PLC技術(shù)下新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)故障檢測

薛紅華

摘 要：近些年，空氣污染和能源危機狀況逐漸顯現(xiàn)，各國逐漸注重發(fā)展清潔綠色環(huán)保能源，特別是針對汽車業(yè)。新能源車以綠色環(huán)保和低能耗的觀念很快被各國接納，并且投進充足的資金推動產(chǎn)業(yè)成長，使之變成未來交通工具發(fā)展的關(guān)鍵目標。但因目前已使用地方法不下開展電動汽車電機系統(tǒng)故障診斷的手段。依據(jù)電機問題，在PLC技術(shù)下，結(jié)合核方法和主成分分析法，將電機驅(qū)動器故障狀態(tài)參數(shù)非線性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為線性化內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù) 新能源汽車 電機驅(qū)動系統(tǒng) 故障檢測

1 引言

汽車是人們出行的重要工具，大家對車輛駕駛的安全性與平穩(wěn)性的要求很高侗時車輛的關(guān)鍵動力源一電機驅(qū)動系統(tǒng)，假如系統(tǒng)出現(xiàn)問題，汽車的總體均會遭到或多或少的影響，還可能會發(fā)生機毀人亡的狀況。因此，發(fā)展新能源車電機驅(qū)動系統(tǒng)故障測試技術(shù)是迫在眉睫。

2 試驗電動機的選型

汽車供電系統(tǒng)能通過燃料電池電堆或燃料發(fā)電機組系統(tǒng)實現(xiàn)送電，能量存儲體系能夠運用化學儲電池或超級電容器。永磁體為無限期磁體，不必激磁能夠在很低轉(zhuǎn)動速度下維持同步運作，低速檔時輸出扭矩大，另外永磁電機轉(zhuǎn)動速度與電流頻率維持同步關(guān)聯(lián)，操控電流頻率就可操控電機轉(zhuǎn)速[1]。永磁電機有運作效率高、轉(zhuǎn)矩密度高及其轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性強的特性，振動與噪聲偏小，幾乎可忽視。因而，永磁電機在新能源汽車行業(yè)獲得了普遍使用。

2.1 永磁電機的構(gòu)造

永磁電機和傳統(tǒng)電機相同，主要包括定子轉(zhuǎn)子兩部分組成。永磁電機構(gòu)造等同于其他的一些電動機，都是有著兩個部件：電樞繞組與。轉(zhuǎn)子通常由永磁材料，轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)動軸組成。永磁電機有項獨特性，無非就是把控好該電動機的驅(qū)動方式，得先根據(jù)管控電樞的工作電流，但是必須處理的問題在于要隨時直至轉(zhuǎn)子的部位。因為一般的永磁電動機都是會另裝轉(zhuǎn)子相位傳感器，即時掌握轉(zhuǎn)子的部位。

2.2 永磁電機工作原理與特點

永磁電動機的原理與三相馬達類似。電機驅(qū)動器里的逆變電源將供電電源所提供的直流電源調(diào)配為三相正弦波形電流電壓，輸進永磁電動機三相繞組后，形成三相對稱工作電流。在正弦波形工作電流和永磁感生電動勢影響下形成電磁轉(zhuǎn)矩，拉動轉(zhuǎn)子伴隨電磁振蕩以同樣的運動速度轉(zhuǎn)動。

轉(zhuǎn)動速度為：N=N1=60fi/Np

N：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度（r/min）N1：同步轉(zhuǎn)動速度fi：三相正弦波形電流電壓頻率

車用永磁電動機的把控由電機驅(qū)動器完成。通常采用閉環(huán)控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。閉環(huán)控制將定子電流分解成正交的兩大矢量，一種與磁鏈同向，表示定子電流激磁矢量，另外一個與磁鏈角度正交和，表示定子電流起動轉(zhuǎn)矩矢量，各自加以控制就可以操控永磁電機轉(zhuǎn)速與起動轉(zhuǎn)矩。永磁電動機轉(zhuǎn)動速度與電流頻率同步操作，配有轉(zhuǎn)差，不會受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度干擾，在永磁電動機上比較容易完成閉環(huán)控制[2]。直接轉(zhuǎn)矩控制不用操控轉(zhuǎn)動坐標更換與轉(zhuǎn)子磁性鏈接變向，起動轉(zhuǎn)矩替代工作電流變成受控目標，電壓是操控系統(tǒng)唯一導入，直接操作起動轉(zhuǎn)矩和磁鏈的提高或減少，就可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速和起動轉(zhuǎn)矩的把控。

2.3 優(yōu)勢之處

永磁電動機為直流無刷電機，其體型輕便、結(jié)構(gòu)緊湊、運作靠譜、功率大、控速性好這類優(yōu)點，更有工作噪音小，控制參數(shù)強的特點，另外不用無功功率勵磁電便可以明顯功率因數(shù)補償，降低了定子電流和定子銅耗，并且在平穩(wěn)運行中沒轉(zhuǎn)子銅耗，從而能夠因總消耗減少而降低風機和對應的風摩消耗，進而使其效果比同型號感應電機可提升2-8個基點，在用以新能源電動車當做驅(qū)動工作上算很合適考量的目標。

3 電機的故障問題

3.1 電機線圈的絕緣故障

電動機長時間工作狀態(tài)下，過電流、過電壓或因自身的電力電子器件衰老導致毀壞，太高的溫度與高負荷機械振動這類型的極端的工作狀態(tài)，都會造成焊錫絲接觸不良，所引發(fā)的就是繞組的絕緣故障。當絕緣故障發(fā)生的時候，電動機的各交流電流大小不一，電動機輸出扭矩降低而起動轉(zhuǎn)矩起伏顯著增加。在汽車行駛流程中，電動機輸出扭矩的異常波動就會影響乘車人舒適度，緊急狀況下有可能造成車輛側(cè)翻，進而危害車里乘車人及其他人的安全。

3.2 電機線圈的短路故障問題

短路故障問題是永磁電動機中非常嚴重的故障其一。依據(jù)出現(xiàn)短路的故障機制研究得出，引發(fā)出現(xiàn)短路的原因很多，較為常見的是由于長時間運作繞組溫度太高以后導致的絕緣層材料簡短乃至無限期毀壞，假如檢測出絕緣無效的情況下，電機可能會停用；還有是因為電動機自身部件衰老，加之外界因素濕冷情況，可能會出現(xiàn)突然的過壓狀況[3]。內(nèi)部原因去分析便是電動機長期高強度工作導致的提早衰老，外部原因乃是外界因素的惡劣情況引發(fā)的部件功能降低。

新能源汽車的工作方式與燃油汽車基本相同，這種永磁電動機便要經(jīng)常開啟、反復起停、還有承擔高溫與外界低溫環(huán)境。依據(jù)探究電動機的工作環(huán)境發(fā)覺，一般點開真實運行中的負載都是會超出規(guī)定值，而且有些電動機是遠遠超過最高值，如果總是過載狀況下長期運作，難以避免的便是形成各種問題，特別是最頻頻出現(xiàn)的相間短路狀況。當前對短路故障問題的研究內(nèi)容為3個方位：短路故障問題的檢查，短路故障問題對系統(tǒng)電流電壓、工作電流等參數(shù)值干擾還有短路故障問題出現(xiàn)后要采取的容錯操控對策。

在考慮到輸電線并繞及其電導體在槽中具體劃分的情況下，對同一電動機定子繞組的短路故障問題大概可以分為下列幾種，依次是：（a）電機繞組相間短路；（b）同兩色電機繞組出現(xiàn)短路；（c）不一樣兩色電機繞組出現(xiàn)短路；（d）電機繞組局部短路。如下圖所示。在這當中，當電機繞組相間短路故障發(fā)生的時候，因為永磁材料它的存在，出現(xiàn)短路匝時會一下子形成相當大的短路容量，進而出現(xiàn)短路匝處快速起熱，造成絕緣層毀壞，最后可引起相間短路或電機繞組局部短路等[4]。因而，電機繞組相間短路能夠稱之為所有短路故障問題的根源，具體發(fā)生的時候可以說是這幾點短路故障問題中一類或多種的搭配。

3.3 電動機的溫度情況

驅(qū)動系統(tǒng)的功率對新能源電動車而言有著巨大的意義，為了提升驅(qū)動系統(tǒng)的功率，應用時電動機的電磁感應負荷一般選擇的非常高，相繼而來的自然就是電動機的溫度升高和冷卻情況。溫度若不能得到控制，繼續(xù)升溫能讓我們的永磁材料磁力降低，工作效能極大降低，若不能及早發(fā)現(xiàn)并給出合理的解決，今后造成的便是去磁狀況，它是無法恢復的，就是檢修過程中遇到只有及時更換，而難以重回正常運轉(zhuǎn)。因此可見，對電動機的溫度情況要進行探討。

4 電機系統(tǒng)故障歸納

一級故障問題，這是新能源汽車非常嚴重的故障級別。發(fā)生此故障不但車子沒法行駛，還可能會威脅人身生命安全同時對周邊環(huán)境帶來一定的傷害，發(fā)生后關(guān)鍵零配件通常存在損毀。該類故障被稱作致命的故障，比較常見的故障原因為：電機驅(qū)動器功率單元過電壓問題和BMS問題。

二級故障，這一問題的發(fā)生算不上最重的，但假如未能及早發(fā)現(xiàn)并解決，很容易發(fā)生更深層次故障。發(fā)生該故障會先干擾安全駕駛，然后車子未能行駛，另外就是全車功能會存在比較明顯的衰弱，另外就是造成全車和相關(guān)關(guān)鍵零件的嚴重受損，比如電動機或是電機驅(qū)動器。通常稱作嚴重的故障，比較常見的故障原因為：電機驅(qū)動器相電流過電壓、電動機連接點遺失、汽車檔位傳感器故障、IGBT問題和旋轉(zhuǎn)變壓器出現(xiàn)異常等。

三級故障問題，這一問題發(fā)生會引發(fā)電動機發(fā)生異常，可是并不能出現(xiàn)嚴重危害。發(fā)生此類問題通常不會干擾安全駕駛，車子能夠繼續(xù)駕駛，固然會造成一定的零配件毀壞，但并不是關(guān)鍵零部件，解決辦法也比較簡單。通常也稱為一般故障，易出現(xiàn)的故障原因為：油門踏板傳感器故障、低電壓欠電壓保護問題、BMS單個欠電壓保護、電動機發(fā)生超速行駛控制板出現(xiàn)緩沖作用。

四級故障問題，此類問題一般不影響正常地駕駛，是一些零部件發(fā)生異常，在能夠容錯機制的范圍之內(nèi)，通常當做檢修提醒。發(fā)生此類問題車子正常運轉(zhuǎn)，一般也并不需換零配件，在引導下能夠進行高質(zhì)量簡單解決[5]。這個人們通常稱之為輕度問題，常見的現(xiàn)象有：電機驅(qū)動系統(tǒng)溫度感應器問題、VCU不正?；蚴侵绷髑冯妷罕Ｗo問題。

這里對其中一部分問題開展簡易闡述，以及問題發(fā)生的初始條件，更簡潔明了的了解其問題。

過電流問題，這兒涵蓋了提速過電流、降速過電流和穩(wěn)速過電流三類過電流。這個問題通常是對應的在工作流程（提速、降速、穩(wěn)速）中，驅(qū)動程序傳遞的工作電流超出過流點，通常以交流輸出電壓暫態(tài)值當做問題判定標準。

過電壓問題，這兒涵蓋了提速過電壓、降速過電壓和穩(wěn)速過電壓三類過電壓。這個問題通常是指提速、降速或是穩(wěn)速環(huán)節(jié)中，電容電壓超出過壓值，以直流母線電壓暫態(tài)值當做問題判定標準。

電機過載問題，電機電流超出設置的超負荷曲線，以交流輸出電壓一段時間里超出值域當做問題判定標準。

驅(qū)動器熱管散熱器超溫，驅(qū)動程序的排熱溫度太高，以溫度感應器檢驗的暫態(tài)值當做問題判定標準。

電機過熱問題，這兒主要是指電動機溫度太高，以溫度感應器檢測出的暫態(tài)值當做問題判定標準。

速度偏離太大，電動機現(xiàn)實轉(zhuǎn)動速度與預設值間偏離超過限定值一段時間，這類檢測只在速度調(diào)整模式中開展。

二級問題的發(fā)生，這種問題為嚴重的問題，當遇到此類故障，對電機驅(qū)動系統(tǒng)比較好的處理方法便是馬上關(guān)掉電機驅(qū)動器的工作電流導出，排故后才可以運作。三級問題的發(fā)生，這種問題為一般故障，當遇到此類故障，對電機驅(qū)動系統(tǒng)的處理方法便是能夠繼續(xù)運作，等候VCU的今后解決。四級問題的發(fā)生，這種問題為輕度問題，當遇到此類故障，對電機驅(qū)動系統(tǒng)的處理方法便是繼續(xù)運作，等候VCU的今后解決，而大多數(shù)將進行降電功率。

5 PLC技術(shù)下電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷

在PLC技術(shù)之下，把核方法與主成分分析法二者融合，將空間離散系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為線性內(nèi)容，對之前獲取的電機系統(tǒng)故障參量開展化簡操控，以實現(xiàn)新能源車電機系統(tǒng)的故障診斷。下面提供詳細的操作步驟：

開展主成分分析法的關(guān)鍵目的在于實現(xiàn)故障參量化簡，主要是對映射信息所有開展中心化解決，確切的公式是：

公式里：n-基本參數(shù)選值;k-元素總量。

在PLC技術(shù)下，融合核方法和主成分分析法開展空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，確切的交換過程，以下式表達：

k（x，z）=（x·z+1）

根據(jù)模糊核聚類分析開展故障診斷，聚類分析法在故障特征匹配中占有非常關(guān)鍵的位置。在沒有先驗的情況下，將信息樣本分成好幾個不同類型的子集或是類，此方法被廣泛應用在不同研究行業(yè)中[6]。模糊控制通常是建立模糊聚集，根據(jù)數(shù)組元素，進行程序設計語言撰寫，獲得最后的策略方案。

模糊控制器一般是由知識庫系統(tǒng)與規(guī)則引擎二者所組成的，模糊控制歸類便是在以上所述環(huán)境中產(chǎn)生的，以優(yōu)異的原理及其特性被廣泛應用在不同類型的研究行業(yè)中。

設置必須分門別類的樣本量為X=[X1，X2，

...，xn]T，樣本是Xi，提取的特點矢量矢量是fi，當中fij表示第i個樣本的第j個特征向量。

在相關(guān)剖析的前提下，選用模糊核聚類分析法法對新能源車電機系統(tǒng)故障信息進行聚類，聚類結(jié)果就是故障診斷結(jié)論。實際公式是：

公式中：uy聚類源項，依照聚類計算總結(jié)，進行新能源車電機系統(tǒng)故障診斷。

6 模擬實驗

為了能檢驗不同故障診斷辦法檢測特性，設置檢測指標為誤識率和漏診率。在這當中兩個參數(shù)的選值越小，表明檢驗結(jié)果精確性越大。

伴隨測試頻率的不斷增加，漏診率和誤識率均呈大增趨向，因為所提辦法在故障診斷的環(huán)節(jié)中加上PLC技術(shù)，使得整體方式的兩個檢測指標獲得大幅降低，可以更精確的檢驗出問題，及早得出相應的治理方案。

在PLC技術(shù)下，結(jié)合核方法和主成分分析法方法，合理聚類電機系統(tǒng)故障信息，獲得故障診斷結(jié)論。檢測表明：

（1）所提辦法可以精準診斷出新能源車電機系統(tǒng)中存在的問題，誤識率與漏診率的最大值都未超出0.05%。

（2）所提辦法可以最高機率檢測到新能源車電機系統(tǒng)發(fā)生的問題，問題發(fā)現(xiàn)率持續(xù)保持在95%之上。

7 結(jié)束語

總的來說。對電動機探詳細的了解，進而對于其出現(xiàn)問題后的表面現(xiàn)象、各部位隨后出現(xiàn)的改變、乃至可能會造成的進一步狀況開展探究，同時依據(jù)這類剖析形成原因和出現(xiàn)時準確的處理辦法，如此在以后的探索和運維工作過程中遇到這類問題，就能夠精確地剖析、高效的處理，為故障處理構(gòu)建高效體系，避免發(fā)生更嚴重的問題。

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