电动汽车电机参数远程监测系统

电动汽车电机参数远程监测系统

王新源 解雨潼 李润桐 陈星翰

沈阳工程学院 自动化学院

摘要：为了解决电动汽车电机参数无法实时监测的问题，我们开发了一个远程自动监测系统。该系统采用数据采集节点设备和触摸屏一体机，并使用Java编写数据分析监测软件。采用4G网络，数据信息可以传输到云服务器数据库，使用者可以透过使用客户端技术来进行远程监测。经过测试，该系统能够有效地实时监测电动汽车电机的运行状态，用户界面友好，具有出色的实用性和可靠性。

关键词：电动汽车电机参数 数据采集 4G网络

    由于国内经济的发展，机动车辆的数量和保有量迅速增加，但是它们也给环境保护带来了严重的环境污染。为此，可再生能源电动车应用受到了比较多的注意，而[1]指出，电动机系统是直接危害电车特性的因素之中。为了提高电车的安全性，检测电动机技术参数是至关重要的。电压、电流、能耗等技术参数可以反映电动机的状态，因此，经过对上述技术参数的检测，可以准确判断电动机的故障状态，国内外学者也在积极性地进行相关研究。

为了解决电动汽车电机参数无法实时监测的问题，我们开发了一个远程监测管理系统。该控制系统使用感应器收集电机的电压/电流数据信息，并根据发送协议进行分析，从而给出控制系统必须检测的信息和故障状态。这些数据信息可以透过4G/5G网络实时传输到远程应用程序展示端，方便用户存储、检测和查询最近的数据信息。

1 系统总体设计

为了完成电动汽车系统状况及事故的远距离监控，系统需要具有四项能力：采集、信息处理、远距离数据传输和监控。其中，前三种功能需要在车载端完成，而远程监测则在云服务器端和显示终端上完成。

2 系统硬件选型

数据采集及传输模块的硬件部分分为数据采集处理模块和数据传输模块两部分，两者采用叠插组装方式整合。数据采集及传输模块硬件电路由stm32f103zet6芯片作为主控制器，此外还包括系统传输模块等。

2.1 采集处理主控制器

这个系统是一个典型的嵌入式系统，它的核心部分是主控制器结构。主控制器结构负责收集和处理CAN数据信息，并将其传输到无线设备中。选择主控制器结构时，应该考虑整个系统对控制器结构的需求。为了满足电动汽车电机数据信息收集的需求，本系统采用CAN总线，为此，所选芯块必须具有一个稳定可靠的can控制器结构，并且支持多种can通信协议。主控制器需要将AT指令和收集到的数据信息经过串口发送至4G模块，由4G模块将处理后的数据发送过去，因而，所选芯片必须具有多组串口、多组I/O通路，并且较高的运算能力，以保证数据信息收集的准确度和可信度。采用STM32F103ZET6芯片，以获得最佳性能和功能。

2.2 系统传输模块

4G硬件芯片现已具有了卓越的集成度、多模多频特性及其强劲的数据分析和多媒体能力[2]，而本次采用SIM7600模块设计，其性能稳定安全可靠，外形小巧，性价比极高，能够满足SMS和数据信息的高效传送。SIM7600CE拥有多种智能硬件端口，包括电力输入、 USB2.0端口、全功能UART、SIMcard、 SPI接口、 i2c端口、GPIO、 ADC 、PCM数字音频接口、SD io端口、 MMC/sd卡端口、WIFI接口、供电输出或者电流源输出，能够满足多种应用场景的需求。

3 系统软件设计

系统的应用软件组成部分包含采集、管理和数据传输部分，以及远程终端部分。这些组成部分主要包含：(1)实现CAN通信，收集电动汽车电机状态的相关数据；(2)通过CAN应用层协议，对采集到的信息加以解析处理，并通过程序分析得出电机的故障状态；(3)利用SIM7600芯片构成的4G模块将数据处理后的信息发送至云服务器端，以便远程终端应用软件能够更好地完成故障诊断和故障状态的设置。

3.1 数据采集程序设计

在初始化CAN参数和过滤器以后，就能够打开接收消息了。CAN接收过程如下：FIFO空闲时，得到正确报文；挂号_1（存入FIFO的某个邮箱，由硬件监控），得到正确报文；挂号_2，得到正确报文；挂号_3，得到正确报文；溢出。在 FIFO 溢出前，本接收流程必须至少读取一条报文，以确保报文的完整性，否则，由于fifo溢出而导致的报文丢失将会是不可避免的。通过CAN接收数据查询和CAN数据接收功能，AP可以从三级邮箱深度的FIFO中获取有效报文，其中FIFO中最先得到的报文将被保存起来，而can数据接收功能则从FIFO接收邮箱中读出FIFO收集到的报文，以便提供进一步的数据处理和储存，从而实现can信息的收集和储存。CanRxMsg结构体用于保存报文内容，而;CAN接收数据查询功能则用于检测是否已接受到报文，一旦实现接受，则将报文中的数据长度和数据段抽取出来，并将其保存在其他地方。

3.2数据处理程序设计

利用信息采集程序，我们可以将收集到的统计分析出来，并将其转换为相应的变量。例如，可以通过使用傅里叶分析来研究三相电流信号的频域特征，从而确定系统的故障状况。利用数据传输方式，我们可以将永磁同步电动机的状态数据和故障信息传送到云服务器，并在电脑APP上进行实时显示。PMSM 的各种故障都可从运行电流的特征信息中反映出来，如谐波成分等。

通过can协议，数据处理部分的程序可以将收集到的数据信息加以解释，并将解释出的电压值通过傅里叶变换数据分析，从而得到电压特性频谱与故障特征频谱之间的比较，从而确定电动机是否存在故障及其类型，并将相关信息存储到相应的变量中，以便在后续程序中发送出去。根据[3]中有关傅里叶变换的理论知识，本问题可以运用收集到的电机电流信息，实现诊断。

3.3 数据传输程序设计

采用SIM7600芯片电路，本系统能够完成远距离传输，微控制器能够利用串口发出AT命令，操控4G模块，4G模块按照云主机的IP地址和端口号，与主机形成TCP联接，一旦联网成功，就能够完成无线传输。AT指令集是一种用于管理手机产品的命令，它能够经过客户端产品或数据终端产品发送给客户端适配器，以完成对手机产品的功能控制，并与网络业务发生互动。使用AT命令，客户即可完成多种功能，包括通话、短信、电话本、数据业务、传真等，而且对于本系统还能够完成远程数据传输。

3.4客户端数据显示与保存程序

通过远程终端APP，用户能够实时获取电动汽车电机状况及故障信息，并能够通过登录、车辆管理、查询等功能，实现对电机状况的即时监控。这一系统不仅能够供给用户即时的电机状态信息，还能够为用户带来更加便捷的服务。

4 现场试验

为了证明监测系统的可靠性，我们在校试验室的汽车模拟电驱动系统计算机网络平台上开展了实地测试，以收集、处理、传输和显示电压/电流等数据。结果表明，该控制系统具备远程监测特性，可以符合控制系统总体方案设计的要求，设计合理，有着较好的可移植性和安全，从而实现了预定的目标。

5 结论

通过远程监测系统，电动汽车可以及时发现故障并采取预防措施，既可以满足汽车使用者的需求，也可以为电机维护人员提供帮助。这种高新技术有着广泛的市场前景，并且具备很强的实用价值和可靠性。此外，该系统还可以为实现数字化和智能化电动汽车提供基础数据，对其他监测系统也有一定的参考价值。

参考文献

[1]王健健. 新能源电动汽车电机控制系统设计[D].苏州大学,2019.DOI:10.27351/d.cnki.gszhu.2019.000811.

[2]于立华, 张宏宇, 高东健. 4GLTE 的关键技术及应用分析[J]. 科技创新导报, 2015, 12(04): 68.

[3]Hamid A.Toliyat, Subhasis Nandi, Seungdeog Choi, Homayoun Meshgin-Kelk 著. 周卫平，于飞，张超等译. 电机建模、状态监测与故障诊断[M]. 机械工业出版社, 2014.