基于set的电机功率级测试方案
概述
由于电驱动装置具有功率需求供给精确、维护方便、节能环保等特点，在汽车、轨道交通、航空航天、国防领域被越来越多地用到，应用环境的复杂度也带来电机功率变得越来越大，传统的直流电机已经被直流无刷电机、永磁同步电机或者感应电机取代，与此同时电动机越来越多地被整合进复杂的、与安全强相关的功能中去，如车辆动力总成控制、车辆运动学控制、列车的牵引控制等，电机的控制器测试变得愈发关键。
传统方式在进行电机控制器的带载测试时，往往将电驱动装置中用到的电机与另外一个受控电机连接在一起。这种电机—功率计的配置方式就需要具备实际的带高压电力电子的控制器和电机，其基本组成如图所示。此种方式存在许多难以解决的问题，以民用汽车为例，加载的旋转测试台架本身包括了一个驱动机构，但其与实车环境却没有任何共同点，电机转速和车速并不总是相互耦合，比如在离合器分离时电机相当于空转，这使得这种方案无法描述实车中存在的机械反馈和转速动态。另一方面，由于传统旋转台架涉及的转动惯量远远小于实车涉及的转动惯量，因此传统台架即使在车速和电机转速一直耦合的情形下也无法对转速动态进行精确描述，电机控制器最终还是要在实车上进行测试。德国set power systems 提供的eme(e-motor emulator)产品弥补了传统测试台和实车测试之间的缺陷，该系统可在实验室精确模拟实车测试工况下的负载和外围环境，支持从研发阶段的系统级测试至终端测试和驱动逆变器的寿命评估，大大缩短了开发周期。
.jpg)
.jpg)
产品功能
.jpg)
set power systems 的eme模拟了电机真实的（典型的）三相电气接口，集成的eme设备除了相电流的仿真外，还包含构成闭环控制回路的的转子位置传感器仿真，采用此类配置eme可以像真实电机一样连接逆变器进行测试。待测电机的技术特征是通过软件模型（客户可以基于需求定制）嵌入eme设备中，仿真模型以虚拟的方式来控制电机的相电流及转子传感器，相位仿真允许双向的功率流动，可供“电动机”和“发电机”两种工作模式，精确的电机仿真模型配合高实时计算能力的硬件资源可以实现电机的高精度仿真，乃至一些特殊的操作点，如电磁场弱化、短路、最高转速等场合。其系统组成包括电机仿真器和传感器仿真器、电池模拟器（用来模拟电池给电机供电），此外还包括一些安全和温度管理的外围器件，整个装置的原理设计如上图所示：
系统主要包括psu i、psu ii、eme、scs、suf（uut）几部分，各部分功能描述如下：
• psui (power supply unit)供电单元的作用为将三相交流电转换为直流电为eme供电，同时也可将eme消耗剩下的能量和工作在发电机模式下产生的能量通过dc/ac转换反馈回电网；
• psu ii (power supply unit)供电单元的作用是将三相交流电转换为直流电，以模拟为待测单元（uut）供电的蓄电池；
• eme (electric motor emulator)为电机仿真器，它与待测单元（uut）通过三相接口相连；
• suf(specimen fixture) 的作用为放置待测单元（uut），并提供uut与eme、psu ii的接口；
• scs(safety control system)对整个系统提供基本的安全保护，它通过检测一系列的状态量判断系统的安全状态，一旦发现不安全状况则控制相应的器件动作（断开继电器）保证系统的安全；
• 恒润科技和set power systems公司可根据用户需求定制额外的系统自动化服务。
e-motor emulator的典型应用功能如下：
• 相电流的静态测试
可以通过eme软件设定转子位置的角度为0°并保持该值，为了安全地限制相电流，eme通过命令激活对应的相电流限制，被测部件被设定期望电流值并从eme读取返回的d/q电流值。此测试根据不同的转子位置重复进行以至于布线及换向逻辑的基本故障可以被快速定位。
• 360°相电流测试
eme保持转子速度恒定（在几转范围内波动）并通过图形用户界面绘制d/q 电流变化的曲线，这些曲线提供了待测逆变器通讯功能的精确信息。通过调整转子传感器的角度，其对换向角的的影响可在测试中得到评估。
• 扭矩控制检测
eme采用增加转速的方式增加负载扭矩，虚拟的电机开始根据事先定义的惯性质量来调整，电机的速度开始增加一直到指定的扭矩和负载扭矩动态平衡时为止，类似的大量测试可以使用控制程序来执行以求达到优化d/q电流或者进行扭矩检测的目的。
• 速度控制检测
eme的摩擦系数可被重置为原始系统的数值，驱动逆变器的转速控制在不同负载扭矩、不同电机特性可以被验证，在旋转方向相反方向、弱磁场区域的操作的阶跃响应均可以简单地评估。
• 拓展的测试功能
♦ 测试特殊功能，比如主动短路或者弱磁
♦ 优化换向算法
♦ 运行终端下线检测
♦ 电机实时测试优化
♦ 检测与安全相关的故障反应
♦ 运行加载及老化测试
♦ 分析主动阻尼补偿及噪声最小化
系统主要包括psu i、psu ii、eme、scs、suf（uut）几部分，各部分功能描述如下：
• psui (power supply unit)供电单元的作用为将三相交流电转换为直流电为eme供电，同时也可将eme消耗剩下的能量和工作在发电机模式下产生的能量通过dc/ac转换反馈回电网；
• psu ii (power supply unit)供电单元的作用是将三相交流电转换为直流电，以模拟为待测单元（uut）供电的蓄电池；
• eme (electric motor emulator)为电机仿真器，它与待测单元（uut）通过三相接口相连；
• suf(specimen fixture) 的作用为放置待测单元（uut），并提供uut与eme、psu ii的接口；
• scs(safety control system)对整个系统提供基本的安全保护，它通过检测一系列的状态量判断系统的安全状态，一旦发现不安全状况则控制相应的器件动作（断开继电器）保证系统的安全；
• 恒润科技和set power systems公司可根据用户需求定制额外的系统自动化服务。
e-motor emulator的典型应用功能如下：
• 相电流的静态测试
可以通过eme软件设定转子位置的角度为0°并保持该值，为了安全地限制相电流，eme通过命令激活对应的相电流限制，被测部件被设定期望电流值并从eme读取返回的d/q电流值。此测试根据不同的转子位置重复进行以至于布线及换向逻辑的基本故障可以被快速定位。
• 360°相电流测试
eme保持转子速度恒定（在几转范围内波动）并通过图形用户界面绘制d/q 电流变化的曲线，这些曲线提供了待测逆变器通讯功能的精确信息。通过调整转子传感器的角度，其对换向角的的影响可在测试中得到评估。
• 扭矩控制检测
eme采用增加转速的方式增加负载扭矩，虚拟的电机开始根据事先定义的惯性质量来调整，电机的速度开始增加一直到指定的扭矩和负载扭矩动态平衡时为止，类似的大量测试可以使用控制程序来执行以求达到优化d/q电流或者进行扭矩检测的目的。
• 速度控制检测
eme的摩擦系数可被重置为原始系统的数值，驱动逆变器的转速控制在不同负载扭矩、不同电机特性可以被验证，在旋转方向相反方向、弱磁场区域的操作的阶跃响应均可以简单地评估。
• 拓展的测试功能
♦ 测试特殊功能，比如主动短路或者弱磁
♦ 优化换向算法
♦ 运行终端下线检测
♦ 电机实时测试优化
♦ 检测与安全相关的故障反应
♦ 运行加载及老化测试
♦ 分析主动阻尼补偿及噪声最小化
技术优势
set power systems 的eme为电机及负载的仿真提供了前所未有的可能性，它消除了所有旋转零件的需求，在相电流仿真层面可以完美地复现旋转电机4象限虚拟相位，不仅取代了电机本身，传统台架所需的加载系统及传动轴也同时替代，电机的非线性以谐波的形式或者多维流量表格的形式来考虑，被测逆变器可以得到所需波形，细化的技术特性阐述如下。
• 多种选择的电机模型可选，如永磁同步电机、开关磁阻电机、异步电机模型；
• 强大的参数化工具，eme上配有一个标准的永磁同步电机（pmsm）模型，其硬件平台也可以支持运行其他电机的实时模型，它有强大的参数化工具控制不同类型的电机模型，通过总线接口用户的电机的特殊属性可以基于基本的电机类型快速参数化，具体的故障情况和电机制造误差也可以采用此方式来仿真和评估。gui 界面安装在单独一台pc机并通过tcp/ip 接口访问eme设备，所有物理测量的基本电机参数均可以图形化显示，此外，gui 会告知用户 eme 硬件的信息（电压、警告、状态）并允许用户绘制基于时间的特性曲线（至少4个）。eme 图形用户接口还包含在线画图功能，提供包括3通道软件示波器“模型监视器”，它允许高分辨率来评估测试逆变器的开关行为，也可以使用触发功能实现瞬时的换向故障。该监视器还提供了复杂数据比如磁阻转矩和park/clark变换后的电流的实时呈现。复杂触发情形的定义可以很方便的识别ecu的故障；
.jpg)
.jpg)
.jpg)
• 电机的精确仿真，对电机磁通量的精确建模是本产品的一个很大优点。饱和效应和固有的磁通特性都可以仿真，并且可以考虑磁通非线性、谐波和弱磁模式下的工作状态。dq谐波设计器允许用户在电机特性图表和dq转换中创建特定的谐波信号，可以方便地实现磁通量的非线性；
.gif)
• 虚拟传感器模拟，包含所有满足市场标准传感器类型，除了支持来自tyco（泰科）、tamagawa （多摩川）、vogt 等厂商的编码器、霍尔传感器、旋转变压器以外，至少2 种以上的传感器可以部署在同一个仿真器里支持特殊使用，比如位置控制或者冗余控制。所有的传感器模块严格按照原始的信号的电气线路图进行模拟，包括特定的电流条件、电感耦合和去耦，虚拟转子传感器无需做任何调整就可以连接控制单元进行测试；
• 系统的故障仿真，“虚拟电机”为涉及电路安全的故障模式提供了可能，这些场景无需重复配置即可实现故障注入，除了从各种相故障、电缆断裂或短路以外，即使是复杂的故障情况，如阻抗的变化可以表示。通过手动配置的方式就可能产生不同的轴承故障，如轴承不平衡、转子卡死等情况。根据传感器的类型，与转子位置传感器有关的故障可以产生，比如包括线缆断裂、典型的信号异常和干扰（例如噪声、emc峰值），它们的幅度是可以叠加和控制的。
• 系统的故障仿真，“虚拟电机”为涉及电路安全的故障模式提供了可能，这些场景无需重复配置即可实现故障注入，除了从各种相故障、电缆断裂或短路以外，即使是复杂的故障情况，如阻抗的变化可以表示。通过手动配置的方式就可能产生不同的轴承故障，如轴承不平衡、转子卡死等情况。根据传感器的类型，与转子位置传感器有关的故障可以产生，比如包括线缆断裂、典型的信号异常和干扰（例如噪声、emc峰值），它们的幅度是可以叠加和控制的。
客户收益
德国set power systems在电机仿真领域已有10余年历史，第一个里程碑的案例是2003年成功实施的空客a380飞机的客舱压力控制襟翼电机负载仿真。通过持续的研发投入和模型的深入研究，set power systems可以提供高精度的电机功率级测试方案并达到超过300 kw的功率等级水平，已经成功实施的客户包含宝马、奔驰、奥迪、戴姆勒、丰田等世界顶尖oem及博世、大陆电子等设备供应商。提供的eme(e-motor emulator)产品和传统的测试设备相比，在实验室建设、产品设计、质量保证和终点线测试方面均具有可观的优势：
• 降低测试时间，不采用真实部件，可快速修改测试变量和系统配置，支持电机和控制器的并行开发。利用该方案，在真实电机成型之前，可将电机的设计参数输入到eme，对控制器进行测试，测试结果可以用于电机设计参数的优化上；
• 提高测试安全性且降低成本，消除旋转/振动元件，方便实现电机的各种故障仿真，可根据实际测试工况对控制器中的电力电子进行长时间自动化带载测试；
• 提供仿真精度并确保测试一致性，传统旋转台架测试中的功率级动态有限，而基于模型的eme方案具有超高的动态特性，更能精确模拟真实电机，便于实现多次相同测试环境的指标考核。通过对谐波的精确建模便于研究谐波行为及与之相关的高精度控制策略。