改善电动马达的测试技术

日期:2012-10-27

  作者:Nick Keel,NI VeriStand产品经理,美国国家仪器公司;Frank Heidemann,CEO,SET GmbH

  汽车行业越来越多地采用马达为嵌入式控制系统的开发和测试工程师带来了新的挑战。

  电力驱动ECU(电子控制单元)控制算法必须比内燃机的动力总成ECU的运行速度更快。这些更高的速度使传统硬件在环(HIL)方法难以测试电动马达ECU。工程师必须用较高的保真度来仿真马达,而HIL测试系统必须能够以1μs的速度执行仿真模型,以充分表述马达的操作(图1)。

  图1:电动马达仿真的嵌入式软件验证每个阶段都有新的挑战,如高速处理和高功率信号测试。

  在开发和测试电动马达控制系统时,电力电子技术引进了另一项挑战。要测试电力电子器件,测试系统必须处理从20至600V的电压范围和超过500A的电流。

  这些类型的测试通常都是用功率计实现的,而功率计可以提供的测试的覆盖范围有限。它们往往不能准确地表述车辆动态,需要增加一些必要的实地测试,以充分验证电动汽车动力总成。功率计能够处理高功率信号,而准确地仿真车辆动力学可减少功率计和现场测试数量,并缩短总体时间和降低测试成本。

  用FEA进行马达仿真

  在进行先进马达驱动实时仿真时,工程师面临的一个最大问题是如何实现模型精确度和仿真步长时间的适当组合。虽然简单常量参数DQ模式可能足以进行一些HIL测试,但增加模型精确度对于先进马达驱动器的设计往往是必要的。

  高保真仿真也适用于通常汽车行业的高效率电动马达应用控制系统的性能优化。使用高保真FEA(有限元分析)模型,工程师可以仿真复杂的非理想行为,如齿槽扭矩和设计一个控制器来降低扭矩波纹。

  同样,设计者可以仿真在高电流时马达电感的变化(这极大地影响了马达产生的扭矩),并相应测试控制器。低保真模型没有充分表述高电流下的齿槽扭矩、马达电感,或仿真中的其他非线性。没有这些特性可降低HIL测试的有效性,这导致了更多的现场测试,增加了充分测试嵌入式控制软件的开发时间。

  FEA是用足够的保真度考虑电动马达中非线性的仿真方法(图2),该方法提供了高度精确的马达模型。然而,从历史上看,高精确度仿真已不限于纯软件实现,因为它往往需要时间来仿真一个几秒钟的实际操作。

  图2:FEA的高密度网格为IPM(内部永久磁铁)马达特性产生一个非常高保真度表述。

  要执行马达系统的HIL测试,仿真模型必须实时运行。高保真模型需要简化运行在基于处理器的系统限制内,从而减少HIL测试的有效性。一个与处理器无关的、基于硬件的仿真对于实现电动马达HIL测试的闭环更新速率是必要的。

  FPGA利用输入到输出的低延迟提供了电动马达仿真和高速更新率必要的高速处理。然而,由于FPGA是硬件,只有有限的可用资源。

  工程师必须经常简化电动马达模型,在这些资源限制的范围内进行操作,这降低了模型的精确度。要获得实时高保真度电动马达所需的仿真性能和精度,FPGA必须足够大以包含电动马达的整个特性。

  FPGA技术的进步使人们有可能用JMAG add-on for NI VeriStand等工具实时执行HIL测试的马达高保真仿真。同时,图形化编程工具,如LabVIEW FPGA,为FPGA开发提供了一个抽象工具链,缩短了创建高保真电动马达模型的开发时间。

  高功率HIL测试

  当信号电平测试为开发控制算法和评估ECU性能提供了很大价值,重要的是也验证了与系统相关的电力电子器件。功率计常见于功率电平测试,但它们不能准确地表述充分验证系统性能所需的高频率动态。

  功率计测试的测试覆盖率不足迫使测试工程师进行大量的实地测试,这将导致减少测试覆盖范围和更高的总体测试成本。HIL测试系统能够集成电力电子技术和车辆动力学仿真提供功率计测试中没有的测试覆盖。

  在电动驱动测力计情况下,传动系统中原来的马达耦合到测试系统控制的另一个马达。此电动马达功率计配置有一个包括测试高电压电源电子器件的电动驱动器控制器。

  此过程中的问题在于,旋转测试系统本身就构成了一个有传动轴和负载机的传动系统,但它与最终能够工作的汽车的电动马达没有任何共同之处。这使得它几乎不可能以任何精度水平模拟车辆上的机械反馈和转动速度动力学。

  这是一个严重的缺点,因为电动马达的速度并不总是与车辆速度耦合,特别是在混合动力驱动器中。在许多现实世界场景,也有齿轮脱开和没有驱动车轮的中间状态,这使电动马达没有任何负载。

  测试系统不能重现旋转测试系统所产生的转动速度动力学,因为所涉及的惰性物质与未来的车辆太不一样了。这迫使工程师在道路测试车辆中测试ECU。

  一种逆变器的测试系统,或者电动马达仿真器,可弥补HIL测试系统和车辆现场测试(图3)之间的该间隙。该系统可以与关联逆变器相的高功率信号互动,它允许工程师在实验室中完全重现负载条件和环境条件,因为它们出现在现场条件下的驱动逆变器中。准确地仿真真实世界的条件的系统级测试可帮助测试工程师早在嵌入式软件开发过程中发现故障,从而降低了成本,减少开发周期,而产生更高质量的测试数据。

  图3:在电马达仿真器测试系统中,仿真器从功率级输入高功率信号,表述系统的缺失组件动力。

  实践

  实时高保真马达仿真使得它可以测试多种类型的瞬态故障条件,这对真实系统是很难或不切实际的。在过去,许多这些情况,如马达端子故障或DC和AC总线之间的故障,在标准DQ电动马达模型的HIL测试中几乎不可能实现。

  通过结合高保真FEA和FPGA硬件,仿真模型可以包含针对精确马达表述的复杂非线性行为。来自运行FPGA模型的信号可以在完整测试所需的高I/O速率下连接到其他硬件。

  在开发和测试混合动力驱动和电动马达的其他驱动器时,初期阶段的电动马达仿真器非常有用。工程师可以使用一个集成仿真器映射任何电动马达类型,就像表现动态转向速度操作中的相应物理马达那样。

  仿真器还允许开发人员模拟尚未考虑控制器的现象,如马达谐波振动和消除控制工程的声学效果。该系统的运行就像一个物理运动,但没有任何运动部件。这意味着,工程师可以运行更广泛范围的测试,并收集更准确的数据,从而降低了花费的时间和现场测试,并产生更好的嵌入式软件。

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