電動汽車永磁同步電機(jī)電流控制故障分析研究

黃薪槐 胡慧婧 楊秋霞 何淵 韋錦波 李大旺 黃祖朋

摘? 要：作為電動汽車的核心功能部件“三電”之一的驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性是整車性能的關(guān)鍵因素。驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的效率直接影響續(xù)航里程;輸出扭矩的穩(wěn)定性直接影響整車的NVH;可靠性直接影響整車的安全性。電流控制故障是較為嚴(yán)重的驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)故障，對效率、扭矩輸出平順性以及可靠性均有影響。文章主要分析了電流控制故障發(fā)生的現(xiàn)象與危害、發(fā)生的工況以及原因。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng);電流控制故障;現(xiàn)象與危害;原因

中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0070-02

Abstract： The stability of the drive motor system， one of the core functional parts of electric vehicles， is the key factor of the vehicle performance. The efficiency of driving motor system directly affects the driving range. The stability of output torque directly affects the NVH of the vehicle. Reliability directly affects the safety of the vehicle. Current control fault is a serious driving motor system fault， which affects the efficiency， torque output smoothness and reliability. This paper mainly analyzes the phenomenon and harm of current control fault， the working condition and the reason.

Keywords： drive motor system; current control fault; phenomenon and harm; reason

1 概述

隨著國六標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，國家對汽車排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，同時(shí)在國家政策的指引下，新能源汽車技術(shù)越來越成熟。作為新能源汽車中“零排放”的純電動汽車具有綠色環(huán)保，出行成本低，且維護(hù)保養(yǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，逐步受到市場的青睞。驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)是純電動汽車重要的核心部件，其穩(wěn)定性對整車性能起著關(guān)鍵作用。永磁同步電機(jī)相對交流感應(yīng)等電機(jī)具有效率高、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用在純電動汽車中十分廣泛。本文針對電動車用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生的電流控制故障進(jìn)行分析研究，對驅(qū)動電機(jī)的控制穩(wěn)定性具有重要意義。

2 永磁同步電機(jī)控制方法

永磁同步電機(jī)的控制方法常用的有恒壓頻比、直接轉(zhuǎn)矩控制以及矢量脈寬調(diào)制法。恒壓頻比法屬于開環(huán)控制，無電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速反饋，控制精度不高，動態(tài)響應(yīng)較差。直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)構(gòu)建磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩模型，通過改變電壓矢量實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的BANG-BANG控制，該控制方法簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，在要求高瞬態(tài)扭矩響應(yīng)場合應(yīng)用廣泛，但是在低轉(zhuǎn)速時(shí)控制頻率低，扭矩脈動大，在電動汽車上應(yīng)用，其表現(xiàn)為起動性能不好，抖動較為劇烈。矢量控制是通過坐標(biāo)變換把檢測的定子三相電流、磁鏈等矢量分解到轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)上，沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向的矢量稱直軸勵(lì)磁電流（id），正交于轉(zhuǎn)子磁鏈方向的矢量稱交軸轉(zhuǎn)矩電流（iq），通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)，該控制方法可以獲得較高的速度和扭矩控制精度，而且穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的響應(yīng)良好。電動汽車上永磁同步電機(jī)的控制一般運(yùn)用這一控制方法。根據(jù)控制目標(biāo)不同，矢量控制可以細(xì)分為恒轉(zhuǎn)矩角控制、最大功率因數(shù)控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制以及弱磁控制等[1]。本文主要針對矢量控制的永磁同步電機(jī)電流控制故障分析。

3 電流控制故障現(xiàn)象與危害

電動車用永磁同步電機(jī)電流控制故障在實(shí)車上表現(xiàn)為車在較高車速，突然猛加速過程發(fā)生整車抖動。嚴(yán)重者在行車過程中電機(jī)工作狀態(tài)失控，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。在臺架上表現(xiàn)為，電機(jī)在高轉(zhuǎn)速，并輸出較大扭矩時(shí)，電機(jī)振動變大，直流端電流波動變大，扭矩不穩(wěn)定，同時(shí)可以聽到機(jī)械摩擦的聲音，而電池模擬器端電壓也隨之波動，最后電機(jī)控制精度逐漸變差，扭矩精度嚴(yán)重時(shí)超過10Nm。發(fā)生電流控制故障時(shí)，汽車NVH明顯變差，影響駕駛感受，并存在一定的安全隱患，在行車過程中應(yīng)當(dāng)避免。

4 電流控制故障發(fā)生工況

在臺架上復(fù)現(xiàn)電流控制故障時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)逆變器直流端電壓較低時(shí)，電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速段大扭矩工況會發(fā)生電流、扭矩波動情況。當(dāng)直流端電壓較大時(shí)，電流控制故障則發(fā)生在較高轉(zhuǎn)速、較大扭矩工況。

不同控制器在額定電壓下6000rpm，200Arms時(shí)的三相交流電流波形如圖1、圖2，發(fā)現(xiàn)兩家控制器交流電流波形均出現(xiàn)鋸齒形，但A家明顯波形較差，峰值不穩(wěn)定。

5 電流控制故障原因分析

5.1 旋變信號波形畸變

電機(jī)旋變信號是指電機(jī)內(nèi)置測速旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、位置的信號。當(dāng)旋變信號波形發(fā)生畸變時(shí)，速度閉環(huán)控制會出現(xiàn)波動，引起整個(gè)控制系統(tǒng)振蕩，發(fā)生電流控制故障。在臺架上復(fù)現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)生電流控制故障的旋變信號波形存在畸變。圖3為發(fā)生電流控制故障時(shí)電機(jī)旋變信號波形，從圖中可看出余弦信號波形比激勵(lì)信號波形和正弦波形毛刺多。

圖3 發(fā)生電流控制故障時(shí)電機(jī)旋變信號波形

5.2 電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)弱磁控制不穩(wěn)定

（1）PI調(diào)節(jié)參數(shù)不合適。永磁同步電機(jī)矢量控制中包含電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)以及直軸、交軸電流PI調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)PI參數(shù)選擇不好，控制目標(biāo)也會趨于發(fā)散，導(dǎo)致控制系統(tǒng)失穩(wěn)，發(fā)生控制故障[2]。在解決電流控制故障問題過程中，因?yàn)樾枰骖櫜煌妷旱燃壪滤懈咿D(zhuǎn)速段的控制效果，發(fā)現(xiàn)通過修正PI調(diào)節(jié)參數(shù)獲得的結(jié)果并不理想。

（2）電壓畸變，導(dǎo)致控制算法不準(zhǔn)。車用電機(jī)控制器一般多用電壓源型逆變器，在永磁同步電機(jī)矢量控制中，需通過坐標(biāo)變換獲得控制目標(biāo)，作為控制算法中重要變量-逆變器的相電壓往往不可直接測量，直接用目標(biāo)值替代實(shí)際值。由于功率器件的非理想性以及電流逆變過程中存在的死區(qū)時(shí)間，逆變器相電壓實(shí)際值往往與目標(biāo)值存在較大差異，導(dǎo)致控制算法不準(zhǔn)確，引起系統(tǒng)振蕩，發(fā)生電流控制故障[3]。

（3）電機(jī)標(biāo)定不準(zhǔn)確。車用永磁同步電機(jī)控制一般是通過標(biāo)定的方法獲得比較理想的直軸電流id以及交軸電流iq控制目標(biāo)值，在電機(jī)工作過程中通過查表實(shí)現(xiàn)在各個(gè)電壓等級、各個(gè)轉(zhuǎn)速、各個(gè)扭矩下最優(yōu)控制。在電機(jī)標(biāo)定過程影響精度的因素也很多，例如電機(jī)溫度，標(biāo)定設(shè)備的轉(zhuǎn)速、扭矩精度等，如果電機(jī)標(biāo)定不準(zhǔn)確，id/iq目標(biāo)值出現(xiàn)偏差，也同樣會引發(fā)電流控制故障。

（4）母線電壓穩(wěn)定對電流控制故障影響。在臺架上復(fù)現(xiàn)電流控制故障過程中，發(fā)現(xiàn)使用不同電池模擬器對同一產(chǎn)品在相同工況下進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定能力較強(qiáng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)電流控制故障更容易發(fā)生，但使用電壓穩(wěn)定較差的設(shè)備復(fù)現(xiàn)問題時(shí)，電機(jī)三相電流和扭矩波動依然是較大，同時(shí)直流母線段電壓波動也比較大。這與電池模擬器的PID調(diào)節(jié)能力有關(guān)，當(dāng)電機(jī)控制器PID調(diào)節(jié)失穩(wěn)時(shí)，如果直流母線段端電壓PID調(diào)節(jié)能力加強(qiáng)，會加劇電機(jī)電流PID振蕩，更容易發(fā)生電流控制故障。同理在實(shí)車上，動力電池的穩(wěn)壓能力對電流控制有類似的影響。

6 總結(jié)與展望

電機(jī)控制器電流控制的穩(wěn)定性對純電動汽車的NVH、續(xù)航里程以及行駛安全具有關(guān)鍵性作用，隨著電機(jī)控制技術(shù)的日益發(fā)展，電機(jī)控制器的性能也越來越穩(wěn)定，給大家?guī)砀踩?、更舒適的綠色出行方式。

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