變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車電機試驗臺架上的應(yīng)用

摘要：針對新能源汽車電機試驗臺架在試驗過程中轉(zhuǎn)速控制易受到變頻器控制不穩(wěn)定影響，導(dǎo)致新能源汽車電機轉(zhuǎn)速測試不準確的問題，提出了一種新的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)，并對其在新能源汽車電機試驗臺架上的應(yīng)用進行了研究。通過變頻器選型和變頻器調(diào)速加載控制器設(shè)計，完成系統(tǒng)的硬件搭建，結(jié)合系統(tǒng)的軟件設(shè)計，實現(xiàn)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車電機試驗臺架上的有效應(yīng)用。試驗結(jié)果表明，所提出的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車電機轉(zhuǎn)驗臺架上的100 h無擾動運行完成試驗率為85.1%，比傳統(tǒng)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，效率更高。

關(guān)鍵詞：變頻器;調(diào)速加載系統(tǒng);新能源汽車;電機轉(zhuǎn)速;試驗臺架

0 引言

新能源汽車電機試驗是新能源汽車開發(fā)與電機轉(zhuǎn)速檢測過程中的一個重要環(huán)節(jié)[1]。目前新能源汽車電機試驗基本上都是采用計算機仿真和道路真實試驗的方式，計算機仿真主要借助有關(guān)計算軟件，模擬新能源汽車的實際駕駛情況，主要步驟是建立新能源汽車駕駛模型，駕駛模型建立的準確性決定著仿真結(jié)果的可靠性和真實性。針對不同類型的新能源汽車要建立不同的駕駛模型，所以對電機試驗人員的專業(yè)素質(zhì)要求相對較高[2]。道路真實試驗容易受到自然環(huán)境條件的限制，需要專業(yè)的試驗場地以及與試驗相適應(yīng)的天氣條件，同時外界因素也會給電機轉(zhuǎn)速試驗帶來很多不確定因素，甚至?xí)绊懶履茉雌嚨难兄七M度[3]。

新能源汽車電機試驗臺架不受外界自然環(huán)境條件的限制，新能源汽車的零部件布置也不會受到車體總體布置的限制，可以為不同的新能源汽車電機、控制器以及發(fā)動機等提供可靠的試驗環(huán)境，以評估新能源汽車各零部件的性能[4]。基于以上分析，本文設(shè)計了一種變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到新能源汽車電機試驗臺架上，從而提高變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 ? 變頻器選型

根據(jù)新能源汽車電機試驗臺架的實際需要，本文選用IGBT作為變頻器的功率變換單元，其主回路設(shè)計方案如圖1所示。從IGBT功率模塊的設(shè)計可以看出，調(diào)速加載系統(tǒng)可以實現(xiàn)電流的反向流動，如果采用IGBT做整流橋，用高性能的控制器做閉環(huán)控制，可以精確控制目標值。另外，變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在消除饋電諧波的同時，可以保證與電網(wǎng)同步，實現(xiàn)高品質(zhì)饋電，將加載產(chǎn)生的能量實現(xiàn)高效率再利用，達到節(jié)能、環(huán)保的效果。

1.2 ? ?變頻器調(diào)速加載控制器設(shè)計

變頻器調(diào)速加載控制器是專門為新能源汽車電機試驗臺架設(shè)計的，由于新能源汽車電機試驗的環(huán)境需要考慮多種因素，還要考慮系統(tǒng)的快速響應(yīng)需求和通用性等，對變頻器調(diào)速加載控制器的設(shè)計要求很高[5]。變頻器調(diào)速加載控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

變頻調(diào)速器通常有4種控制方式：

（1）頻率控制方式（開環(huán)轉(zhuǎn)速），變頻調(diào)速器輸出目標頻率，默認系統(tǒng)能夠按照設(shè)計指標達到目標頻率，即達到目標轉(zhuǎn)速。

（2）轉(zhuǎn)矩控制方式（開環(huán)矢量[6]），此時變頻器需選擇無速度傳感器矢量控制，電流環(huán)也稱為轉(zhuǎn)矩環(huán)。

（3）閉環(huán)速度控制方式，速度、轉(zhuǎn)子位置可以通過速度反饋傳感器直接測量，所以速度控制的精度和響應(yīng)速率遠遠超過開環(huán)矢量控制。

（4）閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式，為防止超速，并且更為精確地計算電流，在轉(zhuǎn)矩控制方式下增加了轉(zhuǎn)速反饋，這是一種增強型的轉(zhuǎn)矩控制模式，此時速度環(huán)只起到限制最大速度的作用，電流環(huán)依然起主導(dǎo)作用。

在新能源汽車電機試驗過程中，控制目標會在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間切換，如果通過切換變頻調(diào)速器的控制方式來切換控制目標，那么對變頻調(diào)速器的給定劇烈變化會造成不可避免的擾動。在傳統(tǒng)試驗臺上，切換控制方式前，首先停止系統(tǒng)運行，切換完成后，以新的控制方式啟動，這種方式不能滿足新的試驗要求，并且嚴重降低試驗效率。為此，變頻器調(diào)速加載控制器采集實際轉(zhuǎn)速，替代了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩種閉環(huán)控制方式，設(shè)置變頻調(diào)速器頻率的給定方式始終為轉(zhuǎn)矩，將變頻調(diào)速器設(shè)置為單一轉(zhuǎn)矩控制方式。切換控制目標時，變頻器調(diào)速加載控制器在算出新的PID運算給定值前，保持上個給定值，這樣可以在試驗中連續(xù)切換控制方式，并能維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

變頻器調(diào)速加載控制器主機使用通用工業(yè)控制計算機，可以節(jié)省專用的控制器[7]，并且可靠性高，帶有與其他外部設(shè)備連接的多種接口，擴展性強。在轉(zhuǎn)速采集上，采用美國國家儀器有限公司National Instruments（NI）的C系列模塊NI9411配合高性價比CDAQ 9171底座，NI9411是高速頻率采集模塊，采集頻率高達30 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)20 000 r/min的轉(zhuǎn)速采集。變頻調(diào)速器給定值采用模擬量，接口模塊為NI9264，給定范圍-10～10 V，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩-100%～100%。NI9264分辨率為16位，能夠保證給定反饋傳感器重復(fù)性參數(shù)數(shù)值穩(wěn)定，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)軟件設(shè)計

變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)軟件采用Labview進行設(shè)計。人機界面即前面板，如圖3所示，帶有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等實際值顯示窗口以及控制方式切換、目標值設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄等按鍵。首先，使用NImax軟件設(shè)計NImax任務(wù)，包括NI9411的頻率采集以及模擬量輸出任務(wù)，這些就是I/O資源的調(diào)用接口。在軟件主程序工作時，調(diào)用這些任務(wù)配合初始化的配置，得到采集實際值與給定值，在同為NI公司的Labview軟件中調(diào)用NImax任務(wù)，非常高效快捷。

用戶進入系統(tǒng)軟件，首先進行初始化，讀取轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置、給定分辨率等配置文件，判斷沒有錯誤后進入主程序While循環(huán)。運行時，人工單擊人機界面輸出運行開關(guān)量后，等待系統(tǒng)實際運行狀態(tài)判斷，如果新能源汽車電機和變頻調(diào)速器的運行標志位都為1，則確認系統(tǒng)已經(jīng)運行，PID控制開始運行。在單一加載狀態(tài)下，還需要加入低轉(zhuǎn)速的判斷限幅，如果轉(zhuǎn)速低于判斷限值，PID控制不運行。軟件中將PID運算設(shè)置為定時循環(huán)，輸出周期為10 ms，這樣高頻率的控制刷新能夠極大地減小轉(zhuǎn)速波動。在系統(tǒng)運行過程中，通過監(jiān)視各個標志位，判斷是否應(yīng)該停機。

標志位定義如表1所示。

對配置文件的操作要在系統(tǒng)停止時操作，配置文件中包含工程量變換、轉(zhuǎn)速傳感器分辨率設(shè)置等，在系統(tǒng)運行中操作會引起實際參數(shù)和給定值的突變，引發(fā)故障停機。窗口的操作通過前面板的按鍵執(zhí)行，按鍵按下，進入到對應(yīng)的事件結(jié)構(gòu)，在事件結(jié)構(gòu)中處理目標操作，如果按鍵操作沒有觸發(fā)停止，那么PID控制的定時循環(huán)優(yōu)先級高于其他事件的操作，持續(xù)輸出給定值，能夠保證PID控制穩(wěn)定。變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)流程如圖4所示。

3 試驗分析

為了驗證變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車電機試驗臺上的應(yīng)用適應(yīng)性，本文采用傳統(tǒng)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)作為對比對象，測試了變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)的100 h無擾動運行完成試驗率，測試結(jié)果如表2所示。

從表2的測試結(jié)果可以看出，將傳統(tǒng)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)應(yīng)用到新能源汽車電機試驗臺架上時，傳統(tǒng)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)使用變頻器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式，導(dǎo)致系統(tǒng)在新能源汽車電機試驗臺架上的應(yīng)用穩(wěn)定性較差，為提高穩(wěn)定性而頻繁停機降低效率，單位時間內(nèi)完成的有效試驗時間較短。經(jīng)計算，10次試驗中，傳統(tǒng)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車電機試驗臺架上的100 h無擾動運行完成試驗率為40.7%。本文提出的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)不僅在硬件部分上進行了設(shè)計，還設(shè)計了變頻器調(diào)速加載流程，使其在新能源汽車電機試驗臺架上的應(yīng)用更加穩(wěn)定。經(jīng)計算，10次試驗中，本文提出的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車電機轉(zhuǎn)驗臺架上的100 h無擾動運行完成試驗率為85.1%。由此可知，將本文提出的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)應(yīng)用到新能源汽車電機試驗臺架上的穩(wěn)定性更好。

4 結(jié)語

本文提出了一種變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)，介紹了該加載系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計要點，并將其應(yīng)用在新能源汽車電機轉(zhuǎn)驗臺架上，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在新能源汽車電機試驗臺架上的應(yīng)用穩(wěn)定性更好，效率更高。

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收稿日期：2020-09-07

作者簡介：趙大為（1981—），男，吉林省吉林市人，工程師，從事內(nèi)燃機試驗臺架、變速箱等各種動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的測試設(shè)備研發(fā)工作。