基于Vehicle Spy3的永磁同步電機對拖實驗平臺

謝 斌, 張 楠, 武仲斌, 楊如丹

(中國農業大學 現代農業裝備優化設計北京重點實驗室, 北京 100083)

隨著電動車輛的不斷發展,該領域的研究熱點電機受到廣泛關注[1]。電動車輛課程廣泛涉及電機相關內容,僅對電機理論知識進行講解是不夠的,將理論知識與實驗相結合可以加深學生對知識的理解。

電機測試平臺通過虛擬儀器技術,可對各個參數實現實時采集、監控、分析和記錄,完成電機動態和靜態性能測試實驗[2],有助于學生了解電機的工作特性,大大豐富了實驗內容。文獻[3]基于AVL電機測試臺架,搭建了驅動電機測試平臺,并進行了電機溫度對效率的影響實驗和電機功率實驗等,文獻[4]基于LabVIEW建立永磁直流電動機綜合測試平臺,并分析了振動與噪聲波形,對本文具有參考意義。

本文基于Intrepid公司開發的Vehicle Spy3(簡稱“Vspy3”)工具和CAN總線技術,搭建永磁同步電機對拖實驗平臺,完成了對電機及其控制器性能的監測及對參數的采集分析。通過這些實驗,可使學生將所學的理論知識應用于實踐,便于他們對電機理論知識的掌握。該實驗平臺的建立還在很大程度上降低了教學實驗成本。

1 實驗平臺構成及基本原理

1.1 硬件平臺

所設計的永磁同步電機實驗平臺平面結構如圖1所示。實驗平臺上位機端通過Vspy3的ValueCAN3連接器,與被試電機控制器CAN總線相連,實驗過程中向被試電機發送控制指令；調速手柄連接陪試電機控制器,控制陪試電機轉速；兩控制器分別與電機進行電連接和信號連接,實現對電機的控制；電機之間通過扭矩傳感器連接,扭矩傳感器信號線連接到JN-3388轉矩轉速測量儀。實驗平臺增加了冷卻循環,確保陪試電機、被試電機和兩電機控制器保持額定冷卻條件。

圖1 永磁同步電機實驗平臺平面結構圖

實驗平臺采用2臺功率等級相近的電機以對拖形式連接,可通過測量儀器深入分析電機及控制器的性能指標[5-6]。總線采集母線電壓、母線電流、電機溫度、控制器溫度、相電壓、相電流、電機轉速和目標轉矩等參數,通過扭矩傳感器和轉矩轉速測量儀采集實際轉矩和功率等參數。

永磁同步電機實驗平臺分為硬件部分和軟件監測部分,硬件部分主要由被試電機、陪試電機、電機控制器、ValueCAN3車輛接口、電源柜、扭矩傳感器和12 V電源等組成,軟件監測部分主要為Vspy3軟件。

陪試電機為一臺30 kW功率等級的永磁同步電機,被試電機為20 kW永磁同步電機。被試電機額定轉速2 500 r/min,額定轉矩76 N·m；陪試電機主要為轉速控制,轉速上限設定為6 000 r/min,防止實驗過程中電機失速。2個電機采用相同的控制器,電機控制器支持CAN通信,是上位機與電機之間通信的關鍵節點,控制器為電機提供額定電壓[7-8]。

采用準確度為0.2級的扭矩傳感器,傳感器轉矩量程200 N·m,轉速量程10 000 r/min,傳感器與轉矩轉速測量儀相連,實時顯示實驗過程中電機的轉矩、轉速和功率。

Intrepid公司為Vspy3軟件提供車輛網絡硬件接口,實驗平臺采用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協議,實時性較高。

1.2 軟件測試系統

利用Vspy3工具實現對總線數據的采集、監測和輸入控制指令等功能[9],與專用車輛接口結合支持CAN總線、LIN總線和J1939等多種通信協議,可直接分析從CAN總線采集到的數據。

通過電機通信協議,在Vspy3中建立6條接收報文和3條發送報文,分配報文優先級,并設定報文周期。軟件中總線監控功能可以快速創建過濾器,通過過濾ID獲得所需報文信息,在每條報文下可以查看信號信息和曲線變化情況。

Vspy3采用先采集再保存方式,采集總線報文數據,并以特定文件類型存儲。在實驗過程中自動存儲實驗記錄后,通過軟件自帶的回放仿真功能,能夠實現實驗后仿真,便于實驗后數據的分析總結。

2 實驗平臺測試程序

實驗平臺利用CAN總線技術較高的可靠性、準確性和實時性,由Vspy3采集CAN總線上的各類數據并在測試程序中顯示,傳感器的數據由轉矩轉速測量儀進行記錄,實驗過程中被試電機轉矩由上位機發送的報文實現控制[9]。

2.1 數據采集

依照相關實驗要求,采用Vspy3信息編輯功能創建接收報文格式；依照電機控制器通信協議,建立對應的信號類型,包括報文名稱、類型和長度等,并將每個接收信號進行具體描述,以便于區分采集信號的具體內容。采集的信號可以分為驅動電機及其控制器信息、母線信息、故障信息等。實驗過程中所要接收的報文信息如表1所示。

表1 報文協議

從總線上采集到的數據,通過以Vspy3圖形面板功能建立的被試電機信息采集平臺顯示,如圖2所示,主要顯示電機狀態、工作模式以及實時監測到的數據等。

圖2 被試電機測試界面

2.2 數據發送

為了進行轉矩控制精度和電機效率測試等實驗,上位機軟件需向電機控制器實時發送數據[10]。采用Vspy3創建3條發送報文,其中關鍵報文的標識符為0x210,報文內容主要包括電機控制單元使能、驅動電機工作模式和驅動電機目標轉矩指令等。在圖2所示的采集平臺中,打開按鈕即可管理電機控制單元使能。

2.3 測試程序操作流程

測試程序操作流程如圖3所示。測試程序在啟動之前,需要先配置軟件波特率,匹配電機控制器,采集平臺中按下打開按鈕,實現電機控制單元使能,然后才可通過調速手柄增加陪試電機轉速,測試程序實現總線信息接收,并在測試界面顯示。

圖3 測試程序操作流程圖

3 實驗平臺應用及結果分析

本實驗平臺可以完成永磁同步電機基本性能測試,包括不同轉速下電機效率測試、轉矩控制精度測試、額定轉矩及過載轉矩下溫升測試等[11]。該實驗平臺搭建完成后,主要進行了轉矩控制精度實驗及電機效率實驗。

3.1 轉矩控制精度實驗

電動車輛在不同工況下行駛時,車用電機的動態響應特性在很大程度上影響車輛的動力性和經濟性,轉矩控制精度決定了電動車輛是否可以滿足駕駛員的駕駛需求[12]。實驗平臺通過控制被試電機和陪試電機,實現轉矩控制精度實驗[13]。實驗過程中,調速手柄通過向陪試電機控制器發送轉速命令控制轉速,轉速從起始的100 r/min逐步增加至2 500 r/min為止,然后上位機向被試電機控制器發送轉矩命令,在每個實驗轉速節點增加轉矩,起始為0 N·m,以5 N·m為步長,直至增加到電機峰值轉矩,選擇轉矩節點并予以記錄。實驗過程中需保證電機及控制器處于額定冷卻條件,避免溫度過高影響實驗準確性。

轉矩—相電流關系如圖4所示,主要反映電機在不同轉速下目標轉矩與相電流的關系。由圖可見,轉矩變化引起電流變化,永磁同步電機在2 000 r/min之前,隨著目標轉矩的增加,相電流基本保持恒定,基本與轉速的改變無關。當相電流達到120 A時,目標轉矩可以達到146.8 N·m。

圖4 轉矩—相電流關系圖

在各電機轉速節點增加目標轉矩,并記錄此時實際轉矩,如表2所示。

表2 在不同電機轉速下的目標轉矩與實際轉矩

實際轉矩的平均值與目標轉矩的關系如圖5所示,實際轉矩與目標轉矩的轉矩差值面積如圖6所示。圖5和圖6表明,隨著目標轉矩的增加,實際轉矩在各個轉速下變化的趨勢基本一致,當目標轉矩由5 N·m逐漸增加至150 N·m過程中,實際轉矩均高于目標轉矩,即存在正偏差,在75 N·m附近存在最大轉矩正偏差,當目標轉矩在150—200 N·m階段,實際轉矩均低于目標轉矩值,即存在負偏差,并逐漸趨于電機的峰值轉矩170 N·m[14]。

圖5 實際轉矩平均值的變化

圖6 實際轉矩平均值與目標轉矩的差值

3.2 電機效率實驗

根據各轉速節點處的實際轉矩值,以及信息采集平臺采集的母線電壓和電流值,通過驅動電機系統效率計算公式(1),得到圖7所示的電機系統效率圖。

(1)

式中：T為電機實際轉矩, N·m；n為電機轉速,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,電機在額定轉速內,系統最高效率為93%,電機系統效率高于80%的面積約占整個面積69.7%,電機系統效率較高。電機轉速在1 000 r/min至2 500 r/min范圍內,系統效率在80%以上的區間占99.5%。

電機發電效率如圖8所示。電機在發電情況下,系統仍然保持較高效率,效率最高為92%,電機系統80%以上效率區間約占總面積的65%。

圖7 電機系統電動效率

圖8 電機系統發電效率

4 結語

本文基于Vehicle Spy 3測試軟件和CAN總線技術,搭建了低成本的永磁同步電機實驗平臺,建立了相應的數據采集系統,可實現對電機的基本參數采集、記錄和分析等功能。通過該實驗平臺所進行的轉矩控制精度實驗和電機效率實驗,有助于學生了解電機性能、加深電機理論知識學習,為電動車輛研究做了很好的鋪墊。本實驗臺通過軟硬件相結合的方式,使學生在實驗時得到更全面的訓練,提升了實驗動手能力和思考能力,實驗完成后還可對實驗數據實現回放仿真分析,便于實驗課程的安排。