CN103279124B - 一种面向电动汽车电机控制器开发的实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，通过增加汽车工况设定模块、电机控制算法子模块和PI参数整定子模块构成的仿真模块以及仿真与实验结果对比模块，将传统电机控制器开发的实验系统优化为一个智能化、数字化的面向电动汽车电机控制器开发的实验系统。并通过对比方便用户对性能进行分析或者验证。对比后可以将效果较好的参数直接下载到DSP以在实际电机运行中得到验证。本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统实现对各类电动汽车电机控制算法的仿真验证，并通过与在实际电机中的控制效果进行对比分析，实现控制算法以及PI参数的优化。

Description

一种面向电动汽车电机控制器开发的实验系统

技术领域

本发明属于电机控制器开发技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向电动汽车电机控制器开发的实验系统。

背景技术

能源以及环境问题催生了电动汽车的发展。电机控制器作为其关键部件，性能的优劣直接影响电动汽车的产业化进程。高校中电机控制相关专业的大学生开展电机驱动控制算法的相关实验课程的开展以及电动汽车电机控制器相关的研发公司团队在对新员工进行电机驱动控制器研发培训过程中，均需要一套智能化、数字化、网络化的电机控制器开发的实验系统。

目前相关的开发实验系统总体分为基于实际电机控制的观测实验系统，以及基于Dspace的半物理仿真系统。半物理仿真系统是进行算法开发的最佳系统，但因其高昂的费用仅被极少数公司采用；而基于实际电机控制的观测实验系统仅提供数据显示及简单分析功能。

传统的电机控制器开发实验系统的工作原理如图1所示，包括

计算机显示模块301：显示各种输入控件和显示控件，显示电机当前工作状态和各数字量、图像信号；

参数配置模块302：被测电机启动前对电机控制器的相关参数和运行参数进行设置，查看和修改电机运行中的相关参数实际值；

通信模块303：用于实现基于计算机的上位机系统3和电机控制器2的I/O通讯功能；

数据采集模块304：用于采集电机的实时运行参数，送入数据管理模块305中；

数据管理模块305：在实验监控和测试时，对数据采集模块304采集实时运行数据的存储，并能回放历史数据。

所述通信模块303外接底层软件，通信模块303向底层发送指令，并将底层返回的数据经过处理后传递给显示模块301和参数配置模块302并且接收返回信息，显示模块301和参数配置模块302与数据管理模块305连接，用于在实验过程中设置和调用数据管理模块305中的数据信息。

传统的基于真实电机的电机控制器开发实验系统仅提供了简单的数据测试、显示和保存功能，此外电机测试装置相对独立，PI参数调试仅依靠手动，缺少仿真系统，不能进行远程操作有局限性，并且为了保证数据精度，需要重复多次操作，工作效率低，操作复杂，可靠性差。

此外，还没有专门针对电动汽车电机控制器开发的实验系统。因此，开发一种面向电动汽车电机控制器开发，同时具备算法仿真、实际电机控制器控制效果分析的实验系统具有极强的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，使其具有算法仿真以及实际电机控制器控制效果分析功能，以简化操作，提高可靠性和工作效率。

为实现以上目的，本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，包括：电机、电机控制器以及基于计算机的上位机系统；

基于计算机的上位机系统包括：计算机显示模块，用于显示输入控件和显示控件，显示电机当前工作状态和各数字量、图像信号；参数配置模块，用于被测电机启动前对电机控制器的相关参数和运行参数进行设置，查看和修改电机运行中的相关参数实际值；通信模块用于实现基于计算机的上位机系统和电机控制器的I/O通讯功能，并负责基于计算机的上位机系统与电机驱动控制器的数据交互，使基于计算机的上位机系统能够对电机控制器的各种参数进行设置以及读取各种测量值；数据采集模块，用于采集电机的实时运行参数，送入数据管理模块中；数据管理模块，用于在实验监控和测试时，对数据采集模块采集的实时运行数据进行存储，并能回放历史数据，同时，存储设置的电机控制器相关参数和运行参数；

所述的通信模块的外接底层软件，向底层发送指令给电机控制器，并将底层返回的数据经过处理后传递给显示模块和参数配置模块；显示模块和参数配置模块与数据管理模块连接，在实验过程中调用数据管理模块中存储的运行数据以及电机控制器相关参数和运行参数用于显示和参数配置；

电机控制器与电机相连，电机根据配置的电机控制器的相关参数和运行参数进行运行；

其特征在于，基于计算机的上位机系统还包括：

一由实际电机实验与故障屏蔽两部分组成的汽车工况设定模块，其中实际电机实验部分实时调节电机的期望转速、转矩，并通过通信模块发送给电机控制器，控制电机按设定工况运行，故障屏蔽部分用于显示故障信息并根据具体工况需要选择性屏蔽故障信号；

一由电机控制算法子模块和PI参数整定子模块组成的电机仿真模块，电机控制算法子模块选择电机矢量控制算法、直接转矩控制算法或自行开发控制算法，然后在MATLAB/Simulink环境下搭建模型，设置模型参数与仿真参数；最优比例参数Kp、积分参数Ki由PI参数整定模块得到或直接将最优值从数据管理模块中导入；在电机仿真模块中，根据选择的控制算法和最优比例参数Kp、积分参数Ki进行仿真，并输出仿真结果，同时，将选择最优比例参数Kp、积分参数Ki发送给电机控制器，控制电机运行；

一仿真与实验结果对比模块，用于对同一组控制参数即选择最优比例参数Kp、积分参数Ki的仿真结果与数据采集模块采集的运行参数即实际结果进行对比，也可以对不同组的控制参数在仿真或是实际运行下的结果进行对比分析；

数据管理模块还对仿真和实验的设置以及结果进行存储，并能查看历史数据，同时汽车工况设定模块、电机仿真模块和仿真与实验结果对比模块可以从数据管理模块中导入设置以及结果。

作为进步的改进，基于计算机的上位机系统还包括有远程实验模块，使该系统具有远程访问功能。远程实验模块将面向电动汽车电机控制器开发的实验系统通过internet发布到网上，使得用户通过浏览器能在其他地方访问并操作。

本发明的目的是这样实现的：

本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，通过增加汽车工况设定模块、电机控制算法子模块和PI参数整定子模块构成的仿真模块以及仿真与实验结果对比模块，将传统电机控制器开发的实验系统优化为一个智能化、数字化的面向电动汽车电机控制器开发的实验系统。并通过对比方便用户对性能进行分析或者验证。对比后可以将效果较好的参数直接下载到DSP以在实际电机运行中得到验证。

本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统实现对各类电动汽车电机控制算法的仿真验证，并通过与在实际电机中的控制效果进行对比分析，实现控制算法以及PI参数的优化。此外，远程实验模块则提供了处于不同物理空间的人员对本实验平台的共享，提高了本系统的利用率。

附图说明

图1是传统的电机控制器开发实验系统原理图。

图2是本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统一具体实施方式原理图；

图3是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的软件结构图；

图4是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的主界面；

图5是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的电机仿真界面；

图6是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的查看电机控制算法界面；

图7是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的仿真流程；

图8是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的PI参数寻优后对比图；

图9是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的电机控制实验界面；

图10是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的远程访问界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，所用电机为1.1KW交流异步电机。

本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统可供用户电机仿真实验以及实际工况下电机运行。

在本实施例中，如图2本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统包括电机1、电机控制器2以及基于计算机的上位机系统3；

基于计算机的上位机系统3又包括计算机显示模块301、参数配置模块302、通信模块303、数据采集模块304、数据管理模块305、汽车工况设定模块306、电机仿真模块307、仿真与实验结果对比模块308、远程实验模块309。

通过增加汽车工况设定模块306、电机控制算法子模块和PI参数整定子模块构成的仿真模块307以及仿真与实验结果对比模块308，将传统电机控制器开发的实验系统优化为一个智能化、数字化的面向电动汽车电机控制器开发的实验系统。

图3是图2所示面向电动汽车电机控制器开发的实验系统的软件结构图。

如图3所示，在本实施例中，本发明面向电动汽车电机控制器开发的实验系统包含仿真、实验以及结果对比方面。仿真方面包括电机控制算法和PI参数自寻优；实验方面指参数配置和汽车工况设定。整个工作过程如发明内容所描述，在此不再赘述。

在软件方面，该系统具有用户管理、数据管理及报表输出等相关辅助功能。基于上述功能，为了实现开放便捷的实验环境，基于B/S模式使用Web技术将本系统网络化，具有了远程访问功能。

启动面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，用户登录后显示主界面如图4，在主界面选择首先进入电机仿真操作面板，如图5，点击左下方“查看Simulink模型”按钮，即可查看电机仿真的Simulink模型。点击“查看电机控制算法”即可查看并设定电机仿真的控制算法，如图6，当前平台有目前应用最广泛的矢量控制算法和直接转矩算法，点击“设定为当前算法”即设为电机仿真的算法，点击“修改算法”即可对算法公式进行修改并保存，列表下还有一选项“用户自定义算法”用于用户自行开发算法，完成后点击界面右侧的电机仿真实验按钮返回仿真操作面板。仿真实验有两种方式，一种是通过MATLABScript节点调用M文件，一种是按照SIT工具包调用Simulink模型，仿真流程如图7，在LabVIEW界面下设置模型参数与仿真参数，点击“开始仿真”，仿真结束后波形图显示仿真结果，可将效果较好的仿真参数直接导入电机驱动控制器2。

系统提供了PI参数自寻优实验功能，位于电机仿真实验界面下方。在单纯形法参数配置表格中，系统已经为后台MATLAB的m文件配置了默认的参数，用户可以直接在控制选择菜单中选择实验对象（下文以速度环为例），然后可以根据临界灵敏度法或是经验凑式法给定一组PI初始值，最后点击开始按钮即可。搜索结果显示在表格中。用户点击搜索结果表格下方的按钮将最优值导入到电机矢量控制仿真中进行验证。验证结果如图8所示，其中实线为寻优前曲线，虚线为寻优后曲线，可以看出寻优后的PI参数在超调量，震荡程度以及稳态误差方面有明显地改善，可将效果较好的PI参数直接导入实际电机中运行。

用户返回主界面进入1.1kw实际电机控制实验，界面转至可编程参数界面对相关参数进行设置。可编程参数界面下有PI参数、标准参数、电机参数和AD参数四个子界面。PI参数来自仿真实验中用户保存的参数并对应相关仿真结果。可编程参数编剧框下有参数名称、设置数值、实际数值、设置范围和单位5个编辑列，分别对应相关操作。点击保存参数按钮，则会将当前的参数设置值保存至数据库，程序下一次启动时会自动将此次保存的参数加载至设置数值列。

点击主界面电机控制实验按钮，界面跳转至电机控制实验操作面板，如图9。该界面主要包含了三个区域：信号显示区、工作状态设置区和查询操作区。该界面的一般操作流程为：首先在设置区中连接上主接触器，选择期望运行的方向和模式，接着设置好期望的转矩/转速。通过之前的一系列参数设置操作电机就能正常运行起来，然后如需对电机的工作状态进行查询可以通过两种方式实现：一种是通过直接点击查询按钮进行查询操作，但该种查询方式只能对某一时刻的电机状态进行查询；另外一种更好的查询方式就是通过设置期望查询的间隔时间，然后点击定时查询按钮进行查询，这种方式实现了对电机状态的时时查询。通过上述操作查询上来的各数字量和模拟量信号还可以保存至数据库中。

在电机实际运行中，信号显示区中的编码盘显示当前时刻的转速、转矩、母线电流、相电流、实际功率以及加速踏板位置的值，并且用户可以点击任意一编码盘查看其波形图。

系统采集到电机的输出转速后，通过统计其动态指标与稳态指标完成对算法性能的分析，并与仿真结果比较。当实际效果不满足需求时，重新调整控制算法参数实现最优化算法的设计。

当电机或者控制器发生故障时需要进行故障屏蔽操作以便让操作人员了解系统状态。点击界面右侧的故障屏蔽按钮，界面将跳转至故障屏蔽操作面板，表格中左侧是故障屏蔽项列表，右边是屏蔽情况，0表示屏蔽对应故障，1表示不屏蔽对应故障。操作人员可以在屏蔽状况栏中将需要屏蔽的故障码设为0然后点击屏蔽设置按钮，就可以实现对对应故障的屏蔽。同时也可以通过点击屏蔽查询按钮将故障屏蔽的情况查询上来以便观察对哪些故障进行了屏蔽操作。另外，点击保存设置按钮可以将当前的屏蔽情况保存至数据库中，并且在程序下一次启动时加载至屏蔽情况列表。

在以上汽车工况设置时，通信方式均采用系统默认的通信方式CAN通信和默认的通信参数，用户可根据需要点击界面右侧的通信按钮，选择通信方式。串口通信采用VISA I/O函数库RS-232总线实现，还可兼容DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-485、USB在内的各种仪器通信总线标准接口；CAN通信采用DLL、DDE动态链接库与外部代码或软件进行连接。程序停止后自行配置的参数将重新变为默认参数。下方有“发送”、“连续发送”、“停止发送”三个按钮，发送情况会在中间列表显示出，根据需要单次发送或者连续发送。

实验完成后，系统可自动生成相关的指标图表，输出算法实验报告分析便于后期分析使用。

服务器端软硬件开发完毕后，建立起远程访问系统。远程访问界面见图10，通过因特网，用户可以用IE浏览器连接至服务器，获取与服务器端一致的操作界面，从而可以不必在实验室就能对实验平台进行操作。在浏览器中键入电机实验平台的internet地址进入系统登录界面，用户登录后，进入异步电机实验平台的主界面，此时在浏览器中呈现出的操作界面与在实验室服务器中的计算机上完全一样。此远程系统可以支持多名用户访问，用户可以在主界面中任意区域点击鼠标右键，然后选择请求VI控制权来获取系统的操作权从而进行实验，此时其他用户只能观测实验的进行。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，包括：电机、电机控制器以及基于计算机的上位机系统；

基于计算机的上位机系统包括：计算机显示模块，用于显示输入控件和显示控件，显示电机当前工作状态和各数字量、图像信号；参数配置模块，用于被测电机启动前对电机控制器的相关参数和运行参数进行设置，查看和修改电机运行中的相关参数实际值；通信模块用于实现基于计算机的上位机系统和电机控制器的I/O通讯功能，并负责基于计算机的上位机系统与电机驱动控制器的数据交互，使基于计算机的上位机系统能够对电机控制器的各种参数进行设置以及读取各种测量值；数据采集模块，用于采集电机的实时运行参数，送入数据管理模块中；数据管理模块，用于在实验监控和测试时，对数据采集模块采集的实时运行数据进行存储，并能回放历史数据，同时，存储设置的电机控制器相关参数和运行参数；

所述的通信模块的外接底层软件，向底层发送指令给电机控制器，并将底层返回的数据经过处理后传递给显示模块和参数配置模块；显示模块和参数配置模块与数据管理模块连接，在实验过程中调用数据管理模块中存储的运行数据以及电机控制器相关参数和运行参数用于显示和参数配置；

电机控制器与电机相连，电机根据配置的电机控制器的相关参数和运行参数进行运行；

其特征在于，基于计算机的上位机系统还包括：

一由实际电机实验与故障屏蔽两部分组成的汽车工况设定模块，其中实际电机实验部分实时调节电机的期望转速、转矩，并通过通信模块发送给电机控制器，控制电机按设定工况运行，故障屏蔽部分用于显示故障信息并根据具体工况需要选择性屏蔽故障信号；

一由电机控制算法子模块和PI参数整定子模块组成的电机仿真模块，电机控制算法子模块选择电机矢量控制算法、直接转矩控制算法或自行开发控制算法，然后在MATLAB/Simulink环境下搭建模型，设置模型参数与仿真参数；最优比例参数Kp、积分参数Ki由PI参数整定模块得到或直接将最优值从数据管理模块中导入；在电机仿真模块中，根据选择的控制算法和最优比例参数Kp、积分参数Ki进行仿真，并输出仿真结果，同时，将选择最优比例参数Kp、积分参数Ki发送给电机控制器，控制电机运行；

一仿真与实验结果对比模块，用于对同一组控制参数即选择最优比例参数Kp、积分参数Ki的仿真结果与数据采集模块采集的运行参数即实际结果进行对比，对不同组的控制参数的仿真结果进行对比分析，以及对不同组的控制参数的实际结果进行对比分析；

数据管理模块还对仿真和实验的设置以及结果进行存储，并能查看历史数据，同时汽车工况设定模块、电机仿真模块和仿真与实验结果对比模块可以从数据管理模块中导入设置以及结果。

2.根据权利要求1所述的面向电动汽车电机控制器开发的实验系统，其特征在于，所述的基于计算机的上位机系统还包括有远程实验模块，远程实验模块将面向电动汽车电机控制器开发的实验系统通过internet发布到网上，使得用户通过浏览器能在其他地方访问并操作。