EPS用永磁同步電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李澤琪,陸 藝,郭 斌,胡曉峰,陳 威

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,杭州 310020;2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司,杭州 310018)

0 引言

EPS是當(dāng)前主流的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),根據(jù)標(biāo)定好的助力特性曲線,控制助力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,輔助轉(zhuǎn)向。PMSM具有體積小、功率密度大、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)[1],選擇PMSM作為EPS系統(tǒng)的助力電機(jī),有助于提升系統(tǒng)整體性能[2]。

為保證PMSM在實(shí)際工況下具備良好性能,需預(yù)先對(duì)其進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目測(cè)試。李志強(qiáng)等[3]綜合測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)載采用磁粉制動(dòng)器和直流電機(jī),能耗高且制動(dòng)器無(wú)法主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng);鄭虎等[4]采用伺服電機(jī)作為負(fù)載,兼容多種型號(hào)被測(cè)電機(jī),但未考慮伺服電機(jī)會(huì)反拖被測(cè)電機(jī)的情況;呂英超等[5]為解決實(shí)際行駛中因緊急避障帶來(lái)的轉(zhuǎn)向盤(pán)沉重問(wèn)題,引入弱磁控制策略,擴(kuò)大電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍,但忽略了轉(zhuǎn)矩輸出能力的變化。

本文選取國(guó)內(nèi)某一型號(hào)的PMSM為測(cè)試對(duì)象,設(shè)計(jì)一套基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的EPS用PMSM性能測(cè)試臺(tái)架:由主動(dòng)電機(jī)對(duì)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行定轉(zhuǎn)速控制,可編程電源吸收測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的反向電流;引入弱磁控制策略,幫助PMSM克服自身轉(zhuǎn)速受限,以電動(dòng)工況下工作于高轉(zhuǎn)速區(qū),實(shí)現(xiàn)全速域性能測(cè)試;控制器開(kāi)放弱磁超前角參數(shù),用于調(diào)試輸出轉(zhuǎn)矩;采用EPS噪聲階次分析技術(shù)[6],以電機(jī)轉(zhuǎn)頻為基準(zhǔn)頻率,分析轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。本系統(tǒng)有利于國(guó)內(nèi)車用電機(jī)性能測(cè)試的發(fā)展。

1 電機(jī)性能測(cè)試需求分析

1.1 EPS電機(jī)助力測(cè)試需求

PMSM具備體積小、功率密度高、低速大扭矩等特點(diǎn)。根據(jù)永磁體安裝位置及方式,將PMSM分為內(nèi)置式和表貼式兩種,如圖1和圖2所示。其中內(nèi)置式(以下簡(jiǎn)稱為IPMSM)由于氣隙磁勢(shì)不均勻(Ld

圖1 表貼式 圖2 內(nèi)置式

輸出轉(zhuǎn)矩Te計(jì)算公式為:

(1)

式中:p表示電機(jī)極對(duì)數(shù),ψf表示定子磁鏈幅值,Ld、Lq和id、iq分別對(duì)應(yīng)直軸和交軸上的電感、電流。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力是評(píng)價(jià)電機(jī)性能的重要指標(biāo),EPS系統(tǒng)要求助力電機(jī)具備隨速助力的特性[8],應(yīng)避免進(jìn)行快速轉(zhuǎn)向時(shí),受電機(jī)特性限制,高轉(zhuǎn)速區(qū)域助力不足。同時(shí)由于氣隙磁場(chǎng)諧波,定子電流諧波以及齒槽力矩等因素的存在,IPMSM易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[9]。當(dāng)電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速工況時(shí),轉(zhuǎn)子慣量能夠?yàn)V掉轉(zhuǎn)矩波動(dòng),而在低轉(zhuǎn)速工況下,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)輸出特性造成顯著影響,從而降低整個(gè)EPS系統(tǒng)的舒適性與穩(wěn)定性。

因此,對(duì)EPS用IPMSM進(jìn)行以下測(cè)試:T-N測(cè)試:電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速,進(jìn)入高轉(zhuǎn)速區(qū),采集電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩,分析指定轉(zhuǎn)速點(diǎn)下的轉(zhuǎn)矩輸出能力是否合格;T-R測(cè)試:電機(jī)恒定30 rpm運(yùn)行,并輸出恒定轉(zhuǎn)矩(范圍在額定轉(zhuǎn)矩的20%～100%),采集轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩,要求進(jìn)行正反轉(zhuǎn)測(cè)試且單向旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不低于5轉(zhuǎn)。因電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)帶來(lái)特定噪聲,噪聲頻率相對(duì)轉(zhuǎn)速頻率具有穩(wěn)定階次,n階噪聲指該噪聲頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的n倍[6],故可通過(guò)噪聲階次技術(shù)得到轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速階次分析圖,衡量轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分布。以某型產(chǎn)品為被測(cè)對(duì)象,測(cè)試項(xiàng)合格指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 T-N合格標(biāo)準(zhǔn)

表2 T-R合格標(biāo)準(zhǔn)

1.2 EPS電機(jī)弱磁控制

1.2.1 必要性分析

IPMSM定子端生成的反電動(dòng)勢(shì)(EBMF)與轉(zhuǎn)速(N)成正比,即EBMF=kN。當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),逆變器因反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到輸出電壓值從而容量趨于飽和,無(wú)法再通過(guò)調(diào)壓調(diào)速的方式使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。

車輛實(shí)際行駛過(guò)程中,EPS在應(yīng)對(duì)道路緊急避障時(shí)要求助力電機(jī)有快速響應(yīng)能力,否則因急轉(zhuǎn)方向盤(pán),會(huì)致使電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)從而產(chǎn)生附加阻力,造成轉(zhuǎn)向沉重,帶來(lái)安全隱患[5];另一方面,測(cè)試過(guò)程中要求被測(cè)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)工況,因主動(dòng)電機(jī)采取定轉(zhuǎn)速控制的方案,拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速區(qū),使電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工況,不符合測(cè)試要求。綜上所述,需對(duì)IPMSM進(jìn)行弱磁控制,實(shí)現(xiàn)電機(jī)擴(kuò)速,從而適應(yīng)測(cè)試流程與實(shí)際工作需求。

1.2.2 弱磁控制原理及實(shí)現(xiàn)

如上所述,逆變器飽和是由于定子端反電動(dòng)勢(shì)過(guò)大造成,可通過(guò)減小氣隙磁通的方式,使逆變器退出飽和。永磁體由于本身磁路結(jié)構(gòu)固定,無(wú)法改變磁通,因此通過(guò)在d軸方向補(bǔ)償反向的去磁電流,實(shí)現(xiàn)弱磁。

為簡(jiǎn)化分析,建立兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下IPMSM的理想數(shù)學(xué)模型(忽略鐵芯飽和、渦流損耗、高速時(shí)定子電阻壓降等影響),定子電壓方程為:

(2)

(3)

根據(jù)電壓和電流限制條件,給出電壓圓和電流圓限制方程:

(4)

(5)

將電壓方程代入等式,得到電壓限制方程為一圓心為(-ψf/Ld,0)的橢圓方程:

(6)

如圖3所示,視w1為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,當(dāng)轉(zhuǎn)速需由w1增大至w2時(shí),電壓限制圓縮小,電流軌跡沿AB段運(yùn)行,從而d軸電流負(fù)向增大,q軸電流減小,對(duì)應(yīng)超前角γ增大,完成弱磁擴(kuò)速。

圖3 電壓電流限制圓

本試驗(yàn)臺(tái)以該方式對(duì)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行弱磁,選擇的電機(jī)控制器,可自動(dòng)切換至弱磁控制模式,并開(kāi)放超前角參數(shù),通過(guò)在線修改超前角范圍以及隨轉(zhuǎn)速變化曲線,調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩,具體描述見(jiàn)2.3節(jié)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上測(cè)試要求,參考《GB/T1029-2021三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》并結(jié)合客戶相關(guān)指導(dǎo)設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng),軟硬件模塊包括機(jī)械平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集模塊、控制器通訊、軟件測(cè)試流程等子項(xiàng)目。

2.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)和硬件結(jié)構(gòu)圖分別如圖4和圖5所示。

1.被測(cè)電機(jī) 2.膜片聯(lián)軸器 3.剛性軸 4.扭矩傳感器(內(nèi)置轉(zhuǎn)速傳感器) 5.波紋管聯(lián)軸器 6.編碼器 7.主動(dòng)電機(jī) 8.調(diào)整滑塊圖4 機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖5 硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示,主動(dòng)電機(jī)7拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)1實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)速控制。為減小系統(tǒng)誤差帶來(lái)的影響,機(jī)械平臺(tái)采取如下設(shè)計(jì):選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量達(dá)到被測(cè)電機(jī)20倍以上的主動(dòng)電機(jī)7,做定轉(zhuǎn)速控制的同時(shí),起到慣性輪的作用,濾掉負(fù)載端轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響[9];靠近被測(cè)電機(jī)1一端選用膜片聯(lián)軸器2,滿足高速高強(qiáng)度的測(cè)試要求[4];扭矩傳感器4兩端配置波紋管聯(lián)軸器5,有效抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng);角度編碼器6每秒發(fā)送2048個(gè)脈沖,用于計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角;平臺(tái)底座裝有調(diào)整滑塊8,可手動(dòng)調(diào)整各部件位置,測(cè)試前通過(guò)固定把手鎖緊滑塊,避免測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生滑動(dòng);為被測(cè)電機(jī)1設(shè)計(jì)通用型電機(jī)法蘭,方便更換被測(cè)電機(jī);搭建完成后檢查系統(tǒng)的同軸度。

如圖5所示,系統(tǒng)由被測(cè)電機(jī)控制、主動(dòng)電機(jī)加載、數(shù)據(jù)采集3部分組成。測(cè)試時(shí),可編程電源為編碼器和電機(jī)控制器供電;上位機(jī)用CAN與電機(jī)控制器通訊,控制被測(cè)電機(jī)啟停,編碼器發(fā)送脈沖至控制器,反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角,完成閉環(huán)控制;上位機(jī)通過(guò)PLC模塊實(shí)現(xiàn)主動(dòng)電機(jī)的定轉(zhuǎn)速控制,由主動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)按預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速曲線運(yùn)動(dòng);由傳感器和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)[10]。

根據(jù)系統(tǒng)中母線電壓、被測(cè)電機(jī)相電壓、相電流、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化范圍,選用電流傳感器直流量程0～200 A,交流量程0～141 A,精度0.05%;扭矩傳感器量程0～10 N·m,精度±0.1%FS,可測(cè)量最高轉(zhuǎn)速超過(guò)10 000 rpm,采樣率≥4 kHz;電壓傳感器量程0～50 V,精度0.5%。以高精度傳感器與研華工控機(jī)、NI的USB-6356多功能DAQ組成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB-6356配置8路16位AI,板載NI-STC3定時(shí)和同步技術(shù)提供高級(jí)定時(shí)功能,支持同步采樣,單通道最大采樣率達(dá)到1.25 Ms/s,滿足數(shù)據(jù)采集需求。通過(guò)AI通道采集母線電壓、電機(jī)相電壓、相電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號(hào);DI通道負(fù)責(zé)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、復(fù)位、手動(dòng)/自動(dòng)等功能按鍵以及主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的就緒、報(bào)警控制;DO通道進(jìn)行主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和指示燈的使能、復(fù)位以及控制繼電器動(dòng)作[8]。 具體測(cè)試方法如下:

(1)T-N測(cè)試:設(shè)置可編程電源參數(shù),完成電機(jī)控制器上電;設(shè)置控制器啟動(dòng)電流,被測(cè)電機(jī)成功使能后單向旋轉(zhuǎn)1 s即停止,再由主動(dòng)電機(jī)沿原方向以預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速曲線拖動(dòng)運(yùn)行,確保被測(cè)電機(jī)在測(cè)試過(guò)程中處于電動(dòng)狀態(tài);將采集得到數(shù)據(jù)以曲線形式呈現(xiàn)在上位機(jī)界面;完成測(cè)試后參數(shù)清零。

(2)T-R測(cè)試:電機(jī)控制器上電后驅(qū)動(dòng)被測(cè)電機(jī)輸出恒定轉(zhuǎn)矩,由主動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行于恒定低轉(zhuǎn)速,電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不低于5轉(zhuǎn);正向測(cè)試結(jié)束后,電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)重復(fù)上述步驟。完成測(cè)試后參數(shù)清零,對(duì)采集到的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行階次分析處理,衡量轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分布。

2.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試流程,以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái),對(duì)參數(shù)配置、運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)控制器通訊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等模塊封裝成獨(dú)立VI,根據(jù)測(cè)試流程動(dòng)態(tài)載入功能模塊,進(jìn)行試驗(yàn)。

正式測(cè)試前,預(yù)先校準(zhǔn)各傳感器精度;完成校準(zhǔn)后,主動(dòng)電機(jī)空載狀態(tài)下,按預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速變化曲線執(zhí)行;設(shè)置可編程電源參數(shù),對(duì)電機(jī)控制器上電,上位機(jī)界面按下使能按鍵,檢驗(yàn)被測(cè)電機(jī)能否啟動(dòng)。完成手動(dòng)預(yù)檢驗(yàn),進(jìn)行工裝調(diào)整,根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目,配置相關(guān)參數(shù),按下啟動(dòng)按鈕,進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試。將采集得到的數(shù)據(jù)以曲線形式呈現(xiàn)在軟件界面,進(jìn)行相關(guān)分析,自動(dòng)判定測(cè)試結(jié)果合格與否,數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 弱磁切換及參數(shù)設(shè)置

圖6 弱磁切換策略圖

利用基于LabVIEW的CAN通訊子VI,以發(fā)送和讀取報(bào)文的形式,實(shí)時(shí)反饋d軸與q軸的電流值,便于上位機(jī)查看。保持母線電壓和啟動(dòng)電流恒定的情況下,修改超前角變化范圍,在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)分配后,被測(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩改變。圖7為控制器內(nèi)部超前角與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。

圖7 超前角與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 測(cè)試條件

針對(duì)某型EPS用IPMSM進(jìn)行性能測(cè)試。開(kāi)始試驗(yàn)前,根據(jù)不同測(cè)試項(xiàng)目分別配置如表3的測(cè)試條件。

表3 電機(jī)性能測(cè)試條件

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 T-N測(cè)試

表4列舉了不同超前角參數(shù)組合,圖8為對(duì)應(yīng)組合下同一被測(cè)電機(jī)相同轉(zhuǎn)速點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩變化圖,驗(yàn)證了修改超前角開(kāi)放參數(shù)會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力產(chǎn)生影響,轉(zhuǎn)速越高,效果越顯著。

表4 超前角開(kāi)放參數(shù)組合

圖8 測(cè)試點(diǎn)轉(zhuǎn)矩輸出變化圖 圖9 T-N測(cè)試曲線

調(diào)試后確定參數(shù)組合,進(jìn)行測(cè)試,得到如圖9和圖10所示曲線,結(jié)合表5分析結(jié)果與表1合格指標(biāo)可知:被測(cè)電機(jī)在指定轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求,證明電機(jī)在高轉(zhuǎn)速區(qū)可避免助力不足,保證EPS系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

圖10 目標(biāo)與實(shí)際轉(zhuǎn)矩曲線 圖11 dq軸電流變化曲線

表5 測(cè)試點(diǎn)轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果

由圖11電流變化曲線可得:被測(cè)電機(jī)在2.3 s達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,隨后進(jìn)入高轉(zhuǎn)速區(qū),控制器快速切換至弱磁控制模式,d軸電流負(fù)向增大進(jìn)行去磁,q軸電流減小保持電流幅值平衡,逆變器退出飽和狀態(tài),電機(jī)在犧牲一定轉(zhuǎn)矩?fù)Q取轉(zhuǎn)速上升,驗(yàn)證了弱磁控制的有效性,使電機(jī)應(yīng)用于EPS時(shí)滿足應(yīng)對(duì)緊急避障工況的響應(yīng)需求。

3.2.2 T-R測(cè)試

獲得如圖12所示曲線,通過(guò)階次分析,得到如圖13和圖14的階次圖。

圖12 T-R測(cè)試曲線

圖13 電機(jī)正轉(zhuǎn)階次分析圖 圖14 電機(jī)反轉(zhuǎn)階次分析圖

可以看出:被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要分布在24階次,由齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起[6],且正反轉(zhuǎn)下幅值均小于0.030 mN,其余各階次下未出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。結(jié)合表2轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量合格指標(biāo),分析可得:電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)表現(xiàn)理想,后續(xù)用作EPS助力電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向時(shí),能夠提供穩(wěn)定助力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析IPMSM自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以及在EPS系統(tǒng)中所起的助力作用,設(shè)計(jì)了以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的性能測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)某EPS用IPMSM進(jìn)行轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試,試驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)矩輸出量、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)階次幅值均符合產(chǎn)品合格指標(biāo),電流變化曲線證明弱磁控制的有效性,控制器開(kāi)放超前角參數(shù)功能有助于調(diào)試被測(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的臺(tái)架可穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的完成測(cè)試。該試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)已應(yīng)用于相關(guān)企業(yè)EPS永磁同步電機(jī)性能研究與開(kāi)發(fā)。