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 266061）

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。

1 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)以西門子PLC S7-300 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：

圖1 設(shè)備連線圖Fig.1 Device connection diagram

（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PLC S7-300。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PLC S7-300 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)。

1.1 軟件總體設(shè)計

本系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 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。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of system

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：

圖3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System software function design structure

（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。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。

1.2 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。

1.3 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。

1.3.1 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：

3）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（root mean square，RMS），如果RMS＞ε，則繼續(xù)進(jìn)行重復(fù)以上步驟，直到RMS≤ε，此時得到的函數(shù)便是n=3 的擬合函數(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，…，t-1 按照上述步驟得到各自的擬合函數(shù)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。

2 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40 kW，峰值功率為80 kW；額定轉(zhuǎn)矩為125 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為300 N·m；最高轉(zhuǎn)速為9000 r/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。

2.1 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。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)電機負(fù)載特性曲線Fig.5 Standard motor load characteristic curve

以500 r/min 作為電機的起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速，每增加500 r/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。

表1 額定和峰值工況下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)Tab.1 Rated and peak operating speed torque data

圖6 自適應(yīng)最小二乘法擬合曲線Fig.6 Curves fitted by adaptive least square method

圖7 常規(guī)最小二乘法擬合曲線Fig.7 Curve fitted by conventional least square method

2.2 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，通過公式η＝計算求出電機的效率，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50～225 N·m 和轉(zhuǎn)速范圍為1500～5500 r/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。

表2 不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下的電機效率Tab.2 Motor efficiency under different speed torque

圖8 效率云圖Fig.8 Efficiency cloud map

3 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。