HEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障建模分析

劉志強(qiáng) 王 宇

（中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：HEV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) PWM驅(qū)動(dòng) 故障仿真 故障特征

1 前言

混合動(dòng)力汽車起動(dòng)、制動(dòng)、加速/減速頻繁，且常工作在高轉(zhuǎn)矩/低速爬坡、大功率/低轉(zhuǎn)矩高速行駛等特殊工況下，這就極易造成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障[1-2]。作為整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心的電機(jī)控制器能否正常工作與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否能發(fā)揮正常性能有著直接關(guān)系[3-5]，其中逆變器中的功率開關(guān)器件是較薄弱的環(huán)節(jié)，容易引發(fā)故障。一旦這些薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體較易失去正常運(yùn)行能力，進(jìn)而導(dǎo)致惡性事故，甚至車毀人亡。因此，對(duì)電機(jī)控制器的故障診斷有重要研究?jī)r(jià)值。本文對(duì)電機(jī)控制器中功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)開路故障進(jìn)行故障建模與診斷分析，并提出HEV用電機(jī)控制器該類故障的故障特征。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

圖1給出了混合動(dòng)力汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制框圖。給定轉(zhuǎn)速nref與傳感器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速n做差運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)速誤差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到q軸給定電流isqref，它與q軸反饋電流isq的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，得到0dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的相電壓分量vsqref；d軸給定電流isdref=0，它與反饋電流isd的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，得到0dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的相電壓分量vsdref；借助測(cè)速模塊得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速θe，vsqref和vsdref經(jīng)Park逆變換轉(zhuǎn)換成0αβ直角坐標(biāo)系下的定子相電壓矢量分量 vsαref和 vsβref；利用電壓空間矢量 SVPWM 技術(shù)產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器功率變換單元的控制[6]。圖2為搭建的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真模型。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制框圖

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真模型

3 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)開路故障仿真模型

如前所述，混合動(dòng)力車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，如果車輛頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、加速/減速，特別是行駛在顛簸的路況時(shí)，更易引發(fā)故障。當(dāng)前電機(jī)控制器的集成度較低，其控制板與驅(qū)動(dòng)板之間通常是靠排線連接在一起的，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障率相對(duì)較高的環(huán)節(jié)便容易受排線問題困擾而易引起驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障，如控制器中功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失或功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)紊亂等。本節(jié)利用上節(jié)搭建的MATLAB/Simulink仿真模型對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而對(duì)這類故障進(jìn)行故障特征分析及故障特征提取，重點(diǎn)找出故障電流特征。

電機(jī)控制器中的逆變器結(jié)構(gòu)包含6個(gè)開關(guān)管，由電壓空間矢量控制下有8個(gè)工作狀態(tài)，可以歸納出4種特征故障組合，本節(jié)針對(duì)這6個(gè)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障處理，仿真出故障時(shí)的電流波形，并與正常情況時(shí)作比對(duì)，進(jìn)而找出4種故障狀態(tài)下的故障特征。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障的框圖見圖3。非故障功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)已經(jīng)正常定義，下面給出故障定義。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障框圖

故障狀態(tài)1：A相橋臂上、下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)F9、F10開路；

故障狀態(tài)2：B相上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)F11開路；

故障狀態(tài)3：B相上橋臂和C相下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)F11、14開路；

故障狀態(tài)4：B相上橋臂和C相上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)F11、F13開路[7]。

除了以上定義的故障狀態(tài)，其余三管以及多于3個(gè)開關(guān)管的故障都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止工作。

4 仿真結(jié)果與分析

模擬故障被測(cè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)包括電機(jī)控制參數(shù)和電機(jī)本體參數(shù)。其中電機(jī)控制參數(shù)如下：給定轉(zhuǎn)速1為1 500 r/min，給定轉(zhuǎn)速2為2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩15 N·m[7]。電機(jī)本體參數(shù)如下：電機(jī)定子電阻0.535 8Ω，電機(jī)磁通0.058 18 Wb，電機(jī)dq軸電感0.729 mH，電機(jī)極對(duì)數(shù)4，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.014 4 kg·m2，。

圖4為故障狀態(tài)1的電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流幾乎為零，正常兩相電流為相位差接近180°的對(duì)稱全波輸出。從電流幅值上看，故障相電流幾乎為零，正常相電流幅值接近正常時(shí)的2倍。

圖4 故障狀態(tài)1下的輸出電流波形

圖5 為故障狀態(tài)2下的電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流為半波輸出，是上半波還是下半波取決于該相是上管還是下管故障，正常相電流為畸變的全波輸出。從電流幅值上看，故障相畸變電流幅值接近正常時(shí)的1.6倍。

圖6為故障狀態(tài)3電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流為半波輸出，是上半波輸出還是下半波輸出取決于故障相是上管還是下管故障，正常相電流為畸變的全波輸出。從電流幅值上看，故障相和正常相的電流幅值接近為正常時(shí)的2倍。

圖5 故障狀態(tài)2下的輸出電流波形

圖6 故障狀態(tài)3下的輸出電流波形

圖7 為故障狀態(tài)4電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流同為下半波輸出，正常相為與故障相相反的畸變半波輸出，這種故障現(xiàn)象與三相三管發(fā)生故障中的兩相同位置開關(guān)管故障中的另一相非同位置開關(guān)管故障現(xiàn)象相同。從電流幅值上看，故障相和正常相的電流幅值接近為正常時(shí)的3倍，這種故障的危害最大。

通過模型仿真結(jié)果分析得出以下故障特征：

（1）故障所在相的電流波形發(fā)生畸變；

（2）電流半波輸出；

（3）三相電流幅值較正常電流幅值增大。

圖7 故障狀態(tài)4下的輸出電流波形

5 結(jié)論

基于MATLAB/Simulink建立了HEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)開路故障仿真模型，由仿真分析得出，電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)開路故障會(huì)對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)有較大影響，不同位置驅(qū)動(dòng)信號(hào)開路所造成的電流波形畸變和電流過流程度不同，這為進(jìn)一步的故障模擬和故障特征提取實(shí)驗(yàn)提供了具有一定意義的參考信息。