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摘要：电机驱动系统试验平台对加快电机驱动系统的开发进度、提高开发水平具有重要的价值。本文详细分析了电机驱动系统试验平台的设计。
关键词：电动车；电机驱动系统；实验平台
电机驱动系统试验平台，必须要实现对汽车行驶道路工况的模拟。根据此设计思路，要求在平台硬件设计中，功率、转矩的测量装置除满足静态特性的测试外，还必须满足动态特性测试的要求，测控软件的开发必须考虑测功机转动惯量等动态特性因素的影响。
一、试验平台总体设计
双电机系统试验平台主要包括电源系统、主控制系统、动力加载系统和被测动力传动系统。电源系统既可以供应整个台架的电力需求，又可以通过泄放电阻消耗多余的电能，保护被测电机控制器不受损坏。主控制系统主要由上位机和实时控制器构成，用于向电力测功机及被测电机发出控制指令，采集并处理各部件状态信息。动力加载系统主要由交流异步电机及变频器构成，可实现主动加载和被动加载。被测动力传动系统主要由被测电机及双输入单输出齿轮箱构成，通过被测电机转矩控制，可实现单电机驱动及双电机联合驱动模式。
二、测控系统设计
1、硬件设计。控制系统硬件设计包括工控机、数据采集设备、信号调理设备、传感器、物理信号、电信号。传感器将电机温度、泵油压力等原始物理信号转换为电信号。部分电信号经信号调理设备进行滤波、放大、隔离等处理后送达数据采集设备，不需调理的电信号可直接传输到数据采集设备。数据采集设备采用PCI.6221型数据采集卡和双端口高速控制器局域网络接口卡，将模拟的电信号转换为计算机可识别的二进制数据，通过外部设备互连总线传送给工控机进行处理，也可将工控机编写的数字信号转换为模拟信号输出。
2、测控系统上位机软件设计。对测控系统上位机而言，良好的人机界面可有效减少测试成本。其测控平台能够监控被测电机、电力测功机、主轴转矩传感器的工作状态，采集关键部件信息参数。所设计的上位机软件系统，能够监控、采集大功率直流电源的输出电压和电流，用于计算动力系统的总输入功率。通过监控、采集主轴转矩传感器转速和转矩，可计算被测动力系统输出功率；通过监控、采集被电机和被测电机的状态信息，能够分析被测电机运行特征规律。
基于上位机平台可实现控制模式的选择，各控制模式可向电力测功机及被测电机控制器发出控制指令。所设计的测试平台可实现转速模式、转矩模式、道路阻力模式和负载跟随模式控制。其中，对于转速模式，电力测功机运行于转速控制，被测电机运行于转矩控制；转矩模式下，被测电机运行于转矩控制模式；道路阻力模式用于模拟车辆道路阻力；负载跟随模式基于设定的坡度和速度，计算出需要传给测功机的扭矩。此外，为了拓展平台测试功能，在上位机软件中设计车辆参数设置模块，用于模拟不同车型参数下道路阻力特征规律。通过上位机输入模拟车型基本参数，下位机（实时控制器）可实时计算不同状态下电力测功机被动加载值。
3、测控系统下位机软件设计。测控系统下位机会依据上位机中控制模式的选择，运行不同的子模块。以道路阻力计算模块为例，首先，下位机会依据上位机设置的油门开度向被测电机发出转矩控制指令，被测电机拖动电力测功机运行；此后，下位机依据主轴转矩传感器信号，结合上位机所设定的整车特征参数，计算电力测功机需要输出的阻力矩，用于模拟车辆行驶阻力。
三、部分硬件电路的设计
1、电源的设计。无论是测量系统还是控制系统，都需要供电电源，而电源的稳定性对测量和控制的效果起着至关重要的作用。主控芯片及其外围的一些电路需要5V、12V或者15V的电压供电，而它们主要是通过24V供电电压直接或者间接转换得到的。比如，15V供电电源的设计电路图采用FDC20-24D15型号DC-DC模块将24V转换为电压传感器所需要的15V电。在模块的输入端分别加上电解电容和瓷片电容，对24V电源起到稳压作用，保证供电电源质量；在输出端加RC滤波电路，保证输出电压质量。
2、电压采样电路的设计。试验平台要保证控制系统的可靠工作，对母线电压进行采集并需要必要的过电压保护。选用TBV10/25型号的霍尔电压传感器，其测量范围为10-500V，供电电源为15V，额定精度达到0.5%。
3、CAN通讯电路的设计。采用CAN总线作为电动汽车驱动系统试验平台上位机与控制器进行数据交换的通道。系统控制器的主控芯片与上位机之间通过USBCAN-II进行数据的传输。
四、试验平台的试验验证
1、驱动系统的试验及其结果。对驱动系统的试验主要是对其性能进行评价，包括动静态性能评价和系统的效率评价。静态性试验是指电动机在一定的转矩、转速下稳定地运行，测量驱动系统中的运行效率，并根据数据绘制转矩-转速-效率三维图。动态性能试验是整车驱动系统开发阶段不可缺少的重要环节，传统上都是在实车上进行测试，但整车驱动系统的拆装、控制程序很不方便，在试验平台进行动态试验克服了这些缺点。动态试验从类型上可分为两种：工况试验和动力性能试验。
为了更准确的测试驱动系统静态性能，只用电涡流测功机来提供稳定的负载。进行的静态试验首先是在轻载和半载情况下，观测驱动电机在低速和中速时的运行情况。然后为测试驱动系统的运行效率，在直流供电电源电压260V时，测试了在5个不同负载情况下，5个不同转速时转矩、转速及母线电流值，并根据记录的数据绘制了转矩-转速-效率三维图。首先进行静态性能测试。在固定转速和负载的情况下进行试验，观察测得的转速是否稳定。由转速可看出，在轻载和半载时驱动电机的转速都很平稳，可见驱动系统的控制效果良好。而且其波动都比较小，速度越高越平稳。在负载相同的情况下，转速较低时，波动相对较大；中高速时，测得的转速波动相对较小。
在进行效率分析时，分别给定转速400、600、800、1000、1200r/min和负载转矩0.8、2.2、3.5、5.0、6.6Nm。实验计算得到的效率为功率驱动模块-电动机-控制器的效率。此外，试验得到的数据及转矩-转速-效率三维图可以为控制电机提供参考依据，使驱动电机在工况切换时按最高效率模式运行。
2、惯量模拟的试验及其结果。驱动系统的动态性能测试是通过在电动机运行过程中改变负载，由操作界面显示得到的转矩及转速曲线来评价动态性能，同时也能验证负载模块的控制效果。在进行电动汽车行驶工况模拟试验时，对驱动电机和给定转矩来模拟驱动力，对电涡流测功机给定转矩来模拟行驶阻力，对加载电机给定转速进行转速控制来模拟机械惯量，从而实现整车的行驶状况模拟。
在系统的转速保持600r/min匀速时，给定测功机的转矩为7Nm，驱动电机转矩为7.2Nm。由于在匀速行驶时没有加速度，因此也就不会产生惯性转矩，但平台自身存在着阻力，为保持匀速驱动转矩要比负载转矩稍大。在某一时刻开始加速，给定加载电机一个速度曲线使系统转速按该曲线进行加速至1000r/min，在保持匀速运行。此外，在加速的同时给定驱动电机转矩为10Nm。由于转速的提高，对汽车来说也就是行驶速度的提高，其受到的行驶阻力也会相应的增大。在加速期间，存在加速度，也就有了转动惯量，从而产生了惯性转矩。由于转矩和转速同时施加，测得的转矩和转速都会有超调，待转矩稳定后测得的数值与测功机提供的阻力矩，即用来模拟汽车的行驶阻力矩存在着一定的差距，这部分即为惯量产生的惯性力矩。给定的驱动力矩与实测值也存在着差异，主要是由于在NC-4扭矩测量仪之间存在着一定的惯量。
五、结语
电机驱动系统是电动汽车的“心脏”，其性能的提高是电动汽车发展的关键。电动汽车电机驱动系统实验平台能测试评价其整体性能，为电动汽车驱动技术相关实验提供设备保障，同时支撑相关领域的科学研究。
参考文献：
[1]王泽平.双电机系统试验平台总体设计[J].工业大学，2017.
[2]程夕明.电动车动力驱动系统试验平台设计[J].大学学报，2017.
[3]王庆立.电动车电机驱动系统测试平台的设计[J].天津大学，2016.