孟永剛，李偉超，黃泳誠(chéng)，高大威※

（1.聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206；2.清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084；3.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

由于具有響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。在電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，小功率電機(jī)所占比例相較于大功率電機(jī)更大，但目前市面上所銷售的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)大部分是面向大功率電機(jī)而設(shè)計(jì)，針對(duì)小功率電機(jī)，尤其是功率在1 kW以下的電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)非常少。目前市面上小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)存在體積大、系統(tǒng)復(fù)雜等問題，因此本文針對(duì)電動(dòng)汽車用的小功率電機(jī)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)。

在進(jìn)行小功率電機(jī)性能實(shí)驗(yàn)時(shí)，為提高實(shí)驗(yàn)的精度和經(jīng)濟(jì)性，需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用的小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)[1]。一般而言，電機(jī)測(cè)試平臺(tái)需要具有負(fù)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集信號(hào)等功能，再通過PC端上位機(jī)軟件對(duì)負(fù)載電機(jī)進(jìn)行恒扭矩與恒轉(zhuǎn)速控制，并采集相應(yīng)的傳感器信息，最后能夠在上位機(jī)界面上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析[2－4]。因此，本文將完成一個(gè)可靠的小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)以供研究使用。

1 小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的需求分析

1.1 被測(cè)電機(jī)分析

本文針對(duì)的小功率電機(jī)功率等級(jí)在1 kW以下，負(fù)載電機(jī)的特性需要能夠覆蓋被測(cè)電機(jī)輸出特性，即進(jìn)行的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)必須能夠始終保持在負(fù)載電機(jī)的正常工作范圍內(nèi)，由此可以模擬出被測(cè)電機(jī)可能會(huì)遇到的機(jī)械負(fù)載。但考慮到小功率電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，各種非線性因素會(huì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，以及控制器的控制參數(shù)選取不當(dāng)?shù)膯栴}，會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)很大的沖擊，這個(gè)沖擊一般會(huì)造成瞬時(shí)相電流達(dá)到額定值的數(shù)倍左右，甚至更高[5]。由此，除了需要保證負(fù)載電機(jī)能夠滿足被測(cè)電機(jī)正常工作狀態(tài)的負(fù)載需要，也必須能夠抵消被測(cè)電機(jī)的瞬時(shí)沖擊[6]。因此，考慮到負(fù)載電機(jī)的功率覆蓋范圍，以及測(cè)試平臺(tái)的安全性，選擇的負(fù)載電機(jī)功率應(yīng)在2 kW左右。

1.2 負(fù)載選擇

通常，在電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的負(fù)載部件有幾個(gè)比較常見的選擇，其中包括磁粉測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)以及伺服電機(jī)等[7]。每種負(fù)載部件都有不同的工作原理及特性，經(jīng)過廣泛調(diào)研，對(duì)這幾類負(fù)載的技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比介紹[8－10]。如圖1所示。

圖1 不同類型負(fù)載特性對(duì)比

根據(jù)對(duì)比可知，各類測(cè)功機(jī)在特定條件下具有良好的性能，伺服電機(jī)憑借閉環(huán)控制的優(yōu)勢(shì)，可以提供精確的輸出控制，同時(shí)適用的范圍也相對(duì)較廣[11]。雖然伺服電機(jī)在價(jià)格方面相對(duì)來說比較高，但考慮到對(duì)于電機(jī)的各種測(cè)試條件比較嚴(yán)格，并需要保證測(cè)試平臺(tái)的可靠性與擴(kuò)展性，對(duì)磁粉測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)以及伺服電機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行綜合對(duì)比，伺服電機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、閉環(huán)控制精度高等其他各類測(cè)功機(jī)所不具備的優(yōu)勢(shì)，因此伺服電機(jī)更適合本文所設(shè)計(jì)的小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，故負(fù)載電機(jī)選用伺服電機(jī)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過初步設(shè)計(jì)，電動(dòng)汽車小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)主要包括被測(cè)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、負(fù)載電機(jī)控制器、各類傳感器（電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速）、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機(jī)控制系統(tǒng)、交直流電源等，設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)框架如圖2所示。

圖2 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)通過電網(wǎng)供電，負(fù)載電機(jī)（即伺服電機(jī)）由負(fù)載電機(jī)控制器控制調(diào)節(jié)，被測(cè)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)采用對(duì)拖的形式進(jìn)行連接，兩電機(jī)的輸出軸相對(duì)連接，中間部分安裝有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)定電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。在PC端的上位機(jī)控制面板可以調(diào)整伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，并且能夠給定電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩指令。上位機(jī)通過RS485 通信方式與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RS485 通信方式具有傳輸速率快，掛載節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)勢(shì)，由RS485 采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)能夠在上位機(jī)界面準(zhǔn)確顯示。伺服電機(jī)控制器與上位機(jī)采用CAN總線通信方式，CAN 總線具有傳輸速率快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)控制中作為主要的通信方式。CAN 總線將上位機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)傳遞至伺服電機(jī)控制器，電機(jī)控制器再通過FOC 控制方式來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的輸出。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將其測(cè)定的結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，最終將結(jié)果直觀地表示在上位機(jī)顯示面板上。圖3所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)方案。

圖3 測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

3 小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的搭建

在本文第2 節(jié)中已經(jīng)確定了測(cè)試平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)方案，電機(jī)測(cè)試平臺(tái)采用了電機(jī)對(duì)拖的形式。接下來將對(duì)平臺(tái)所需的硬件設(shè)備進(jìn)行對(duì)比選擇。

3.1 負(fù)載電機(jī)選擇

本文設(shè)計(jì)的小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)面向的是額定功率在1 kW以下的電動(dòng)汽車用電機(jī)，經(jīng)廣泛調(diào)研，汽車用的小功率電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一般在3 000 r/min以下，以2 000 r/min為主，極限工況下可達(dá)到6 000 r/min。因此，為保證模擬被測(cè)電機(jī)的工作負(fù)載，負(fù)載電機(jī)的特性曲線必須能夠完全覆蓋被測(cè)電機(jī)的特性曲線。在此，根據(jù)文獻(xiàn)，選擇的安全系數(shù)K＝1.5[12－13]。以此系數(shù)為根據(jù)，通過計(jì)算可以得到負(fù)載電機(jī)所需克服的轉(zhuǎn)矩為2.4～7.2 N·m。

利用式（1）可以計(jì)算出伺服電機(jī)額定功率約為1.78 kW。根據(jù)伺服電機(jī)最大額定轉(zhuǎn)矩7.2 N·m，以及額定功率1.78 kW進(jìn)行初步挑選，結(jié)果如表1所示。

表1 負(fù)載電機(jī)選型

對(duì)比上述幾種伺服電機(jī)，可以看出，第一個(gè)伺服電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)均能較好地滿足本文測(cè)試平臺(tái)的性能參數(shù)需求。圖4所示為該型電機(jī)的特性曲線，該伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到10 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min，由圖可知其滿足了小功率電機(jī)測(cè)試的基本需求。

圖4 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性

3.2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選擇

在電機(jī)測(cè)試過程中，測(cè)量負(fù)載電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率等，需要通過安裝在電機(jī)間的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器讀取相關(guān)物理量。經(jīng)過廣泛的市場(chǎng)調(diào)研，選出如表2所示的幾類轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。由表可知，量程為20 N·m 傳感器的精度偏低，其最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min 相對(duì)需求6 000～8 000 r/min 而言過大。在前一節(jié)里，已經(jīng)確定測(cè)試過程中的最大轉(zhuǎn)矩不會(huì)超過10 N·m，因此，綜合考慮成本與精度因素，最終選擇第一個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。此外，考慮到該型傳感器采用RS485 通信，方便使用LABVIEW與其進(jìn)行信息的交互。

表2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選型

3.3 實(shí)物平臺(tái)搭建

前幾節(jié)敘述了電機(jī)測(cè)試平臺(tái)各個(gè)部件的選型工作，下一步將進(jìn)行平臺(tái)各個(gè)部件的安裝裝配?？紤]到機(jī)械加工誤差以及人工裝配時(shí)的誤差，在安裝這些部件的過程中必須不斷調(diào)整，以確保整個(gè)對(duì)拖系統(tǒng)同軸度等的精度要求。如圖5～6 所示為整個(gè)永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)部分的三維設(shè)計(jì)裝配效果圖以及最終的實(shí)物圖。

圖5 測(cè)試臺(tái)架3D圖

圖6 測(cè)試臺(tái)架實(shí)物

4 測(cè)試平臺(tái)調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器調(diào)試

測(cè)試平臺(tái)選用的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器使用了RS485 通信模塊，采用Modbus RTU協(xié)議，具有雙通道輸出，同時(shí)可以傳輸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速信號(hào)。

RS485 屬于串口通信，串口通信的工作方式是通過串行的方式按位（bit）發(fā)送及接受字符，這種方式相對(duì)并行通信方式來說會(huì)慢一些，但節(jié)省了數(shù)據(jù)線。串口一般使用ASCII碼字符傳輸數(shù)據(jù)，通常來說每個(gè)字符除了8位數(shù)據(jù)位外，還有1位起始位和1位停止位，共10位，有時(shí)也要考慮奇偶校驗(yàn)位。

本次上位機(jī)系統(tǒng)的編寫采用的軟件是LABVIEW，LAB?VIEW具有成熟的串口驅(qū)動(dòng)底層，為用戶提供了便利的API接口，因此利用軟件包含的底層驅(qū)動(dòng)，就可以使用LABVIEW對(duì)串口進(jìn)行收發(fā)操作。如圖7所示為L(zhǎng)ABVIEW進(jìn)行串口通信的程序流程圖，圖8所示為L(zhǎng)ABVIEW串口通信程序框圖。

圖7 串口通信流程

圖8 串口通信程序

4.2 伺服電機(jī)調(diào)試

測(cè)試平臺(tái)使用的伺服電機(jī)控制器支持以太網(wǎng)TCP/TP 協(xié)議，同時(shí)也支持工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 通信。上位機(jī)使用LAB?VIEW 軟件編寫上位機(jī)系統(tǒng)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，通過CAN通信實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，CAN通信示意圖如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)器CAN通信

根據(jù)伺服電機(jī)控制器的CAN通信協(xié)議，每一幀CAN數(shù)據(jù)包通過過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）來進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信。PDO分為兩種類型，即傳輸PDO（TPDO）和接收PDO（RPDO），通過TPDO可以將數(shù)據(jù)從控制器傳至上位機(jī)的控制系統(tǒng)，而使用RPDO 則可以讓控制器接收從上位機(jī)控制系統(tǒng)中發(fā)出的數(shù)據(jù)。

利用PDO進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，需要發(fā)送CAN報(bào)文，每一幀報(bào)文其中包括了11 位的COB－ID、控制字節(jié)、對(duì)象In?dex、子索引號(hào)以及4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。其中11 位的COB－ID分為兩個(gè)部分，第0～6位表示模塊ID，也就是可以將數(shù)字1～127設(shè)置為控制器的站地址。COB－ID的第7～10位是功能代碼，這4 位的二進(jìn)制數(shù)規(guī)定了CAN 總線傳輸過程中報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。

PDO 的對(duì)象定義了各個(gè)指令的含義，通過改變這些定義對(duì)象的值可以實(shí)現(xiàn)想要實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)象Index的存放是按照先低字節(jié)后高字節(jié)的存放順序。例如，在對(duì)象字典中6041h的定義為查詢控制器的狀態(tài)，此時(shí)想要查詢驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)則可以通過CAN 總線發(fā)送幀ID 為603，數(shù)據(jù)內(nèi)容為40 41 60 00 40 00 00 00的報(bào)文。

為了在上位機(jī)上清晰地顯示發(fā)送或接收的CAN 報(bào)文，并優(yōu)化邏輯操作，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠儲(chǔ)存CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)簇，并在LABVIEW中建立一個(gè)表格，表格的每一行都可以存放一個(gè)幀的所有結(jié)構(gòu)，也即其中間包括有序號(hào)、傳輸方向、傳輸幀COB－ID、控制字節(jié)、對(duì)象Index、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容等等，程序框圖如圖10所示。

圖10 CAN報(bào)文解析程序

上位機(jī)系統(tǒng)與伺服電機(jī)控制器之間采用CAN 卡進(jìn)行連接，CAN 卡通過PCI插槽與PC連接，CAN 卡具有2 個(gè)CAN 通道。通過在LABVIEW 中調(diào)用CAN 卡的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)控制器的CAN通信，上位機(jī)中CAN通信的配置流程如圖11～12所示。

圖11 CAN通信流程

4.3 上位機(jī)界面

本節(jié)為電機(jī)測(cè)試平臺(tái)編寫了上位機(jī)系統(tǒng)的主程序，將第4.1節(jié)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器串口模塊以及伺服電機(jī)控制模塊進(jìn)行了整合，將其中需要的指令操作簡(jiǎn)化，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的人性化操作顯示界面。

圖12 CAN通信程序

上位機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括讀取轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制器的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量值以及對(duì)負(fù)載伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。根據(jù)此需求，設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)界面如圖13所示。

圖13 測(cè)試平臺(tái)上位機(jī)界面

此界面中包含了4 個(gè)主要模塊，包括系統(tǒng)主面板、通信配置面板、電機(jī)控制面板以及數(shù)據(jù)采集顯示面板。

（1）主控面板可以對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的啟停進(jìn)行控制，并設(shè)有緊急停止按鈕。

（2）通信配置面板可以配置RS485 串口及CAN 的通信參數(shù)，通信必須配置正確才可以啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

（3）電機(jī)控制面板在點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)按鈕后才會(huì)出現(xiàn)，防止誤操作。在此面板中可以對(duì)伺服電機(jī)的工作模式進(jìn)行選擇，可以以脈沖、周期脈沖以及連續(xù)輸出3種輸出模式輸出想要的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩指令。

（4）數(shù)據(jù)采集顯示面板可以顯示轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)累計(jì)歷史圖象，同時(shí)在下方還有實(shí)時(shí)顯示最近10 s 內(nèi)的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)圖象，通過拉動(dòng)下方的藍(lán)色位置條可以隨時(shí)查看轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速圖中的任意10 s內(nèi)的細(xì)節(jié)。

4.4 控制功能實(shí)現(xiàn)

首先驗(yàn)證負(fù)載伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制功能。通過電機(jī)控制面板輸入連續(xù)轉(zhuǎn)速值，設(shè)定為1 000 r/min，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，這時(shí)可以看到數(shù)據(jù)采集面板顯示出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速圖象，如圖14所示，從細(xì)節(jié)圖可以看出，轉(zhuǎn)速誤差非常小，證明測(cè)試臺(tái)架具有良好的轉(zhuǎn)速控制能力。

圖14 上位機(jī)轉(zhuǎn)速采集

接下來驗(yàn)證負(fù)載伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制功能。驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩功能時(shí)需對(duì)伺服電機(jī)加一個(gè)恒定負(fù)載，以抵消伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通過伺服電機(jī)控制面板輸入連續(xù)轉(zhuǎn)矩值，設(shè)定為1.14 N·m，可以看到數(shù)據(jù)采集面板顯示出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩圖象，如圖15所示，從圖可知，轉(zhuǎn)矩誤差非常小，分布在－0.06～0.04 N·m，證明測(cè)試臺(tái)架具有良好的轉(zhuǎn)矩控制功能。

圖15 上位機(jī)轉(zhuǎn)矩采集

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于通過對(duì)電動(dòng)汽車小功率電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試需求分析，設(shè)計(jì)了測(cè)試平臺(tái)的整體方案，搭建了測(cè)試平臺(tái)的硬件與軟件系統(tǒng)，并編寫了能夠控制測(cè)試平臺(tái)的上位機(jī)系統(tǒng)，為小功率電機(jī)測(cè)試研究提供了較完善的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，總結(jié)如下。

（1）本文根據(jù)電動(dòng)汽車小功率電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)研究要求，設(shè)計(jì)了電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的總體方案。

（2）基于測(cè)試平臺(tái)的整體方案，選擇并對(duì)比了各個(gè)模塊所需的硬件設(shè)備，對(duì)負(fù)載電機(jī)及傳感器等進(jìn)行了選型。并根據(jù)選擇的設(shè)備，綜合平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)并搭建了整個(gè)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)。

（3）完成了測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集及控制功能模塊的程序編寫，并將各個(gè)模塊有機(jī)的組合，協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)的控制及數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)矩范圍在0～10 N·m，轉(zhuǎn)速在0～8 000 r/min 范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)試平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試精度能夠達(dá)到0.1%，滿足實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)上位機(jī)具有良好人機(jī)交互的平臺(tái)操作界面，為電機(jī)實(shí)驗(yàn)研究提供了較好的環(huán)境和條件。