrepid公司開發(fā)的Vehicle Spy3(簡(jiǎn)稱“Vspy3”)工具和CAN總線技術(shù),搭建永磁同步電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完成了對(duì)電機(jī)及其控制器性能的監(jiān)測(cè)及對(duì)參數(shù)的采集分析。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn),可使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,便于他們對(duì)電機(jī)理論知識(shí)的掌握。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立還在很大程度上降低了教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成及基本原理

1.1 硬件平臺(tái)

所設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)端通過(guò)Vspy3的ValueCAN3連接器,與被試電機(jī)控制器CAN總線相連,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向被試電機(jī)發(fā)送控制指令；調(diào)速手柄連接陪試電機(jī)控制器,控制陪試電機(jī)轉(zhuǎn)速；兩控制器分別與電機(jī)進(jìn)行電連接和信號(hào)連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制；電機(jī)之間通過(guò)扭矩傳感器連接,扭矩傳感器信號(hào)線連接到JN-3388轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)增加了冷卻循環(huán),確保陪試電機(jī)、被試電機(jī)和兩電機(jī)控制器保持額定冷卻條件。

圖1 永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平面結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用2臺(tái)功率等級(jí)相近的電機(jī)以對(duì)拖形式連接,可通過(guò)測(cè)量?jī)x器深入分析電機(jī)及控制器的性能指標(biāo)[5-6]?？偩€采集母線電壓、母線電流、電機(jī)溫度、控制器溫度、相電壓、相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩等參數(shù),通過(guò)扭矩傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x采集實(shí)際轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)。

永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為硬件部分和軟件監(jiān)測(cè)部分,硬件部分主要由被試電機(jī)、陪試電機(jī)、電機(jī)控制器、ValueCAN3車輛接口、電源柜、扭矩傳感器和12 V電源等組成,軟件監(jiān)測(cè)部分主要為Vspy3軟件。

陪試電機(jī)為一臺(tái)30 kW功率等級(jí)的永磁同步電機(jī),被試電機(jī)為20 kW永磁同步電機(jī)。被試電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min,額定轉(zhuǎn)矩76 N·m；陪試電機(jī)主要為轉(zhuǎn)速控制,轉(zhuǎn)速上限設(shè)定為6 000 r/min,防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)失速。2個(gè)電機(jī)采用相同的控制器,電機(jī)控制器支持CAN通信,是上位機(jī)與電機(jī)之間通信的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),控制器為電機(jī)提供額定電壓[7-8]。

采用準(zhǔn)確度為0.2級(jí)的扭矩傳感器,傳感器轉(zhuǎn)矩量程200 N·m,轉(zhuǎn)速量程10 000 r/min,傳感器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x相連,實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率。

Intrepid公司為Vspy3軟件提供車輛網(wǎng)絡(luò)硬件接口,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用ValueCAN3車輛接口,該接口可用于CAN總線連接,帶有2路雙線CAN通道,支持CCP協(xié)議,實(shí)時(shí)性較高。

1.2 軟件測(cè)試系統(tǒng)

利用Vspy3工具實(shí)現(xiàn)對(duì)總線數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)和輸入控制指令等功能[9],與專用車輛接口結(jié)合支持CAN總線、LIN總線和J1939等多種通信協(xié)議,可直接分析從CAN總線采集到的數(shù)據(jù)。

通過(guò)電機(jī)通信協(xié)議,在Vspy3中建立6條接收?qǐng)?bào)文和3條發(fā)送報(bào)文,分配報(bào)文優(yōu)先級(jí),并設(shè)定報(bào)文周期。軟件中總線監(jiān)控功能可以快速創(chuàng)建過(guò)濾器,通過(guò)過(guò)濾ID獲得所需報(bào)文信息,在每條報(bào)文下可以查看信號(hào)信息和曲線變化情況。

Vspy3采用先采集再保存方式,采集總線報(bào)文數(shù)據(jù),并以特定文件類型存儲(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)記錄后,通過(guò)軟件自帶的回放仿真功能,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)后仿真,便于實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)的分析總結(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試程序

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用CAN總線技術(shù)較高的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,由Vspy3采集CAN總線上的各類數(shù)據(jù)并在測(cè)試程序中顯示,傳感器的數(shù)據(jù)由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行記錄,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被試電機(jī)轉(zhuǎn)矩由上位機(jī)發(fā)送的報(bào)文實(shí)現(xiàn)控制[9]。

2.1 數(shù)據(jù)采集

依照相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求,采用Vspy3信息編輯功能創(chuàng)建接收?qǐng)?bào)文格式；依照電機(jī)控制器通信協(xié)議,建立對(duì)應(yīng)的信號(hào)類型,包括報(bào)文名稱、類型和長(zhǎng)度等,并將每個(gè)接收信號(hào)進(jìn)行具體描述,以便于區(qū)分采集信號(hào)的具體內(nèi)容。采集的信號(hào)可以分為驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器信息、母線信息、故障信息等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所要接收的報(bào)文信息如表1所示。

表1 報(bào)文協(xié)議

從總線上采集到的數(shù)據(jù),通過(guò)以Vspy3圖形面板功能建立的被試電機(jī)信息采集平臺(tái)顯示,如圖2所示,主要顯示電機(jī)狀態(tài)、工作模式以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)等。

圖2 被試電機(jī)測(cè)試界面

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

為了進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制精度和電機(jī)效率測(cè)試等實(shí)驗(yàn),上位機(jī)軟件需向電機(jī)控制器實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)[10]。采用Vspy3創(chuàng)建3條發(fā)送報(bào)文,其中關(guān)鍵報(bào)文的標(biāo)識(shí)符為0x210,報(bào)文內(nèi)容主要包括電機(jī)控制單元使能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作模式和驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令等。在圖2所示的采集平臺(tái)中,打開按鈕即可管理電機(jī)控制單元使能。

2.3 測(cè)試程序操作流程

測(cè)試程序操作流程如圖3所示。測(cè)試程序在啟動(dòng)之前,需要先配置軟件波特率,匹配電機(jī)控制器,采集平臺(tái)中按下打開按鈕,實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制單元使能,然后才可通過(guò)調(diào)速手柄增加陪試電機(jī)轉(zhuǎn)速,測(cè)試程序?qū)崿F(xiàn)總線信息接收,并在測(cè)試界面顯示。

圖3 測(cè)試程序操作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成永磁同步電機(jī)基本性能測(cè)試,包括不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)效率測(cè)試、轉(zhuǎn)矩控制精度測(cè)試、額定轉(zhuǎn)矩及過(guò)載轉(zhuǎn)矩下溫升測(cè)試等[11]。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后,主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩控制精度實(shí)驗(yàn)及電機(jī)效率實(shí)驗(yàn)。

3.1 轉(zhuǎn)矩控制精度實(shí)驗(yàn)

電動(dòng)車輛在不同工況下行駛時(shí),車用電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性在很大程度上影響車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,轉(zhuǎn)矩控制精度決定了電動(dòng)車輛是否可以滿足駕駛員的駕駛需求[12]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)控制被試電機(jī)和陪試電機(jī),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制精度實(shí)驗(yàn)[13]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,調(diào)速手柄通過(guò)向陪試電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速命令控制轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速?gòu)钠鹗嫉?00 r/min逐步增加至2 500 r/min為止,然后上位機(jī)向被試電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩命令,在每個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)增加轉(zhuǎn)矩,起始為0 N·m,以5 N·m為步長(zhǎng),直至增加到電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩,選擇轉(zhuǎn)矩節(jié)點(diǎn)并予以記錄。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需保證電機(jī)及控制器處于額定冷卻條件,避免溫度過(guò)高影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。

轉(zhuǎn)矩—相電流關(guān)系如圖4所示,主要反映電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與相電流的關(guān)系。由圖可見,轉(zhuǎn)矩變化引起電流變化,永磁同步電機(jī)在2 000 r/min之前,隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的增加,相電流基本保持恒定,基本與轉(zhuǎn)速的改變無(wú)關(guān)。當(dāng)相電流達(dá)到120 A時(shí),目標(biāo)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到146.8 N·m。

圖4 轉(zhuǎn)矩—相電流關(guān)系圖

在各電機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)增加目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,并記錄此時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)矩,如表2所示。

表2 在不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩

實(shí)際轉(zhuǎn)矩的平均值與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖5所示,實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩差值面積如圖6所示。圖5和圖6表明,隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的增加,實(shí)際轉(zhuǎn)矩在各個(gè)轉(zhuǎn)速下變化的趨勢(shì)基本一致,當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩由5 N·m逐漸增加至150 N·m過(guò)程中,實(shí)際轉(zhuǎn)矩均高于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,即存在正偏差,在75 N·m附近存在最大轉(zhuǎn)矩正偏差,當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩在150—200 N·m階段,實(shí)際轉(zhuǎn)矩均低于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值,即存在負(fù)偏差,并逐漸趨于電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩170 N·m[14]。

圖5 實(shí)際轉(zhuǎn)矩平均值的變化

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)矩平均值與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的差值

3.2 電機(jī)效率實(shí)驗(yàn)

根據(jù)各轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)處的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值,以及信息采集平臺(tái)采集的母線電壓和電流值,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率計(jì)算公式(1),得到圖7所示的電機(jī)系統(tǒng)效率圖。

(1)

式中：T為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩, N·m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;U為直流母線電壓,V；I為直流母線電流,A。

從圖7可知,電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速內(nèi),系統(tǒng)最高效率為93%,電機(jī)系統(tǒng)效率高于80%的面積約占整個(gè)面積69.7%,電機(jī)系統(tǒng)效率較高。電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min至2 500 r/min范圍內(nèi),系統(tǒng)效率在80%以上的區(qū)間占99.5%。

電機(jī)發(fā)電效率如圖8所示。電機(jī)在發(fā)電情況下,系統(tǒng)仍然保持較高效率,效率最高為92%,電機(jī)系統(tǒng)80%以上效率區(qū)間約占總面積的65%。

圖7 電機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)效率

圖8 電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電效率

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于Vehicle Spy 3測(cè)試軟件和CAN總線技術(shù),搭建了低成本的永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的基本參數(shù)采集、記錄和分析等功能。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩控制精度實(shí)驗(yàn)和電機(jī)效率實(shí)驗(yàn),有助于學(xué)生了解電機(jī)性能、加深電機(jī)理論知識(shí)學(xué)習(xí),為電動(dòng)車輛研究做了很好的鋪墊。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)軟硬件相結(jié)合的方式,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)得到更全面的訓(xùn)練,提升了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和思考能力,實(shí)驗(yàn)完成后還可對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)回放仿真分析,便于實(shí)驗(yàn)課程的安排。