導(dǎo)讀

為實現(xiàn)對電動汽車驅(qū)動電機性能的測試,該文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了一套電動汽車驅(qū)動電機測試與分析系統(tǒng)?該系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)協(xié)議的要求以西門子PLCS7-300為主要控制器搭建系統(tǒng)的硬件平臺,使用C#高級語言開發(fā)測試分析軟件完成硬件平臺控制?數(shù)據(jù)采集?生成效率云圖和歷史數(shù)據(jù)曲線擬合分析并將結(jié)果導(dǎo)出?實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)自動化程度高?功能全面?軟件操作簡單,可以精準(zhǔn)快速地完成永磁同步電機的性能測試,具有提高數(shù)據(jù)分析效率?縮短測試分析周期等優(yōu)勢?

關(guān)鍵詞：永磁同步電機;C#;自適應(yīng)最小二乘法;效率云圖

作者：王現(xiàn)海，高德欣

青島科技大學(xué) 自動化與電子工程學(xué)院，青島

我國的新能源汽車行業(yè)在近些年得到了空前的發(fā)展?國務(wù)院出臺了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》為新能源汽車發(fā)展指明方向?新能源汽車出廠必須進(jìn)行動力系統(tǒng)?驅(qū)動系統(tǒng)?控制系統(tǒng)?電子電控等系統(tǒng)的測試[1]?目前,國內(nèi)針對汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很多成果[2-3],

例如,文獻(xiàn)[2]提出了一種新能源汽車驅(qū)動電機的測試系統(tǒng),并詳細(xì)分析了系統(tǒng)組成;文獻(xiàn)[3]給出了新能源汽車電機的不同效率測定的硬件系統(tǒng)組成和測試方法?文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]均是將測得的轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速?效率數(shù)據(jù)導(dǎo)出來之后再利用MATLAB進(jìn)行繪制,這種測試分析方法不僅麻煩,還會浪費時間,不利于企業(yè)提高生產(chǎn)力?文獻(xiàn)[4]提出一種將遞推最小二乘法與模型參考自適應(yīng)法相結(jié)合的方法實現(xiàn)了異步電機轉(zhuǎn)子電阻在線辨識?

本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)定的試驗方法,設(shè)計開發(fā)了一套測試與分析系統(tǒng),給出了系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件組成,設(shè)計了上位機監(jiān)控軟件?本系統(tǒng)實現(xiàn)了在軟件內(nèi)繪制電機效率云圖,并利用自適應(yīng)最小二乘法進(jìn)行對電機測試歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合,從多方面對電機的性能進(jìn)行了分析?實驗結(jié)果表明,滿足了電動汽車電機性能測試要求[5-6],縮短了電動汽車驅(qū)動電機試驗測試周期,提高了測試效率?

01  系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)以西門子PLCS7-300和CP5611卡?HIOKI(日置)的功率分析儀?德國的HBM-T40B轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器以及被試電機?負(fù)載電機?變頻器?直流電源等組成工控機硬件平臺,各設(shè)備之間的連線如圖1所示?系統(tǒng)總體可以分為4個模塊:

（1）工控模塊:主要是安裝在工控機上的平臺測試和分析軟件,其功能包括對測試平臺和電機的控制,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?結(jié)果導(dǎo)出?歷史數(shù)據(jù)曲線擬合?效率云圖繪制等?

（2）電機控制模塊:包括電源?測功機控制器?電機控制器?為提高測試精度,選用測功機控制器控制負(fù)載電機的參數(shù)達(dá)到對被試電機增加或減少負(fù)載的目的?電機控制器通過控制被試電機的轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來進(jìn)行試驗?

（3）機械平臺模塊:該模塊主要包括傳感器?電機等臺架部分?轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器傳入PLC存儲,同時安裝了振動傳感器?溫度傳感器?防護(hù)罩?鼓風(fēng)機等裝置,保證測試過程安全穩(wěn)定的進(jìn)行?

（4）參數(shù)采集模塊:主要指的是功率分析儀和西門子PLCS7-300?為了保持參數(shù)采集的同時性和一致性,上位機采用Profibus-DP通訊方式讀取PLCS7-300寄存器中的數(shù)據(jù)的同時采用Socket通訊方式讀取功率分析儀中的參數(shù)?

軟件總體設(shè)計

本系統(tǒng)在MicrosoftVisualStudio開發(fā)平臺使用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)設(shè)計,系統(tǒng)主界面如圖2所示?本系統(tǒng)的主要任務(wù)是在測試部分通過Profibus-DP協(xié)議與西門子PLC通訊進(jìn)而控制電機,使用Socket通訊協(xié)議完成對電機的繞組電流?驅(qū)動電壓等參數(shù)的多通道的采集并存儲;在分析部分對已經(jīng)存儲在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行效率云圖繪制和曲線擬合分析?因為系統(tǒng)軟件在控制電機進(jìn)行各項操作的同時,還需進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,所以提升系統(tǒng)的運行效率顯得尤為重要?在軟件的開發(fā)中運用了多種編程技術(shù),如多線程?定時器?進(jìn)程間通訊技術(shù)等?

軟件編寫采用模塊化的思想,系統(tǒng)軟件功能設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示,各模塊的具體功能如下:

（1）測試模塊:按照國標(biāo)要求對永磁同步電機進(jìn)行測試,將測得電壓?電流?轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)矩等各個參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到與測試單號相對應(yīng)的Access數(shù)據(jù)庫中,以便后續(xù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?

（2）數(shù)據(jù)模塊:將與測試單號相對應(yīng)的Access中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種計算,同時在軟件相對應(yīng)的位置上顯示其結(jié)果?

（3）曲線分析模塊:將歷史數(shù)據(jù)以自適應(yīng)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合?還需要反映電機測試效率在不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的分布情況,將其繪制成效率云圖?

（4）用戶管理模塊:管理此軟件的用戶信息,將用戶分為3級:系統(tǒng)管理員?系統(tǒng)操作員?系統(tǒng)維護(hù)?但是只有管理員才對此模塊有使用權(quán)限?

（5）幫助模塊:實現(xiàn)軟件注冊,查看軟件版本及本軟件的功能特點?

軟件測試部分

軟件測試部分的流程如圖4所示,其功能如下:

（1）新建測試單:根據(jù)需求在指定文件夾創(chuàng)建與測試單號相同的數(shù)據(jù)庫,以備試驗的數(shù)據(jù)存入?

（2）選擇測試單:將試驗需要存儲的數(shù)據(jù)保存到與選擇的測試單號同名的數(shù)據(jù)庫中?

（3）選擇試驗類型:為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保護(hù)電機的安全,設(shè)置為在同一時間只能選擇一種試驗類型,根據(jù)需求選擇試驗進(jìn)行測試?

（4）啟動測試:上方功能選擇完成之后,才可進(jìn)行啟動?啟動測試完成后,電機參數(shù)實時采集?顯示?自動存入之前選擇的數(shù)據(jù)庫中?

（5）具體試驗操作:不同試驗按照試驗要求調(diào)整不同的電壓?電流等參數(shù),可選擇手動試驗和自動試驗2種操作?

（6）停止測試:數(shù)據(jù)庫讀寫停止,PLC讀寫停止,界面各項指示重置?

分析部分

分析部分主要是將測試部分存入數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線的擬合和電機效率云圖的繪制?

曲線擬合

本系統(tǒng)對曲線進(jìn)行擬合的方法是自適應(yīng)最小二乘法,該方法的思想就是在經(jīng)典最小二乘理論的基礎(chǔ)上,原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次的數(shù)據(jù)重構(gòu),然后用不同次數(shù)的多項式對重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,找到最佳的擬合多項式?最后對擬合多項式進(jìn)行反數(shù)據(jù)重構(gòu),回歸到原始數(shù)據(jù)形態(tài),以此來解決常規(guī)最小二乘擬合法由于原始數(shù)據(jù)點自身的特性帶來的一系病態(tài)的問題[7]?

（1）數(shù)據(jù)重構(gòu)

在測試過程中,會存在數(shù)據(jù)在電機高轉(zhuǎn)速環(huán)境下發(fā)生傳輸錯誤等情況,導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)負(fù)值?數(shù)值跨度較大的情況,會直接影響到對該數(shù)據(jù)的曲線擬合,為了使擬合的效果更佳,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平移?數(shù)域轉(zhuǎn)換?數(shù)據(jù)壓縮與擴張來實現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)?

（2）自適應(yīng)最小二乘法擬合

與普通最小二乘法相比,自適應(yīng)最小二乘法對輸入數(shù)據(jù)的反復(fù)重構(gòu)找到最佳的擬合多項式?步驟如下:

1)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)形成新的數(shù)據(jù)組

 ii(x*,y*)(i=1,2,…,N);ii2)先對數(shù)據(jù)(x*,y*)(i=1,2,…,N)(n=3)次多項n式進(jìn)行曲線擬合,求出擬合函數(shù)Sn(x)=Σakxk,然后k=0按照普通的最小二乘法的方法求出系數(shù)ak1(k=0,1,n…,n),得到Sn1(x)=Σak1xk;k=03）將Sn1(x)上下平移Δy,其中Δy=max(∣yi-Sn1(xi)∣)/2;4）經(jīng)過前3個步驟得到一組擬合數(shù)據(jù)(xi,yi1)(i=1,2,…,t),其中t為要擬合的次數(shù)?將擬合數(shù)據(jù)(xi,yi1)(i=1,2,…,t)再次按照以上步驟進(jìn)行擬合,得到新的擬合數(shù)據(jù)(xi,yi2)(i=1,2,…,t),并計算兩次擬合數(shù)據(jù)的均方值(rootmeansquare,RMS),如果RMS>ε,則繼續(xù)進(jìn)行重復(fù)以上步驟,直到RMS≤ε,3此時得到的函數(shù)S3(x)=Σakxk便是n=3的擬合函k=0數(shù),并記錄下擬合的次數(shù);5）當(dāng)n=3的函數(shù)擬合完成后,再取n=4,5,…,nt-1按照上述步驟得到各自的擬合函數(shù)Sn(x)=Σakxk,k=0同時記錄下擬合次數(shù),將擬合次數(shù)最少的函數(shù)作為其最終擬合函數(shù)?1.3.2效率云圖

電機效率云圖主要反映了電機在不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的效率分布情況?對于驅(qū)動電機來說,轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化會影響其輸出功率,進(jìn)而導(dǎo)致輸出效率發(fā)生變化?電機效率的高低決定著電機性能的優(yōu)劣,一般使用效率云圖來描述該電機的效率特性,對其進(jìn)行評價?但是目前的方法大多數(shù)是將測得的轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速?效率數(shù)據(jù)導(dǎo)出來之后再利用MATLAB進(jìn)行繪制,在使用時相對比較麻煩,而本系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)直接生成效率云圖,提升了數(shù)據(jù)分析的效率?

02  系統(tǒng)試驗類型與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可以對多種功率的永磁同步電機進(jìn)行測試,可以完成的試驗項目包括負(fù)載?溫升?轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?超速?耐久?堵轉(zhuǎn)試驗等,每個試驗都有其特定目的和特性曲線,以此來驗證電機的性能?

以現(xiàn)場測試的永磁同步電機為例,該電機的基本參數(shù)如下:額定功率為40kW,峰值功率為80kW;額定轉(zhuǎn)矩為125N·m,峰值轉(zhuǎn)矩為300N·m;最高轉(zhuǎn)速為9000r/min;高效工作效率區(qū)間為電機效率在80%的點至少占有85%,峰值效率大于93%;絕緣等級為H?本文選取負(fù)載實驗和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗進(jìn)行分析,通過現(xiàn)場的測試,驗證了本系統(tǒng)的合理性?

負(fù)載試驗

負(fù)載試驗的目的是采集電機在一定工況下的轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)矩等參數(shù),根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求將數(shù)據(jù)擬合成負(fù)載特性曲線,最終確定該電機在本次試驗中是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)?標(biāo)準(zhǔn)電機負(fù)載特性曲線如圖5所示?

以500r/min作為電機的起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速,每增加500r/min目標(biāo)轉(zhuǎn)速,記錄一次電機實際的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)矩值,電機在額定和峰值狀態(tài)下的數(shù)據(jù)如表1所示?分別以自適應(yīng)最小二乘法和常規(guī)最小二乘法對表1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行特性曲線擬合,如圖6和圖7所示?將圖6和圖7對比,可見自適應(yīng)最小二乘法擬合曲線更加的平滑;并與圖5對比,可見擬合曲線完全滿足國標(biāo)的要求,證明了本系統(tǒng)電機負(fù)載試驗的有效性?

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗主要是按照給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的工況表對電機進(jìn)行測試，同時測量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率，然后將試驗數(shù)據(jù)繪制成效率云圖,再求出高效工作區(qū)和峰值效率判斷是否符合要求?永磁同步電機不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下的電機效率數(shù)據(jù)如表2所示?根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)形成的效率云圖如圖8所示?從效率云圖上看,在低轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)矩的情況下電機的效率均不高,在轉(zhuǎn)矩范圍為50~225N·m和轉(zhuǎn)速范圍為1500~5500r/min的情況下,電機效率會隨著轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的增加而增加,超過此范圍,電機效率就會發(fā)生隨著轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的增加而降低的情況?經(jīng)過計算得到電機的峰值效率為94.2%,其高效工作區(qū)的效率為92.4%,符合轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性要求和電機的參數(shù)要求,生成的

效率云圖正確無誤，可以清晰的看出效率的分布，證明了本系統(tǒng)的有效性。

03  結(jié)語

本文設(shè)計了一套電動汽車驅(qū)動電機測試與分析系統(tǒng),并在某電機生產(chǎn)企業(yè)中試驗應(yīng)用?系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場試運行,能夠滿足對永磁同步電機的性能及耐久性測試,結(jié)果測試精度和準(zhǔn)確率較高,系統(tǒng)功能豐富,尤其是實時效率云圖和在線實時曲線擬合功能,滿足了企業(yè)要求,提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,具有一定的推廣價值?

【參考文獻(xiàn)】

[1]嚴(yán)蓓蘭.新能源汽車電機發(fā)展趨勢及測試評價研究[J].電機與控制應(yīng)用,2018,45(6):109-116.

[2]李曉航,張文武.新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)的研究[J].電測與儀表,2021,58(9):103-108.

[3]伍慶龍,楊鈁,王燕.電動汽車驅(qū)動電機工作特性及效率測試研究[J].汽車文摘,2020(7):48-51.

[4]趙海森,杜中蘭,劉曉芳,等.基于遞推最小二乘法與模型參考自適應(yīng)法的鼠籠式異步電機轉(zhuǎn)子電阻在線辨識方法[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(30):5386-5394.

[5]陳良.基于 LabVIEW 的永磁同步電機性能測試系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2020(5):155-161+97.

[6]林加堃,涂群章,段克軍,等.永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真與試驗[J].兵器裝備工程學(xué)報,2016,37(2):150-153.

[7]高德欣,程捷,白劍飛.最小二乘法在電機測試分析中的應(yīng)用[J].微電機,2017,50(3):9-13.