摘要：針對(duì)新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架在試驗(yàn)過(guò)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(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出了一種新的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)，并對(duì)其在新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。通過(guò)變頻器選型和變頻器調(diào)速加載控制器設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的硬件搭建，結(jié)合系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的有效應(yīng)用。試驗(yàn)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(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)驗(yàn)臺(tái)架上的100 h無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行完成試驗(yàn)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(chē);電機(jī)轉(zhuǎn)速;試驗(yàn)臺(tái)架

0 引言

新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)是新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)與電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。目前新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)基本上都是采用計(jì)算機(jī)仿真和道路真實(shí)試驗(yàn)的方式，計(jì)算機(jī)仿真主要借助有關(guān)計(jì)算軟件，模擬新能源汽車(chē)的實(shí)際駕駛情況，主要步驟是建立新能源汽車(chē)駕駛模型，駕駛模型建立的準(zhǔn)確性決定著仿真結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。針對(duì)不同類(lèi)型的新能源汽車(chē)要建立不同的駕駛模型，所以對(duì)電機(jī)試驗(yàn)人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求相對(duì)較高[2]。道路真實(shí)試驗(yàn)容易受到自然環(huán)境條件的限制，需要專(zhuān)業(yè)的試驗(yàn)場(chǎng)地以及與試驗(yàn)相適應(yīng)的天氣條件，同時(shí)外界因素也會(huì)給電機(jī)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)帶來(lái)很多不確定因素，甚至?xí)绊懶履茉雌?chē)的研制進(jìn)度[3]。

新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架不受外界自然環(huán)境條件的限制，新能源汽車(chē)的零部件布置也不會(huì)受到車(chē)體總體布置的限制，可以為不同的新能源汽車(chē)電機(jī)、控制器以及發(fā)動(dòng)機(jī)等提供可靠的試驗(yàn)環(huán)境，以評(píng)估新能源汽車(chē)各零部件的性能[4]?；谝陨戏治觯疚脑O(shè)計(jì)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(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(jì)

1.1 ? 變頻器選型

根據(jù)新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)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(jì)方案如圖1所示。從IGBT功率模塊的設(shè)計(jì)可以看出，調(diào)速加載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電流的反向流動(dòng)，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(biāo)值。另外，變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在消除饋電諧波的同時(shí)，可以保證與電網(wǎng)同步，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)饋電，將加載產(chǎn)生的能量實(shí)現(xiàn)高效率再利用，達(dá)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(jì)

變頻器調(diào)速加載控制器是專(zhuān)門(mén)為新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)的，由于新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)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(duì)變頻器調(diào)速加載控制器的設(shè)計(jì)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(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速），變頻調(diào)速器輸出目標(biāo)頻率，默認(rèn)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)頻率，即達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

（2）轉(zhuǎn)矩控制方式（開(kāi)環(huán)矢量[6]），此時(shí)變頻器需選擇無(wú)速度傳感器矢量控制，電流環(huán)也稱(chēng)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(guò)速度反饋傳感器直接測(cè)量，所以速度控制的精度和響應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)開(kāi)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(jì)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(qiáng)型的轉(zhuǎn)矩控制模式，此時(shí)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(chē)電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，控制目標(biāo)會(huì)在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間切換，如果通過(guò)切換變頻調(diào)速器的控制方式來(lái)切換控制目標(biāo)，那么對(duì)變頻調(diào)速器的給定劇烈變化會(huì)造成不可避免的擾動(dòng)。在傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上，切換控制方式前，首先停止系統(tǒng)運(yùn)行，切換完成后，以新的控制方式啟動(dòng)，這種方式不能滿(mǎn)足新的試驗(yàn)要求，并且嚴(yán)重降低試驗(yàn)效率。為此，變頻器調(diào)速加載控制器采集實(shí)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(biāo)時(shí)，變頻器調(diào)速加載控制器在算出新的PID運(yùn)算給定值前，保持上個(gè)給定值，這樣可以在試驗(yàn)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(jī)使用通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可以節(jié)省專(zhuān)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(kuò)展性強(qiáng)。在轉(zhuǎn)速采集上，采用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司National Instruments（NI）的C系列模塊NI9411配合高性?xún)r(jià)比CDAQ 9171底座，NI9411是高速頻率采集模塊，采集頻率高達(dá)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(duì)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(jì)

變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)軟件采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)。人機(jī)界面即前面板，如圖3所示，帶有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等實(shí)際值顯示窗口以及控制方式切換、目標(biāo)值設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄等按鍵。首先，使用NImax軟件設(shè)計(jì)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(shí)，調(diào)用這些任務(wù)配合初始化的配置，得到采集實(shí)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(hù)進(jìn)入系統(tǒng)軟件，首先進(jìn)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(méi)有錯(cuò)誤后進(jìn)入主程序While循環(huán)。運(yùn)行時(shí)，人工單擊人機(jī)界面輸出運(yùn)行開(kāi)關(guān)量后，等待系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)判斷，如果新能源汽車(chē)電機(jī)和變頻調(diào)速器的運(yùn)行標(biāo)志位都為1，則確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行，PID控制開(kāi)始運(yùn)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(yùn)行。軟件中將PID運(yùn)算設(shè)置為定時(shí)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(dòng)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)視各個(gè)標(biāo)志位，判斷是否應(yīng)該停機(jī)。

標(biāo)志位定義如表1所示。

對(duì)配置文件的操作要在系統(tǒng)停止時(shí)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(yùn)行中操作會(huì)引起實(shí)際參數(shù)和給定值的突變，引發(fā)故障停機(jī)。窗口的操作通過(guò)前面板的按鍵執(zhí)行，按鍵按下，進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的事件結(jié)構(gòu)，在事件結(jié)構(gòu)中處理目標(biāo)操作，如果按鍵操作沒(méi)有觸發(fā)停止，那么PID控制的定時(shí)循環(huán)優(yōu)先級(jí)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(yàn)分析

為了驗(yàn)證變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(duì)比對(duì)象，測(cè)試了變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)的100 h無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行完成試驗(yàn)率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2的測(cè)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(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上時(shí)，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(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的應(yīng)用穩(wěn)定性較差，為提高穩(wěn)定性而頻繁停機(jī)降低效率，單位時(shí)間內(nèi)完成的有效試驗(yàn)時(shí)間較短。經(jīng)計(jì)算，10次試驗(yàn)中，傳統(tǒng)變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的100 h無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行完成試驗(yàn)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(jìn)行了設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)了變頻器調(diào)速加載流程，使其在新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的應(yīng)用更加穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，10次試驗(yàn)中，本文提出的變頻器調(diào)速加載系統(tǒng)在新能源汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)驗(yàn)臺(tái)架上的100 h無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行完成試驗(yàn)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(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的穩(wěn)定性更好。

4 結(jié)語(yǔ)

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(jì)要點(diǎn)，并將其應(yīng)用在新能源汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)驗(yàn)臺(tái)架上，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在新能源汽車(chē)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(jiǎn)介：趙大為（1981—），男，吉林省吉林市人，工程師，從事內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架、變速箱等各種動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備研發(fā)工作。