基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的HIL試驗平臺.pdf

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研究與 基子雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的HIL試驗平臺 張蔭先 廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東廣州 510640 的車用雙轉(zhuǎn)子電機(jī) 搭建了基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動試驗平臺 對關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行了接口模塊的開發(fā)設(shè)計 該試 測與調(diào)試試驗相關(guān)參數(shù) 最后的試驗結(jié)果也驗證了該試驗平臺的合理性 轉(zhuǎn)子電機(jī) 硬件在環(huán) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1009 9492 2010 08 0085 04 1前言 在對環(huán)保意識和節(jié)能要求越來越強(qiáng)烈的形勢下 開發(fā) 節(jié)能環(huán)保的混合動力電動汽車 Hybrid Electric Vehicle 簡稱HEV 已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車發(fā)展的緊迫任務(wù) 而 作為混合動力系統(tǒng)中動力源之一的電機(jī)系統(tǒng) 也成為近些 年的研究熱點 本文搭建的試驗平臺針對的是一種新型的車用雙轉(zhuǎn)子 電機(jī) 該電機(jī)利用作用力與反作用力原理 將傳統(tǒng)電機(jī)的 定子也作為轉(zhuǎn)子 外轉(zhuǎn)子 與原有的電機(jī)轉(zhuǎn)子 內(nèi)轉(zhuǎn)子 作反向運(yùn)動 在傳統(tǒng)電機(jī)的外圍另外增加了電機(jī)外殼 將這種新型的電機(jī)直接安裝在驅(qū)動橋上 在電機(jī)的左右兩 側(cè)分別增設(shè)了用于減速和換向減速的 行星 齒輪機(jī)構(gòu) 就可以把動力經(jīng)萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu)傳至車輪 2 3 本文的主要工作是搭建一個試驗臺架I3 通過試驗方 法來驗證雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 功率等理論關(guān)系 為 進(jìn)一步的控制規(guī)律研究提出試驗依據(jù) 2雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的HIL試驗平臺 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)HIL試驗平臺的基礎(chǔ)為電封閉式傳動試驗 臺 由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為驅(qū)動裝置 兩臺伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為 加載裝置 另外 還包括兩臺轉(zhuǎn)矩傳感器以及數(shù)據(jù)采集模 塊和控制器等 仿真試驗臺的總體結(jié)構(gòu)如圖l所示 可見 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)仿真試驗臺由三部分組成 收稿日期 2010 06 29 圖1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)測試平臺結(jié)構(gòu)圖 制器 1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動橋系統(tǒng) 包括雙轉(zhuǎn)子電機(jī) 雙轉(zhuǎn) 子電機(jī)控制器 模擬加速踏板 電位器 及附屬傳動裝置 等 2 動態(tài)測功負(fù)載 包括直流伺服電機(jī)及其控制器 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等 3 dSPACE控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 電壓電流傳感器 等 HIL試驗平臺的實物如圖2所示 圖2 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)HIL試驗平臺 本試驗臺的工作范圍如表1所示 試驗平臺控制與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由dSPACE公司的 模塊化結(jié)構(gòu)多處理器硬件在回路實時仿真系統(tǒng)及計算機(jī)組 成 在硬件在回路仿真時 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)兩側(cè)動態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 以及轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實時發(fā)送到dSPACE 計算機(jī) 主要用于數(shù)據(jù)顯示及對dSPACE的操作控制 數(shù)據(jù)的采集 與控制參數(shù)的修改由ControlDesk軟件完成 4 下面主要介紹動力電池組節(jié)點 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器節(jié) 點及電機(jī)采樣節(jié)點的設(shè)計 表1 試驗平臺工作范圍 參數(shù) 數(shù)值 最大試驗功率 電源 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)最大輸入扭矩 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)單邊最大轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)速 負(fù)載電機(jī)過載能力 加 減載過渡時間 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性誤差 轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性誤差 加載扭矩分辨率 75kW 38O l0 V 50Hz 2ooON m 30oor rain 120 過載 lmin ls 1 1 l 2 1動力電池組節(jié)點 采用光電隔離技術(shù)及數(shù)字處理技術(shù)的電流電壓傳感 器 測量動力電池組的總電壓和電流 并以RS 485總線 方式輸出標(biāo)稱化有效值數(shù)據(jù) 然后通過一個RS485一RS232 的轉(zhuǎn)換電路 與dSPACE測試系統(tǒng)進(jìn)行通信 它的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示 表2 電壓電流傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 精度等級 0 2 數(shù)據(jù)輸出順序 Vl V2 線性范圍 一120 一120 響應(yīng)時間 lOOms 輸出接口 RS 485 節(jié)點數(shù) 64點 通訊距離 1200m 通訊方式 半雙工 工作電源 12V或 24V 溫度漂移 0 2 0 50 靜態(tài)功耗 12V時 600mW 24V時 1200mW 總線保護(hù)功能 可承受400W的瞬時脈沖電壓 自動 熱關(guān)斷和ESD保護(hù)等功能 根據(jù)傳感器傳輸協(xié)議的內(nèi)容 在Simulink下建立相應(yīng) 的收發(fā)模塊如圖3所示 圖3 電壓電流傳感器采集模塊 研究與 以上便完成了對動力電池組及雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的電壓電流 采集程序模塊 2 2雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器的節(jié)點 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器的原理如圖4所示 圖4 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器的原理圖 控制器提供了一個9芯的調(diào)速制動控制接口 包括了 加油開關(guān) 制動開關(guān) 速度調(diào)節(jié)及制動調(diào)節(jié) 利用 dSPACE直接與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器的9芯接口直接相連 而由于其速度調(diào)節(jié)及制動調(diào)節(jié)為4 20mA的電流給定 因 此需要把dSPACE的D A輸出的0 5V輸出電壓轉(zhuǎn)換成4 20mA的電流輸出 其電路轉(zhuǎn)換如圖5所示 圖5 0 5V轉(zhuǎn)4 20mA電路圖 該電路采用了AD694作為電壓轉(zhuǎn)電流輸出的芯片 由 于該芯片需要的是0 10V的輸入電壓 因此加了一個運(yùn) 放 把dSPACE輸出的O 5V轉(zhuǎn)換成0 10V 經(jīng)過AD694 后 接入雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器的速度調(diào)節(jié)及制動調(diào)節(jié)模塊 從而實現(xiàn)了對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制 2 3電機(jī)采樣節(jié)點 選用了智能微機(jī)扭矩儀來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號 在Simulink下建立相應(yīng)的dSPACE系統(tǒng)讀人轉(zhuǎn)矩傳感器數(shù) 據(jù)的模塊 如圖6所示 3雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在HIL平臺上的試驗與分析 在dSPACE的ControlDesk環(huán)境中建立如圖7所示的試 驗監(jiān)控及在線調(diào)試環(huán)境 這樣不僅可以實時地監(jiān)測采集到 的數(shù)據(jù) 而且可以在線地調(diào)節(jié)輪速跟蹤控制器的參數(shù) 進(jìn) 一步地提高控制的效果 圖7 ConltrolDesk監(jiān)控及調(diào)試環(huán)境 從上述的界面中可以讀取雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的輸出 轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速 動力電池組及雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的電壓電流 同時 可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳感器的調(diào)零 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的調(diào)速 制動等 控制 從而實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的特性驗證研究 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的特性試驗主要做了電機(jī)的效率試驗及電 機(jī)差速驅(qū)動試驗 1 利用試驗平臺對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下的效 率測試 試驗結(jié)果如圖8所示 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在低負(fù)荷下效 率較低 當(dāng)負(fù)荷逐漸接近額定值時效率逐漸升高 在大于 8kW工作區(qū)間 效率大于8O 2 雙轉(zhuǎn)子差速加速驅(qū)動試驗 試驗步驟如下 同時調(diào)整雙轉(zhuǎn)子電機(jī)給定及兩側(cè)負(fù)載 使得雙轉(zhuǎn)子電 圖6 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器節(jié)點通信模塊 機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)情況下 在15秒 圖中時間單 位為0 1秒 時刻同時 增大左側(cè)負(fù)載并減小 右側(cè)負(fù)載 5秒后反向 操作將左右側(cè)負(fù)載的 大小對換 再過5秒 后左右側(cè)負(fù)載同時調(diào) 整到初始位置 負(fù)載變化如圖9 所示 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)效率 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出功 dkW 圖8 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)效率曲線 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 時間 o 1s 圖10 兩側(cè)轉(zhuǎn)速變化 內(nèi)外轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速如圖10所示 圖ll所示為內(nèi)外轉(zhuǎn)子兩 側(cè)轉(zhuǎn)速之差 可以看出轉(zhuǎn)速差的最大值出現(xiàn)在兩側(cè)轉(zhuǎn)矩變 化交叉位置附近 最大值達(dá)到50n min左右 試驗結(jié)果表明 在初始加速階段 兩側(cè)轉(zhuǎn)速輸出可 以很好地跟隨加速指令的要求 由于整個驅(qū)動系統(tǒng)具有 較大的轉(zhuǎn)動慣量 所以內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量差異對驅(qū)動的 一致性影響很小 在兩側(cè)負(fù)載出現(xiàn)不一致的情況下 電 機(jī)兩側(cè)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差 當(dāng)負(fù)載的不一致消除后 兩側(cè)轉(zhuǎn)速 差也隨即消除 4結(jié)束語 本文主要是對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的動力性能測試的試驗臺架 進(jìn)行了設(shè)計 其中對于動力電池在節(jié)點 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制 器節(jié)點及電機(jī)工況采樣節(jié)點進(jìn)行了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計 最 后使用所搭建的臺架對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行了測試 測試結(jié)果 與理論相符合 證明該試驗可以為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的進(jìn)一步設(shè) 計改善提供實驗依據(jù) 電驅(qū)動橋左右側(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 時間 a 1s 圖9 電驅(qū)動橋左右側(cè)負(fù)載變化 雙轉(zhuǎn)予電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差 圖I1 轉(zhuǎn)速差變化 參考文獻(xiàn) 1 鄧志軍 基于對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的電動汽車研究 D 廣州 華南理工大學(xué) 2007 2 羅玉濤 黃向東 周斯加 等 一種車用多功能電磁差速系 統(tǒng) P 中國專利 200510100281 9 2005 1O 4 3 陳曉明 電動汽車實驗臺測控系統(tǒng)研究與開發(fā) D 西安 長安大學(xué) 2006 4 恒潤科技 dSPACE產(chǎn)品手冊 Z 2o05 5 趙彥玲 MATLAB與SIMULINK工程應(yīng)用 M 北京 電子 工業(yè)出版社 2002 作者簡介 張蔭先 男 1985年生 廣東人 碩士 工程師 研 究領(lǐng)域 汽車電子 已發(fā)表論文3篇 編輯 向 飛