基于双转子电机的HIL试验平台.pdf

研究与 基子双转子电机的HIL试验平台 张荫先 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东广州 510640 的车用双转子电机 搭建了基于双转子电机的驱动试验平台 对关键节点进行了接口模块的开发设计 该试 测与调试试验相关参数 最后的试验结果也验证了该试验平台的合理性 转子电机 硬件在环 文献标识码 A 文章编号 1009 9492 2010 08 0085 04 1前言 在对环保意识和节能要求越来越强烈的形势下 开发 节能环保的混合动力电动汽车 Hybrid Electric Vehicle 简称HEV 已经成为当今世界汽车发展的紧迫任务 而 作为混合动力系统中动力源之一的电机系统 也成为近些 年的研究热点 本文搭建的试验平台针对的是一种新型的车用双转子 电机 该电机利用作用力与反作用力原理 将传统电机的 定子也作为转子 外转子 与原有的电机转子 内转子 作反向运动 在传统电机的外围另外增加了电机外壳 将这种新型的电机直接安装在驱动桥上 在电机的左右两 侧分别增设了用于减速和换向减速的 行星 齿轮机构 就可以把动力经万向节传动机构传至车轮 2 3 本文的主要工作是搭建一个试验台架I3 通过试验方 法来验证双转子电机的转速 转矩 功率等理论关系 为 进一步的控制规律研究提出试验依据 2双转子电机的HIL试验平台 双转子电机HIL试验平台的基础为电封闭式传动试验 台 由双转子电机作为驱动装置 两台伺服驱动系统作为 加载装置 另外 还包括两台转矩传感器以及数据采集模 块和控制器等 仿真试验台的总体结构如图l所示 可见 双转子电机仿真试验台由三部分组成 收稿日期 2010 06 29 图1 双转子电机测试平台结构图 制器 1 双转子电机驱动桥系统 包括双转子电机 双转 子电机控制器 模拟加速踏板 电位器 及附属传动装置 等 2 动态测功负载 包括直流伺服电机及其控制器 转矩转速传感器等 3 dSPACE控制系统及转矩转速 电压电流传感器 等 HIL试验平台的实物如图2所示 图2 双转子电机HIL试验平台 本试验台的工作范围如表1所示 试验平台控制与数据采集处理系统由dSPACE公司的 模块化结构多处理器硬件在回路实时仿真系统及计算机组 成 在硬件在回路仿真时 双转子电机两侧动态负载转矩 以及转速由转矩转速传感器实时发送到dSPACE 计算机 主要用于数据显示及对dSPACE的操作控制 数据的采集 与控制参数的修改由ControlDesk软件完成 4 下面主要介绍动力电池组节点 双转子电机控制器节 点及电机采样节点的设计 表1 试验平台工作范围 参数 数值 最大试验功率 电源 双转子电机最大输入扭矩 双转子电机单边最大转入转速 负载电机过载能力 加 减载过渡时间 转速稳定性误差 转矩稳定性误差 加载扭矩分辨率 75kW 38O l0 V 50Hz 2ooON m 30oor rain 120 过载 lmin ls 1 1 l 2 1动力电池组节点 采用光电隔离技术及数字处理技术的电流电压传感 器 测量动力电池组的总电压和电流 并以RS 485总线 方式输出标称化有效值数据 然后通过一个RS485一RS232 的转换电路 与dSPACE测试系统进行通信 它的主要技术指标如表2所示 表2 电压电流传感器的主要技术指标 参数 数值 参数 数值 精度等级 0 2 数据输出顺序 Vl V2 线性范围 一120 一120 响应时间 lOOms 输出接口 RS 485 节点数 64点 通讯距离 1200m 通讯方式 半双工 工作电源 12V或 24V 温度漂移 0 2 0 50 静态功耗 12V时 600mW 24V时 1200mW 总线保护功能 可承受400W的瞬时脉冲电压 自动 热关断和ESD保护等功能 根据传感器传输协议的内容 在Simulink下建立相应 的收发模块如图3所示 图3 电压电流传感器采集模块 研究与 以上便完成了对动力电池组及双转子电机的电压电流 采集程序模块 2 2双转子电机控制器的节点 双转子电机控制器的原理如图4所示 图4 双转子电机控制器的原理图 控制器提供了一个9芯的调速制动控制接口 包括了 加油开关 制动开关 速度调节及制动调节 利用 dSPACE直接与双转子电机控制器的9芯接口直接相连 而由于其速度调节及制动调节为4 20mA的电流给定 因 此需要把dSPACE的D A输出的0 5V输出电压转换成4 20mA的电流输出 其电路转换如图5所示 图5 0 5V转4 20mA电路图 该电路采用了AD694作为电压转电流输出的芯片 由 于该芯片需要的是0 10V的输入电压 因此加了一个运 放 把dSPACE输出的O 5V转换成0 10V 经过AD694 后 接入双转子电机控制器的速度调节及制动调节模块 从而实现了对双转子电机的控制 2 3电机采样节点 选用了智能微机扭矩仪来测量电机的转矩转速信号 在Simulink下建立相应的dSPACE系统读人转矩传感器数 据的模块 如图6所示 3双转子电机在HIL平台上的试验与分析 在dSPACE的ControlDesk环境中建立如图7所示的试 验监控及在线调试环境 这样不仅可以实时地监测采集到 的数据 而且可以在线地调节轮速跟踪控制器的参数 进 一步地提高控制的效果 图7 ConltrolDesk监控及调试环境 从上述的界面中可以读取双转子电机内外转子的输出 转矩及转速 动力电池组及双转子电机的电压电流 同时 可以实现转矩传感器的调零 双转子电机的调速 制动等 控制 从而实现双转子电机的特性验证研究 双转子电机的特性试验主要做了电机的效率试验及电 机差速驱动试验 1 利用试验平台对双转子电机进行稳态工况下的效 率测试 试验结果如图8所示 双转子电机在低负荷下效 率较低 当负荷逐渐接近额定值时效率逐渐升高 在大于 8kW工作区间 效率大于8O 2 双转子差速加速驱动试验 试验步骤如下 同时调整双转子电机给定及两侧负载 使得双转子电 图6 双转子电机控制器节点通信模块 机工作在稳态情况下 在15秒 图中时间单 位为0 1秒 时刻同时 增大左侧负载并减小 右侧负载 5秒后反向 操作将左右侧负载的 大小对换 再过5秒 后左右侧负载同时调 整到初始位置 负载变化如图9 所示 双转子电机的 双转子电机效率 双转子电机输出功 dkW 图8 双转子电机效率曲线 双转子电机输出转速 时间 o 1s 图10 两侧转速变化 内外转子输出转速如图10所示 图ll所示为内外转子两 侧转速之差 可以看出转速差的最大值出现在两侧转矩变 化交叉位置附近 最大值达到50n min左右 试验结果表明 在初始加速阶段 两侧转速输出可 以很好地跟随加速指令的要求 由于整个驱动系统具有 较大的转动惯量 所以内外转子转动惯量差异对驱动的 一致性影响很小 在两侧负载出现不一致的情况下 电 机两侧出现转速差 当负载的不一致消除后 两侧转速 差也随即消除 4结束语 本文主要是对双转子电机的动力性能测试的试验台架 进行了设计 其中对于动力电池在节点 双转子电机控制 器节点及电机工况采样节点进行了详细的软硬件设计 最 后使用所搭建的台架对双转子电机进行了测试 测试结果 与理论相符合 证明该试验可以为双转子电机的进一步设 计改善提供实验依据 电驱动桥左右侧负载转矩 时间 a 1s 图9 电驱动桥左右侧负载变化 双转予电机内外转子转速差 图I1 转速差变化 参考文献 1 邓志军 基于对转双转子电机的电动汽车研究 D 广州 华南理工大学 2007 2 罗玉涛 黄向东 周斯加 等 一种车用多功能电磁差速系 统 P 中国专利 200510100281 9 2005 1O 4 3 陈晓明 电动汽车实验台测控系统研究与开发 D 西安 长安大学 2006 4 恒润科技 dSPACE产品手册 Z 2o05 5 赵彦玲 MATLAB与SIMULINK工程应用 M 北京 电子 工业出版社 2002 作者简介 张荫先 男 1985年生 广东人 硕士 工程师 研 究领域 汽车电子 已发表论文3篇 编辑 向 飞