CN106502124A - 用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制算法开发及测试验证技术领域，具体涉及一种用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台。该仿真平台包括负载模拟设备、直流电源及配电柜、功率级仿真设备、功率分析仪、上位机、各功能模块之间的信息交互渠道。所述负载模拟设备包括测功机变频柜、加载测功机、机械连接设备、冷却系统和试验操作台。所述功率级仿真设备包括高速驱动电机和电机控制器。所述上位机包括软件开发平台与数据标定监测平台。由此，本发明提供了一种能够快速实现高速驱动电机控制算法从开发到验证的半实物仿真平台，以实现针对高速驱动电机控制系统的功率级仿真测试。

Description

用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台

技术领域

本发明属于电机控制算法开发及测试验证技术领域，具体涉及一种用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台。

背景技术

随着环境污染和能源短缺问题日益严重，以及电机技术、电池技术和电控技术的不断发展，混合动力车辆的应用越来越广泛，对电机驱动控制技术的要求也越来越高。电机驱动控制技术作为混合动力车辆的核心技术之一，正在往高速、高功率密度、高可靠性的方向发展。另一方面，21世纪的汽车市场要求产品的研发更加高效、迭代周期更短、投入成本更低，这也对电机控制算法的开发流程提出了更高的要求，需要一种能够适应上述新特点、新需求的开发模式和开发平台来支撑电机控制算法的研发。

传统的电机控制算法验证通常采用制作原理样机然后进行试验的方式。该方法虽然能直接验证控制算法的效果，但是样机研制周期长，适用性低，投入成本高，代码迭代复杂，不利于新型电机控制算法的研发。快速控制原型平台由于效率高、迭代周期短和成本低而被越来越多的人采用。

传统的快速控制原型平台采用信号级仿真设备，无法模拟电机控制器中的强电信号，更无法检测到实际电机运行过程中PWM控制电流产生的效应，不适用于电机控制算法的仿真验证。

在电机控制算法的开发过程中采用功率级快速控制原型环节，能够大幅度提高开发效率，缩短开发周期，以尽量小的成本发现并纠正可能出现的问题。快速控制原型仿真技术同时也是汽车电驱动产品研发的“V型”开发模式的关键环节，在汽车电驱动系统的研发过程中发挥着重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的问题是：如何提供一种能够快速实现高速驱动电机控制算法从开发到验证的半实物仿真平台，以实现针对高速驱动电机控制系统的功率级仿真测试。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，所述平台基于高性能电力电子设备进行搭建，包括：负载模拟设备、直流电源及直流配电柜、功率级仿真设备、功率分析仪、上位机；

其中，所述负载模拟设备包括测功机变频柜、加载测功机、机械连接设备、冷却系统和试验操作台；所述功率级仿真设备包括高速驱动电机和电机控制器；所述上位机包括软件开发平台与数据标定监测平台；

所述高速驱动电机和加载测功机通过联轴器以及扭矩传感器联接；

所述加载测功机、测功机变频柜与690V交流电网之间采用高压电缆连接；直流电源、直流配电柜、电机控制器与690V交流电网之间采用高压电缆连接；

所述测功机变频柜、扭矩传感器、冷却系统与试验操作台之间采用工业现场总线连接；

所述冷却系统与高速驱动电机、电机控制器之间通过橡胶管联接；

所述功率分析仪与高速驱动电机三相交流电之间采用专用测试线连接；

所述功率分析仪与试验操作台之间通过以太网连接；

所述试验操作台与电机控制器之间、电机控制器与数据标定监测平台之间采用CAN总线连接；

所述软件开发平台与电机控制器之间采用RS232总线连接；

所述高速驱动电机设置为可以高速运行，且用于满足纯电动车辆上的功率需求；所述电机控制器的功率能力与高速驱动电机相匹配；所述加载测功机及测功机变频柜的转速范围和功率能力大于高速驱动电机的转速范围和功率能力；所述测功机变频柜与直流电源均设置为能够实现功率双向流动；当高速驱动电机运行在电动工况时，整个功率级快速控制原型平台的电功率流向为：690V交流电网→直流电源→直流配电柜→电机控制器→高速驱动电机→加载测功机→测功机变频柜→交流电网，制动模式下功率流向相反；整个功率级快速控制原型平台从而实现驱动和制动模式下电力功率的双向闭环。

其中，所述软件开发平台是开发者进行电机控制算法自主开发的主要平台，装有Matlab/Simulink建模软件与电机控制算法软件开发环境工具包，集Simulink模型开发库、代码编译、代码下载、数据标定功能于一体；开发者通过调用底层程序的封装模块，用于自主的电机控制算法应用，实现基于模型的电机控制算法开发；

所述数据标定监测平台是开发者进行参数调试、标定与监测的平台，通过CAN总线与电机控制器进行数据交互；电机控制算法模型在代码编译时设置为可以自动生成a2l文件；开发者可以采用CANape标定工具，根据生成的标定协议进行在线标定和监测数据。

其中，所述负载模拟设备用于实现功率级仿真设备的负载特性模拟，完成仿真加载控制；所述负载模拟设备具有转速转矩测试功能，能够对测试数据自动采集、存储和分析；所述机械连接设备用于实现负载模拟设备与功率级仿真设备的可靠连接；所述冷却系统用于自动调节温度与流量，且能同时提供两种不同冷却液；所述试验操作台具备与控制算法仿真设备的CAN总线通信能力。

其中，所述直流电源及直流配电柜用于将690V交流电转换为电机控制器所需的高压直流电，并用于执行开关和急停功能；所述直流配电柜还用于将高压直流电转变为24V低压直流电供电机控制器使用。

其中，所述功率级仿真设备用于实现电机控制算法的功率级半实物仿真；

所述高速驱动电机选用高性能永磁同步电机，内置温度传感器和转子位置传感器，接口采用标准接插件；所述电机控制器包含高压母线电容、IGBT开关器件、水冷散热器、电流传感器、电压传感器，高低压线缆采用标准接插件；所述电机控制器与高速永磁同步电机的输出特性相匹配，设置为可实现电机四象限运行的控制。

其中，所述功率分析仪作为测试仪器，用于测量三相交流电路中的电压、电流、功率、功率因数数据，并将数据通过以太网发送到试验操作台的数据监控系统中。

(三)有益效果

与现有技术方案比较，本发明的方案具有如下优势和有益效果：

1.能够实现功率级电机控制算法的快速开发与验证。功率级仿真设备基于成熟的批产控制器硬件平台，支持电机算法自主开发。传统的快速控制原型只能进行信号级算法的功能开发与验证，并且无法快速应用于实际产品。

2.算法软件模块化开发，缩短开发周期。底层工具实现了模块化，可以方便的调用，用户能够更专注于自主知识产权的软件开发及真实负载验证。采用一键式代码生成和下载，操作流程简单。通过基于模型的开发环境，结合自主的电机控制算法，实现算法设计－模型搭建－代码生成－硬件调试－产品定型，大大缩短了产品的开发周期。

系统功能完善，配置灵活，安全性高，经济性好。能够实现驱动电机高速、大功率工况；通过试验操作台可以同时控制和监测负载模拟设备和功率级仿真设备；电参数信号可以通过功率分析仪获取，也可直接从功率级仿真设备获取；负载模拟设备与功率级仿真设备联动紧急停车，有效保护系统及人身安全；可实现试验过程电力功率闭环，能耗小。

附图说明

图1为本发明技术方案的整体结构示意图。

图2为本发明技术方案的电机控制算法开发实施例流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，如图1所示，所述平台基于高性能电力电子设备进行搭建，包括：负载模拟设备、直流电源及直流配电柜、功率级仿真设备、功率分析仪、上位机；

其中，所述负载模拟设备包括测功机变频柜、加载测功机、机械连接设备、冷却系统和试验操作台；所述功率级仿真设备包括高速驱动电机和电机控制器；所述上位机包括软件开发平台与数据标定监测平台；

所述高速驱动电机和加载测功机通过联轴器以及扭矩传感器联接；

所述加载测功机、测功机变频柜与690V交流电网之间采用高压电缆连接；直流电源、直流配电柜、电机控制器与690V交流电网之间采用高压电缆连接；

所述测功机变频柜、扭矩传感器、冷却系统与试验操作台之间采用工业现场总线连接；

所述冷却系统与高速驱动电机、电机控制器之间通过橡胶管联接；

所述功率分析仪与高速驱动电机三相交流电之间采用专用测试线连接；

所述功率分析仪与试验操作台之间通过以太网连接；

所述试验操作台与电机控制器之间、电机控制器与数据标定监测平台之间采用CAN总线连接；

所述软件开发平台与电机控制器之间采用RS232总线连接；

所述高速驱动电机设置为可以高速运行，且用于满足纯电动车辆上的功率需求；所述电机控制器的功率能力与高速驱动电机相匹配；所述加载测功机及测功机变频柜的转速范围和功率能力大于高速驱动电机的转速范围和功率能力；所述测功机变频柜与直流电源均设置为能够实现功率双向流动；当高速驱动电机运行在电动工况时，整个功率级快速控制原型平台的电功率流向为：690V交流电网→直流电源→直流配电柜→电机控制器→高速驱动电机→加载测功机→测功机变频柜→交流电网，制动模式下功率流向相反；整个功率级快速控制原型平台从而实现驱动和制动模式下电力功率的双向闭环。

其中，所述软件开发平台是开发者进行电机控制算法自主开发的主要平台，装有Matlab/Simulink等主流建模软件与电机控制算法软件开发环境工具包，集Simulink模型开发库、代码编译、代码下载、数据标定等功能于一体；开发者通过调用底层程序的封装模块，用于自主的电机控制算法应用，实现基于模型的电机控制算法开发；

所述数据标定监测平台是开发者进行参数调试、标定与监测的主要平台，通过CAN总线与电机控制器进行数据交互；电机控制算法模型在代码编译时设置为可以自动生成a2l文件；开发者可以采用CANape等标定工具，根据生成的标定协议进行在线标定和监测数据。

其中，所述负载模拟设备用于实现功率级仿真设备的负载特性模拟，完成仿真加载控制；所述负载模拟设备具有转速转矩测试功能，能够对测试数据自动采集、存储和分析；所述机械连接设备用于实现负载模拟设备与功率级仿真设备的可靠连接；所述冷却系统用于自动调节温度与流量，且能同时提供两种不同冷却液；所述试验操作台具备与控制算法仿真设备的CAN总线通信能力。

其中，所述直流电源及直流配电柜用于将690V交流电转换为电机控制器所需的高压直流电，并用于执行开关和急停功能；所述直流配电柜还用于将高压直流电转变为24V低压直流电供电机控制器使用。

其中，所述功率级仿真设备用于实现电机控制算法的功率级半实物仿真；

所述高速驱动电机选用高性能永磁同步电机，内置温度传感器和转子位置传感器，接口采用标准接插件；所述电机控制器包含高压母线电容、IGBT开关器件、水冷散热器、电流传感器、电压传感器，高低压线缆采用标准接插件；所述电机控制器与高速永磁同步电机的输出特性相匹配，设置为可实现电机四象限运行的控制。

其中，所述功率分析仪作为测试仪器，用于测量三相交流电路中的电压、电流、功率、功率因数等数据，并将数据通过以太网发送到试验操作台的数据监控系统中；

所述软件开发平台基于Mablab/Simulink/RTW模型搭建，采用V型标准流程，支持电机算法自主研发。所述软件开发平台采用一键式代码生成和下载方案，操作流程简单。所述数据标定、监测平台支持CAN CCP标定，可以在线监测数据，支持标定数据在线修改、掉电存储和读取。

所述各功能模块之间的信息交互渠道如下：所述负载模拟设备和功率级仿真设备通过车载CAN总线进行信息交互；所述软件开发平台通过RS232总线将代码下载到功率级仿真设备，所述功率级仿真设备和数据标定监测平台通过CAN总线CCP协议进行信息交互。所述试验操作台通过数字量和模拟量信号获取高速驱动电机转速、转矩信息以及冷却液的温度、流量信息。所述功率分析仪通过数字量、模拟量信号获取三相电压、电流信息，并将处理后的电参数信息通过UDP/IP总线发送到试验操作台。

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例

本实施例所采用的技术方案是：一种用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，由负载模拟设备、直流电源及配电柜、功率级仿真设备、功率分析仪(可选)、上位机、各功能模块之间的信息交互渠道组成。负载模拟设备包括测功机变频柜、加载测功机、机械连接设备、冷却系统和试验操作台。功率级仿真设备包括高速驱动电机和电机控制器。上位机包括软件开发平台与数据标定、监测平台。图1显示了本发明提出的用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台整体结构示意图。

本发明所述平台的连接方式为：高速驱动电机和加载测功机通过联轴器以及扭矩传感器联接，加载测功机、测功机变频柜、直流电源、直流配电柜、电机控制器、690V交流电网之间采用高压电缆连接，测功机变频柜、扭矩传感器、冷却系统与试验操作台采用工业现场总线连接，冷却系统与高速驱动电机、电机控制器之间通过橡胶管联接，功率分析仪(可选)与高速驱动电机三相交流电之间采用专用测试线连接，功率分析仪(可选)与试验操作台之间采用以太网连接，试验操作台与电机控制器之间、电机控制器与数据标定监测平台之间采用CAN总线连接，软件开发平台与电机控制器之间采用RS232总线连接。

高速驱动电机可以高速运行，且能够满足一般纯电动车辆上的功率需求。电机控制器的功率能力与高速驱动电机相匹配。加载测功机及测功机变频柜的转速范围和功率能力要稍大于高速驱动电机。测功机变频柜与直流电源均能够实现功率双向流动。当高速驱动电机运行在电动工况时，整个系统的电功率流向为：交流电网→直流电源→直流配电柜→电机控制器→高速驱动电机→加载测功机→测功机变频柜→交流电网，制动模式下功率流向相反。整个系统可以实现驱动和制动模式下电力功率的双向闭环。

软件开发平台是开发者进行电机控制算法自主开发的主要平台，装有Matlab/Simulink等主流建模软件与电机控制算法软件开发环境工具包，集Simulink模型开发库、代码编译、代码下载、数据标定等功能于一体。开发者通过调用底层程序的封装模块，用于自主的电机控制算法应用，实现基于模型的电机控制算法开发。

数据标定、监测平台是开发者进行参数调试、标定与监测的主要平台，通过CAN总线与电机控制器进行数据交互。电机控制算法模型在代码编译时可以自动生成a2l文件。开发者可以采用CANape等标定工具，根据生成的标定协议进行在线标定和监测数据。

图2显示了本发明技术方案的电机控制算法开发实施例流程图。开发者首先在Simulink模块化开发环境中建立电机控制算法模型，然后令其自动生成代码和hex文件，再将hex文件下载到控制器中运行。下一步开发者需要对控制器进行一些必要的参数标定，使控制器能够正常工作。标定完成后即可进行控制算法性能测试，在这过程中需要启动测功机完成稳态及动态加载试验。测试试验完成后，根据试验结果可以对控制算法的性能进行分析和评估，并从中找出修改控制算法的依据。如果控制性能达到了预期结果，即证明该控制算法通过了验证，可以进入样机试制阶段。若控制性能未达到要求，则根据不足之处对控制算法模型进行相应的修改和优化，然后重新进行代码生成等步骤，直到结果满足要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，其特征在于，所述平台基于高性能电力电子设备进行搭建，包括：负载模拟设备、直流电源及直流配电柜、功率级仿真设备、功率分析仪、上位机；

其中，所述负载模拟设备包括测功机变频柜、加载测功机、机械连接设备、冷却系统和试验操作台；所述功率级仿真设备包括高速驱动电机和电机控制器；所述上位机包括软件开发平台与数据标定监测平台；

所述高速驱动电机和加载测功机通过联轴器以及扭矩传感器联接；

所述加载测功机、测功机变频柜与690V交流电网之间采用高压电缆连接；直流电源、直流配电柜、电机控制器与690V交流电网之间采用高压电缆连接；

所述测功机变频柜、扭矩传感器、冷却系统与试验操作台之间采用工业现场总线连接；

所述冷却系统与高速驱动电机、电机控制器之间通过橡胶管联接；

所述功率分析仪与高速驱动电机三相交流电之间采用专用测试线连接；

所述功率分析仪与试验操作台之间通过以太网连接；

所述试验操作台与电机控制器之间、电机控制器与数据标定监测平台之间采用CAN总线连接；

所述软件开发平台与电机控制器之间采用RS232总线连接；

所述高速驱动电机设置为可以高速运行，且用于满足纯电动车辆上的功率需求；所述电机控制器的功率能力与高速驱动电机相匹配；所述加载测功机及测功机变频柜的转速范围和功率能力大于高速驱动电机的转速范围和功率能力；所述测功机变频柜与直流电源均设置为能够实现功率双向流动；当高速驱动电机运行在电动工况时，整个功率级快速控制原型平台的电功率流向为：690V交流电网→直流电源→直流配电柜→电机控制器→高速驱动电机→加载测功机→测功机变频柜→交流电网，制动模式下功率流向相反；整个功率级快速控制原型平台从而实现驱动和制动模式下电力功率的双向闭环。

2.如权利要求1所述的用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，其特征在于，所述软件开发平台是开发者进行电机控制算法自主开发的主要平台，装有Matlab/Simulink建模软件与电机控制算法软件开发环境工具包，集Simulink模型开发库、代码编译、代码下载、数据标定功能于一体；开发者通过调用底层程序的封装模块，用于自主的电机控制算法应用，实现基于模型的电机控制算法开发；

所述数据标定监测平台是开发者进行参数调试、标定与监测的平台，通过CAN总线与电机控制器进行数据交互；电机控制算法模型在代码编译时设置为可以自动生成a2l文件；开发者可以采用CANape标定工具，根据生成的标定协议进行在线标定和监测数据。

3.如权利要求1所述的用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，其特征在于，所述负载模拟设备用于实现功率级仿真设备的负载特性模拟，完成仿真加载控制；所述负载模拟设备具有转速转矩测试功能，能够对测试数据自动采集、存储和分析；所述机械连接设备用于实现负载模拟设备与功率级仿真设备的可靠连接；所述冷却系统用于自动调节温度与流量，且能同时提供两种不同冷却液；所述试验操作台具备与控制算法仿真设备的CAN总线通信能力。

4.如权利要求1所述的用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，其特征在于，所述直流电源及直流配电柜用于将690V交流电转换为电机控制器所需的高压直流电，并用于执行开关和急停功能；所述直流配电柜还用于将高压直流电转变为24V低压直流电供电机控制器使用。

5.如权利要求1所述的用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，其特征在于，所述功率级仿真设备用于实现电机控制算法的功率级半实物仿真；

所述高速驱动电机选用高性能永磁同步电机，内置温度传感器和转子位置传感器，接口采用标准接插件；所述电机控制器包含高压母线电容、IGBT开关器件、水冷散热器、电流传感器、电压传感器，高低压线缆采用标准接插件；所述电机控制器与高速永磁同步电机的输出特性相匹配，设置为可实现电机四象限运行的控制。

6.如权利要求1所述的用于电机控制算法开发的功率级快速控制原型平台，其特征在于，所述功率分析仪作为测试仪器，用于测量三相交流电路中的电压、电流、功率、功率因数数据，并将数据通过以太网发送到试验操作台的数据监控系统中。