电动汽车分布式电机驱动测试系统研究与应用

1 引言

　　随着能源和环境问题日益受到重视，电动汽车以其清洁无污染、能量效率高、低噪声、能源多样化等优点研究发展迅速。电动汽车作为一种交通工具，工作环境复杂多变，其电机驱动系统需要满足可靠性高、效率高、调速性能好、造价低等性能要求。因此电动汽车的电机驱动系统测试是一项重要研究内容。

　　电机驱动系统包括电机及其控制器，系统测试中需较长时间采集驱动系统内部和外部的信号，用到多个测量仪器，输出大量数据。电动汽车电机驱动系统研究的深入对其测试的效率和精度有了更高的要求，传统的手工测试方法已无法满足试验需求。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的发展，以PC机和工作站为基础的虚拟仪器和分布式网络化测试技术为主的现代化开放式测试系统已成为目前的发展趋势。

　　因此，本文提出了一种基于CAN总线、GPIB总线和以太网的分布式电机驱动测试系统。下面详细阐述该测试系统总体和各子系统的设计思想和方案。

2 分布式测试系统设计

　　2.1 测试系统需求分析

　　电机驱动系统试验按照一定的测试规范给电机加载，使电机可以工作在各种给定的工况下，同时还要为电机提供一定的保护措施。测试对象为车用交流异步电机和永磁同步电机，采用直流电源柜-电机控制器－电机-测功机的连接方式。电源柜的直流电压输出经电机控制器逆变为可控的三相变频变压交流电，从而驱动电机工作。电机的输出轴连到测功机，通过测功机来完成机械功率的吸收。系统结构如图1所示。

图1 电机驱动试验系统示意图

　　由图1可见，电机驱动系统所需测试量有：电机控制器的四路电流和四路电压，包括输入直流母线电压电流和输出三相交流电压电流值；电机的输出转矩和转速；至少三个温度测点；冷却系统的液体流量、流速和压力；控制器内部参数和控制指令等。要求各测试量的精度等级为0.5级，即误差控制在千分之五以内。

　　2.2 系统总体设计

　　本文采用集散控制思想，开发出适用于电动汽车电机驱动系统试验的分布式在线监测系统，包括接口网络设备及配套软件。建立一套基于CAN总线、GPIB总线和Ethernet的现场总线技术的分布式在线监测平台，自动完成测试、记录和一些在线分析功能。

　　按照所需检测的数据类型将系统划分为四个子系统：电气特性测试子系统，机械特性测试子系统，内部信息调试子系统和环境监测子系统。

　　系统以测控计算机为核心处理单元，就每个子系统的数据接口特点选择合适的互连方案。方案的选取主要从以下几个方面考虑：充分利用现有技术和仪器；经济性；兼容性和可扩展性；传输速度和精度；网络利用率等。

　　基于以上各方面因素的充分考虑后，设计的监测系统拓扑结构如图２所示。

图2 测试系统网络拓扑图

　　2.3 子系统设计

　　由图2可见：电气特性测试子系统进行电气参数的测量，包括控制器输入输出的电流和电压，以及功率和效率等相关参数。采用LEM 公司生产的NORMA D6000功率分析仪作为测量仪器，通过GPIB总线与测控计算机通信。

　　机械特性子系统测量电机转速和转矩外特性，采用南峰CW160电涡流测功机作为加载装置和测量仪器。南峰测功机输出转速和转矩的模拟信号，该信号经A/D转换和CAN转换后传输到imc C1数据采集器。

　　内部信息调试子系统测量控制器内部在线运行参数，由控制器直接CAN输出，经另一条CAN总线传输到数据采集器。

　　环境监测子系统使用一系列传感器，测量输出冷却系统的温度、流量、流速、压力和驱动系统环境温度、湿度、压力的模拟量。

使用IMC公司生产的imc C1数据采集器作为系统数据网关，它标配有2个CAN节点，8路模拟输入通道和支持TCP/IP协议的Ethernet接口。机械特性子系统和内部信息调试子系统分别通过两路独立的CAN总线、环境监测子系统通过多路模拟通道连接到imc C1。最后，这三个子系统的所有数据经imc C1的以太网口传输到测控计算机。系统数据流图如图3所示。

图3 测试系统数据流图

3 关键技术研究

　　监测系统软件开发环境采用美国NI公司的虚拟仪器开发软件Labview7.0。它采用图形化编程语言，提供了大量功能函数，有助于提高程序可靠性和开发效率。

　　系统开发包括软硬件平台搭建、数据采集与处理、数据信息管理、软件界面设计和系统可靠性与误差分析等方面的工作，本文对其中的几点关键技术予以详述。

　　3.1 GPIB通信

　　通用接口总线GPIB(General Purpose Interface Bus)是高速率8位并行数字接口，已成为IEEE 488标准。

　　本文采用NI公司的PCI-GPIB接口卡，最高传输速度可达1.5Mbytes/s。待集成的D6000功率分析仪可进行终端电量的测量和分析，它的组件61D2模块包含GPIB接口。

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