电动驱动程序中测功机测试与电机仿真的对比

核心要点

• 动力计测试是在实体硬件上对完整的驱动单元进行验证，而电机仿真则是在多种机器和故障条件下对变频器和控制系统进行验证。
• 仿真测试应在设计初期进行，此时设计方案尚有调整余地；而台架测试则应在后期进行，届时需要验证效率、热极限和耐久性。
• 一份包含共享关联点的书面交接记录，可将动态测试台的运行小时数作为证据保留下来——这正是只有旋转硬件才能提供的。

测功机测试和电机仿真分别针对不同的问题，如果将这两项测试分别安排在最能解答相应问题的环节，您的电驱动项目将能更快完成。

电机测功机每次仅对单个逆变器与单台物理电机进行测试，并在真实轴上施加真实扭矩。电机仿真则用一个在电气特性上与电机行为一致的功率级取代了该电机，因此同一台逆变器无需更换硬件，即可应对多种电机、工作点和故障情况。仿真应用于早期且广泛，而测功机则用于后期且深入。

确保这一流程顺序正确的压力与日俱增。预计到2025年，电动汽车将占全球汽车销量的四分之一以上，而每辆车都配备了必须在速度、扭矩、温度和故障工况下进行验证的驱动系统。那些带着未经测试的控制软件进入动力测试台的项目，将为此付出空转换挡的代价；而那些带着经过验证的逆变器进入测试台的项目，则能将时间用于仅靠旋转硬件才能检测出的问题。

电机测功机能证明什么，而模型却无法证明

电机测功机用于验证完整的机电系统。它通过轴和扭矩传感器将被测电机与负载机连接起来，并在驱动装置运行时测量扭矩、转速、电功率和温度。您可以从即将发货的硬件中获得效率、温升、噪音和振动等数据。

以牵引电机的效率图为例。该单元会记录每个转速和转矩点的数据，直至温度稳定，然后根据功率分析仪的读数，将轴功率与电输入值进行关联记录。轴承摩擦、磁体温度漂移、绕组热点以及冷却液流量都会在结果中体现出来，因为这些因素在物理上确实存在。

这种直接性正是您所付费所获得的。这也设定了局限性，因为动力测试结果仅描述了一台机器的配置、一个转子和一个冷却回路。一旦改变绕组或磁材等级，就必须在新的硬件上重新验证这些结果。

动力计测试舱很少能达到的哪些电机仿真测试

电机仿真通过一个作为模型存在的电机，对变频器及其控制软件进行测试。功率级连接到变频器的相端子，并在满电压和满电流条件下汲取与真实电机相同的电流，同时实时仿真器计算电机的运行行为。由于转子不转动，因此没有任何机械限制，您可以自由进行各种测试。

以最高速度下的相间短路或位置传感器故障为例。在动力测试台上进行此类测试，可能会危及原型机、联轴器，有时甚至会危及测试台本身，因此各团队通常只进行一次测试，或者干脆跳过该测试。而模拟机则可以在一个下午内重复模拟同一故障数十次，并在每次测试之间调整相关参数。

这种自由度同样适用于电机类型的选择。从永磁电机切换到感应电机只需更换机型，无需重新制造。您可以对电感公差和部分退磁的转子进行全面测试，而这些情况是任何单一原型机都无法完全模拟的。

你放弃的是所有机械方面的内容。仿真分析并未涉及轴承、转子应力、声学噪声，也未涉及热量如何从外壳中散出。

“没有转子在转，因此没有任何机械限制会阻碍你的尝试。”

测功机测试与电机仿真之间的主要区别

测功机测试与电机仿真之间的主要区别在于逆变器另一侧连接的是什么。测功机测试使用实体电机和机械负载，因此可对整个驱动单元进行验证。电机仿真则使用运行电机模型的功率级，因此可在更多工况下对逆变器及其控制系统进行验证。

如果某个程序在已冻结的校准中需要扭矩精度，则会选择该测量单元；而仍在3台候选机器上对电流环进行调谐的程序，则会选择仿真器。

每个项目的电动机测功机测试费用是多少

电动机测功机测试没有统一的价格，因为费用主要取决于试验台的运行时间、原型硬件以及换线操作，而非测试本身。外部实验室通常按班次或按天报价，而拥有专属试验台则是一项需要单独进行设施建设的资本项目。

一个简单的例子可以说明资金流向。假设一个项目有3种机型，每次换线都需要2天时间进行夹具安装、轴对中和重新调试。这意味着在获得第一个新数据点之前，已预留了6天的生产单元时间。如果再加上一个导致每种机型停测1天的控制程序故障，那么就有9天的时间花在了无法产生任何数据的工作上。这些数字仅供说明。

预算几乎无法容忍这种浪费。美国牵引驱动系统的成本目标将从2025年的4.00美元/千瓦降至2030年的3.00美元/千瓦，而验证预算也面临同样的压力。电机仿真虽然本身需要一定的资本投入，但每次测试的运行成本很低，因为既没有磨损，也不需要重新安装。 

“节省成本的关键在于，在进行动力测试时，未知因素更少。”

何时应优先选择电机仿真器

当变频器先于电机准备就绪，或者测试矩阵的范围超出单个原型机所能覆盖时，电机仿真器是更佳的起步选择。它允许您在机械部件尚未到货的情况下，对功率级施加负载、闭合电流环路，并在满载条件下测试保护功能。

有五种情况明确表明应优先采用仿真。

• 该机器的原型机推迟交付，或者仅有一两台。
• 几种机型或绕线方案共用一个变频器平台。
• 必须在高速和满载条件下反复测试故障响应。
• 控制软件仍在调试中，需要对回归测试进行自动化重跑。
• 所需的运行点超出了现有测功机的转速或功率范围。

电机模型的保真度决定了这些结果的价值。参数恒定的模型会掩盖磁饱和和空间谐波，因此电流纹波和转矩纹波看起来比在硬件上更“干净”。OPAL-RT 电机仿真平台将功率级与 FPGA 电动机库中的电机模型相结合，因此逆变器面对的是一台比固定电感组更详细的虚拟电机。

对于任何仿真结果，都要弄清楚是哪些机器数据被输入到了模型中。有限元数据或实测磁通分布图能为你提供一个在设计评审中经得起推敲的答案。

电机仿真能否取代动力计测试以完成签核？

电机仿真无法取代动力计测试作为最终验收依据，因为耐久性、热学和机械性能的验证只能通过实际运转的硬件来获得。不过，它确实可以替代逆变器和控制相关工作所耗费的大部分动力计测试时间——这些工作对转轴的旋转依赖性最低。最终验收仍取决于测得的效率、转矩精度和耐久性。

耐久性测试揭示了其中的原因。没有任何机器型号能证明轴承、绕组绝缘系统或转子能够经受住多年的热循环考验，因此耐久性测试、热浸渍和噪声测量仍在试验舱内进行。这些测试现在是从逆变器开始的，而该逆变器的保护功能和控制回路已经过测试，因此为期一周的耐久性测试不会因软件故障而中断。

在e-drive程序中依次运行这两种方法

能够顺利完成的测试程序会先进行仿真测试，再进行台架测试，并在两者之间进行有序的交接。仿真测试负责完成逆变器硬件、控制调优和故障响应的验证。随后，台架测试会在实际驱动单元上验证效率、热极限和耐久性，从而节省了原本用于调试的时间。

只要把这个交接流程写下来，它就能行得通。确定哪些测试用例在仿真器上结束，哪些作为相关性点在动态测试台上重复执行，以及你愿意接受两者之间多大的差异。在两个测试平台上运行少量工作点，就能让你知道该对模型有多大程度的信任。

我们看到这种严谨性通过点滴积累带来了回报。那些在预订动力测试台时间之前，先在OPAL-RT测试台上使用虚拟机对逆变器进行测试的工程师，进入测试舱时需要处理的问题清单会更短。每项测试在被问及它原本设计要解答的问题时，其成本便物有所值；而优秀的测试程序会坦诚地说明本周要解决的具体问题。