張 奇， 李 珂， 張承慧， 孫 靜,2， 邢國靖， 劉旭東

(1.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061；2.山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

電動汽車用永磁同步電機(jī)特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

張 奇1， 李 珂1， 張承慧1， 孫 靜1,2， 邢國靖1， 劉旭東1

(1.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061；2.山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

基于AVL電機(jī)測試臺架，設(shè)計(jì)并搭建了電動汽車驅(qū)動電機(jī)測試平臺，借助PUMA OPEN系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)自動控制序列程序?qū)﹄妱悠囉糜来磐诫姍C(jī)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性等進(jìn)行了自動化測試。結(jié)果表明，被測樣機(jī)的功率輸出穩(wěn)定、效率高，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快，其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性能夠滿足電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的特殊性能要求；測試數(shù)據(jù)為電機(jī)逆變器和控制器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了參考依據(jù)。整個試驗(yàn)采用PUMA OPEN自動化測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動電機(jī)的快速精確測試，具有簡化操作流程、縮短測試周期和提高測試精度等諸多優(yōu)勢。

電動汽車； 永磁同步電機(jī)； 穩(wěn)態(tài)特性； 動態(tài)特性； 電機(jī)測試

0 引 言

與機(jī)械家電、工業(yè)生產(chǎn)用電機(jī)工作環(huán)境明顯不同，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)隨著車輛啟動、加減速、上下坡、停車等，輸出轉(zhuǎn)矩和功率變化頻繁。同時，電動汽車在不同工況下行駛時，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有低速高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的輸出特性和理想的調(diào)速特性[1-2]。作為電動汽車行駛的動力源，車用電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)特性對整車的經(jīng)濟(jì)性和動力性影響巨大，對其進(jìn)行詳細(xì)而精確的測量是設(shè)計(jì)高性能電機(jī)控制器和進(jìn)行動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的測試方法主要有臺架試驗(yàn)和道路駕駛測試，其中道路駕駛測試需要有熟練的駕駛員、試驗(yàn)車輛和場地等，安全性要求較高，投入較大[3-4]。目前,普遍采用臺架測試的方式，但傳統(tǒng)電機(jī)測試臺架存在功能單一、功能開發(fā)周期長、測量精度低、無法進(jìn)行模擬真實(shí)路況行駛下的硬件在環(huán)測試等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足當(dāng)前電動汽車驅(qū)動電機(jī)的測試需求，因此AVL、GIM等公司先后推出了先進(jìn)的、專門應(yīng)用于電動汽車動力系統(tǒng)測試領(lǐng)域的高性能電機(jī)測試臺架。

奧地利AVL公司的電機(jī)測試臺架的功能完備、易于擴(kuò)展，借助PUMA OPEN自動化測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)快速而精確的高性能測試；同時該臺架還集成了虛擬車輛、3D路況、交通環(huán)境和駕駛員等模型，能夠?qū)崿F(xiàn)基于虛擬駕駛的電機(jī)及其控制器等動力系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試，在電機(jī)測試領(lǐng)域、新能源汽車行業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用[5]。本文在AVL測試臺架基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展與集成被測電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)、水冷循環(huán)系統(tǒng)、功率分析儀及傳感器等儀器設(shè)備，搭建了基于AVL硬件在環(huán)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的電動汽車用永磁同步電機(jī)試驗(yàn)平臺，并以PUMA OPEN自動化測試系統(tǒng)為核心，設(shè)計(jì)了電機(jī)自動測試程序，對電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了測試和分析，試驗(yàn)測試結(jié)果總體良好，測試結(jié)果為電機(jī)逆變器及控制器的開發(fā)提供了數(shù)據(jù)參考。

1 電機(jī)特性測試臺架構(gòu)成

AVL電動汽車電機(jī)試驗(yàn)臺架如圖1所示。試驗(yàn)臺總體上由高動態(tài)電力測功機(jī)DynoRoad、被測電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)、提供直流電源的高性能電池模擬器BTS、水冷系統(tǒng)、功能靈活強(qiáng)大的自動化測試系統(tǒng)PUMA OPEN、集成虛擬駕駛環(huán)境的硬件在環(huán)系統(tǒng)AVL InMotion和數(shù)據(jù)采集模塊[6]等構(gòu)成。

圖1 AVL電動汽車電機(jī)試驗(yàn)臺實(shí)物圖

電池模擬器在電機(jī)本體性能測試中采用恒壓源模式為被測電機(jī)供電，以消除普通電源過壓、欠壓等對電機(jī)測試造成的影響，提高了測試數(shù)據(jù)的精確度[7]；在結(jié)合路況的硬件在環(huán)測試中，可采用電池物理模型，模擬真實(shí)動力電池在行駛工況下的性能。高動態(tài)電力測功機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無振動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換，可精確實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩等控制，可通過四象限操作對被測電機(jī)進(jìn)行全自動的性能及耐久性試驗(yàn)[8-10]。同時，電池模擬器的變頻器和測功機(jī)的變頻器還可以實(shí)現(xiàn)能量回饋，提高了能量的利用率。

PUMA OPEN是一個動態(tài)、高精度、數(shù)字控制的操作平臺，針對電機(jī)不同的測試需求，提供了多種控制方式，包括直接輸入轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩給定、通過操作面板按鈕和旋鈕控制、編輯自動控制序列程序、基于InMotion硬件在環(huán)系統(tǒng)控制的測試等。PUMA OPEN在線監(jiān)控界面友好，控制參數(shù)設(shè)定、修改方便，能夠快速編輯監(jiān)控界面，試驗(yàn)中可自編輯監(jiān)控界面。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲、計(jì)算和支持?jǐn)?shù)據(jù)后處理等功能[11]。

2 電機(jī)特性測試方案

電機(jī)性能測試一般包括穩(wěn)態(tài)特性測試和動態(tài)響應(yīng)測試[12]。根據(jù)GB/T 1029-2005[13]和GB/T 18488.1-2006[14]等標(biāo)準(zhǔn)，利用AVL電機(jī)試驗(yàn)臺，通過編程設(shè)計(jì)自動控制序列程序，對某電動汽車用永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試。

2.1 電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性測試

永磁同步電機(jī)因具有效率高、能量密度大、響應(yīng)速度快、調(diào)速性能好、體積小、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前電動汽車用驅(qū)動電機(jī)研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)[15]。電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性一般是指電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)定運(yùn)行時的輸出功率和效率等特性。功率是電動汽車驅(qū)動電機(jī)選型與匹配優(yōu)化的重要參數(shù)，決定了整車最高車速、最大爬坡度和加速時間等動力指標(biāo)；效率是評價電機(jī)性能的一個重要指標(biāo)，充分利用電機(jī)高效區(qū)能夠顯著降低電耗[7]，提高續(xù)駛里程。

通過電機(jī)效率測試試驗(yàn)，可得到被測電機(jī)本體的效率、逆變器的效率和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率。根據(jù)GB/T 1029-2005，定義被測電機(jī)在試驗(yàn)狀況下的效率計(jì)算公式為

(1)

式中:ηmotor為電機(jī)效率，%；P為電機(jī)輸出有功功率，W；Pin為電機(jī)輸入有功功率，W。

在測試程序中，定義電機(jī)輸出功率為

(2)

式中:N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

在測試程序中，定義電機(jī)輸入有功功率為

(3)

式中:UrmsA為輸入電壓有效值，V；IrmsA為輸入電流有效值，A。

根據(jù)GB/T 18488.1-2006，定義電驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率計(jì)算公式為

(4)

式中:η為整體效率，%；E為控制器接線端子處輸入電壓平均值，V；I為控制器輸入接口端電流平均值，A。

轉(zhuǎn)速N、轉(zhuǎn)矩T等的測量可由集成于傳動軸連接裝置的高精度扭矩法蘭完成；電壓UrmsA、E等可由功率分析儀WT3000直接測得；電流IrmsA、I等由電流傳感器CT1000通過功率分析儀測得；以上測得的數(shù)據(jù)均經(jīng)過功率分析儀通過TCP/IP通信協(xié)議傳輸給PUMA OPEN系統(tǒng)。

通過編輯自動序列控制程序可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)測試的可重復(fù)性。首先給定電機(jī)某一恒定轉(zhuǎn)速，通過AVL測功機(jī)按設(shè)定步長不斷增大電機(jī)負(fù)載，測量電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的功率和效率等，然后按設(shè)定步長逐漸增大轉(zhuǎn)速，再重復(fù)以上過程，直至測試完畢。編程后可通過一次測試完成穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)，消除了傳統(tǒng)測試臺架需要人為多次測量帶來的影響。

2.2 電機(jī)動態(tài)特性測試

動態(tài)響應(yīng)特性一般是指電機(jī)在一定條件下穩(wěn)定運(yùn)行時，階躍到給定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩時所需的時間，即電機(jī)改變轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩后的跟隨能力，一般包括轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)測試和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)測試等。

轉(zhuǎn)速響應(yīng)測試：電機(jī)在空載下穩(wěn)定運(yùn)行時，測試電機(jī)從零速階躍到基速所用的時間。

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)測試：電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時，測試電機(jī)從空載階躍到額定轉(zhuǎn)矩所用的時間。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩結(jié)果修正

根據(jù)GB/T 18488.1-2006，在考慮測功機(jī)風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩時，被測電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩值需要進(jìn)行修正，其真實(shí)值等于測功機(jī)測得的被測電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與測功機(jī)風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩之和，即被測電機(jī)修正后真實(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩為

(5)

式中:Tc為修正后的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Tt為測功機(jī)測得的被測電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Tfw為測功機(jī)的風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩，N·m。

圖2是在PUMA OPEN系統(tǒng)中定義，并測得的有關(guān)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的對比曲線，其中,TORQUE為測功機(jī)測得的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;TORQUETS為聯(lián)接電機(jī)與測功機(jī)的傳動軸軸轉(zhuǎn)矩;TORQUETE為考慮測功機(jī)風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩時電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。由圖2可知，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩的大小不同，但風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩很小，一般情況下，可認(rèn)為電機(jī)真實(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與測功機(jī)顯示的測量轉(zhuǎn)矩基本一致。

圖2 考慮風(fēng)摩耗轉(zhuǎn)矩、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和聯(lián)接軸轉(zhuǎn)矩對比曲線

3.2 電機(jī)功率、效率試驗(yàn)結(jié)果分析

針對測定電機(jī)本體特性，為提高測試精度，電池模擬器采用恒壓源模式，輸出電壓恒定在336 V，在電機(jī)測試過程中不會出現(xiàn)過壓、欠壓等現(xiàn)象。

電機(jī)功率、效率測試采用自動控制序列模式，測試過程如下：負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化為外循環(huán)，轉(zhuǎn)速變化為內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩從5 N·m開始, 每次遞增5 N·m，一直增大到60 N·m結(jié)束；外循環(huán)中，轉(zhuǎn)速從50 r/min開始，每次遞增25 r/min，一直增加到3 000 r/min結(jié)束。試驗(yàn)遞增的步長可以根據(jù)測試需求自定義，自動控制序列流程如圖3所示。轉(zhuǎn)速內(nèi)循環(huán)、轉(zhuǎn)矩外循環(huán)測得的實(shí)際給定曲線見圖4。

圖3 電機(jī)測試自動控制序列流程圖

圖4 轉(zhuǎn)速內(nèi)循環(huán)-轉(zhuǎn)矩外循環(huán)中部分給定曲線

由圖5可知，永磁同步電機(jī)在電池模擬器恒壓源模式下，測得的電機(jī)效率曲線比較平滑、無較大波動；在直流母線額定電壓336 V供電時，電機(jī)效率能保持在較高的水平。圖6為在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下測得的電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線，可知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，在允許的功率范圍內(nèi)，被測電機(jī)的輸出功率基本隨轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩呈線性變化，功率曲線平滑、無抖動。

圖5 電機(jī)效率與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速關(guān)系MAP圖

圖6 電機(jī)功率與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速關(guān)系MAP圖

3.3 電機(jī)溫度對效率影響試驗(yàn)結(jié)果分析

電機(jī)運(yùn)行時的各種損耗主要變?yōu)闊崮?，?dǎo)致電機(jī)的溫度升高；而永磁材料對溫度具有較強(qiáng)的敏感性，溫度的變化直接影響電機(jī)的效率等運(yùn)行性能和使用壽命。研究溫度對永磁電機(jī)效率的影響，控制電機(jī)及其逆變器工作在合適的溫度范圍內(nèi)，對電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)整體效率的提高有重要的意義。

圖7是不同溫度下的電機(jī)效率等差曲線?？梢姡趦纱螠y試中通過控制水冷設(shè)備的溫度，電機(jī)效率可提高0.5%～3.0%。通過研究電機(jī)溫度與效率關(guān)系曲線，能夠?yàn)殡姍C(jī)高效運(yùn)行時溫度控制提供參考。

3.4 電機(jī)機(jī)械特性測試結(jié)果分析

驅(qū)動電機(jī)一般以基速或額定轉(zhuǎn)速劃分工作區(qū)域。在低速恒磁通調(diào)速時，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩保持不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)；在高速弱磁調(diào)速時，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速基本成反比，屬于恒功率區(qū)。電機(jī)機(jī)械特性[16]測試過程如下：以轉(zhuǎn)速2 000 r/min為例，在該轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，轉(zhuǎn)矩給定保持60 N·m恒定；在轉(zhuǎn)速2 000 r/min以上運(yùn)行時，電機(jī)工作在恒功率區(qū)，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速基本成反比。

圖7 不同溫度下的電機(jī)效率差值曲線

圖8為被測電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的特性曲線。可知，永磁同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子無須勵磁，在很低的轉(zhuǎn)速下仍能保持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬；同時對負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)矩擾動具有較強(qiáng)的抗干擾能力，具有較硬的機(jī)械特性。

圖8 電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)特性曲線

3.5 電機(jī)動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

整車換擋策略往往依據(jù)車速或電機(jī)轉(zhuǎn)速，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性則對整車爬坡起步、加速等動力性和駕駛舒適性有直接影響，測試電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩動態(tài)特性對整車控制策略的制定有重要意義。

在轉(zhuǎn)速響應(yīng)測試中，當(dāng)電機(jī)在零速、空載穩(wěn)定運(yùn)行時，直接給定階躍的目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 800 r/min，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖9所示。在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)測試中，當(dāng)電機(jī)在空載、轉(zhuǎn)速4 000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行時，直接給定階躍的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩100 N·m，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)曲線如圖10所示。由測試結(jié)果可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時間很短，電機(jī)動態(tài)性能能夠滿足電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的響應(yīng)需求。

4 結(jié) 語

驅(qū)動電機(jī)是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件，電機(jī)特性及控制技術(shù)對電動汽車的性能影響極大。借助先

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)曲線

進(jìn)的電機(jī)測試臺架，通過搭建測試平臺并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行全方位的測試是電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與開發(fā)的基礎(chǔ)。AVL高性能測功機(jī)和電池模擬器等設(shè)備為電機(jī)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性測試提供了強(qiáng)有力的技術(shù)條件；PUMA OPEN自動化測試系統(tǒng)，提高了測試精度，大大簡化了測試流程，縮短了測試周期，提高了工作效率。

AVL電動汽車試驗(yàn)平臺是一個功能開放的綜合試驗(yàn)平臺。在目前現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)擴(kuò)展系統(tǒng)功能、完善測試手段和設(shè)計(jì)電機(jī)試驗(yàn)方案，完成諸如電機(jī)參數(shù)辨識、電機(jī)控制器開發(fā)測試等，為下一步實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和科研工作的進(jìn)行提供了實(shí)驗(yàn)技術(shù)保障。

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Design and Research on Characteristic Tests of PMSM for Electric Vehicle

ZHANGQi1，LIKe1，ZHANGCheng-hui1，SUNJing1,2，XINGGuo-jing1，LIUXu-dong1

(1. School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Information and Electronic Engineering, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China)

The steady and dynamic characteristics of drive motors have a great impact on power and economy of electric vehicles. A detailed and accurate measurement is the basis for the design of high performance controller. The automatic control test sequences is designed based on PUMA OPEN automation system, and the steady and dynamic characteristics of permanent magnet synchronous motor (PMSM) for electric vehicles are tested in the AVL motor testbed, by designing and building drive motor test platform. The results indicate that the tested PMSM meets the specific requirements for electric vehicle drive motors, and the results also provide a reference for the design and development of motor inverter and controller. Testing process shows that PUMA OPEN automation system can quickly achieve automated tests of motors with a series of advantages, such as simplified operating procedures, shortened test cycles, and high accuracy.

electric vehicles； permanent magnet synchronous motor； steady characteristics； dynamic characteristics； motor test

2014-12-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277116;61304130;61403236)

張 奇(1987-)，男，山東濰坊人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡妱悠?、電機(jī)驅(qū)動、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等。

Tel.:0531-88392822；E-mail：zhangqi2013@sdu.edu.cn

張承慧(1963-)，男，山東德州人，教授，研究方向?yàn)殡妱悠?、?yōu)化控制、新能源技術(shù)等。

Tel.:0531-88395717；E-mail：zchui@sdu.edu.cn

TM 341;G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0047-04