電動(dòng)汽車電機(jī)控制器故障注入測(cè)試系統(tǒng)研究

[摘要] 電驅(qū)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的重要組成部分，目前國標(biāo)關(guān)于電機(jī)控制器的安全性試驗(yàn)主要針對(duì)控制器放電及搭鐵狀態(tài)的測(cè)試。本文主要介紹一種電機(jī)控制器故障注入測(cè)試系統(tǒng)，涉及電機(jī)模擬系統(tǒng)和故障注入類型研究，利用電機(jī)模擬器對(duì)電機(jī)控制器建立永磁同步電機(jī)模型的測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行高壓故障及旋變故障注入。此測(cè)試系統(tǒng)研究希望給相關(guān)從業(yè)者帶來一些啟發(fā)。

[關(guān)鍵詞] 永磁同步電機(jī)模型；故障模擬；電機(jī)控制器

中圖分類號(hào)：U469.72 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " 文章編號(hào)：1003—8639（2023）07

Research and application summary of fault injection test system for electric vehicle motor controller

Yinghao Nong，Manrong Liang，Qiuxia Yang，Huijing Hu

（SAIC GM Wuling Automobile Co. Ltd.，Guangxi Key Laboratory of Automobile New-Four Future，Liuzhou 545007 China）

Abstract： Electric vehicles in China's market gradually occupy the main position，manufacturers for the vehicle configuration upgrade is also accelerating. Motor drive system as the main power core of electric vehicles，the motor controller function and safety is very worthy of consideration，for its function and safety test research methods are gradually improved. This paper mainly introduces a motor controller fault injection testing system，involving motor simulation system and fault injection type research，using motor simulator for motor controller to establish a permanent magnet synchronous motor model testing system and high voltage fault and spin fault injection，hoping to inspire related practitioners.

Key words： PMSM； Fault simulation； Motor controller；

收稿日期：2022-12-08

作者簡(jiǎn)介：農(nóng)英豪（1997—），男，研究方向?yàn)樾履茉雌囌嚰傲悴考y(cè)試。

電動(dòng)汽車在中國市場(chǎng)逐漸占據(jù)主要地位，各廠商對(duì)于整車配置的升級(jí)也在不斷加快。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿诵?，電機(jī)控制器功能性和安全性非常值得考量，如國標(biāo)《GB/T 18488.2—2015電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》對(duì)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)控制器的安全性測(cè)試主要在第8節(jié)中有所提及[1]，國標(biāo)《GB/T3859.1—2013半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分：基本要求規(guī)范》的7.5.3小節(jié)也對(duì)電機(jī)控制器的保護(hù)裝置試驗(yàn)主要涉及電流保護(hù)裝置、快速熔斷器、過電壓保護(hù)裝置等內(nèi)容[2]。隨著時(shí)間的推移，針對(duì)功能和安全性的汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善。

近年來，各大主機(jī)廠及造車新勢(shì)力車型更新迭代迅速，對(duì)產(chǎn)品要求也越來越嚴(yán)格，縮短研發(fā)周期、提高研發(fā)效率是主要目標(biāo)，相應(yīng)地，對(duì)于研發(fā)機(jī)構(gòu)來說，更高效、安全的測(cè)試方法和系統(tǒng)是必要的。本文主要介紹試驗(yàn)室使用的電機(jī)控制器故障注入測(cè)試系統(tǒng)及使用總結(jié)，拓寬從業(yè)者對(duì)電機(jī)控制器測(cè)試的方法渠道及試驗(yàn)思路。

1 "測(cè)試現(xiàn)狀分析

經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)外試驗(yàn)研發(fā)機(jī)構(gòu)比較成熟的電機(jī)控制器的功能驗(yàn)證測(cè)試方法主要基于3個(gè)等級(jí)[3]，如圖1所示。

1）信號(hào)級(jí)測(cè)試：基于DSPACE、NI PXI等平臺(tái)的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)輸入輸出均為低電壓信號(hào)，該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)大多數(shù)測(cè)試部件利用仿真建模軟件模擬，主要應(yīng)用在控制器板卡的前期設(shè)計(jì)、功能基礎(chǔ)測(cè)試，可以快速地對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯和修改。

2）機(jī)械級(jí)測(cè)試：基于總成測(cè)試設(shè)備，需要實(shí)體電機(jī)以及對(duì)拖測(cè)功機(jī)連接，主要應(yīng)用在電驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)完成后，對(duì)控制器和實(shí)體電機(jī)的配合及性能的驗(yàn)證。

3）功率級(jí)測(cè)試：對(duì)控制器實(shí)體進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)需要提供控制器下端輸出高電流和大電壓的負(fù)載吸收裝置，該測(cè)試存在一定危險(xiǎn)性，并且成本較高，主要應(yīng)用于控制器功率器件的特性測(cè)試。

2 "測(cè)試系統(tǒng)介紹

本測(cè)試系統(tǒng)是基于電機(jī)控制器功率級(jí)測(cè)試所建設(shè)的，由于電動(dòng)汽車動(dòng)力回路具有高電壓、大電流的特點(diǎn)[4]，此測(cè)試臺(tái)架主要由控制器供電模塊、環(huán)境模擬及被測(cè)件冷卻系統(tǒng)、電機(jī)模擬器、上位控制機(jī)等通信控制測(cè)量設(shè)備組成（圖2）。其中，電機(jī)控制器的直流母線端可在整車實(shí)體動(dòng)力電池包與電池模擬器中自行切換，下端連接電機(jī)模擬器，溫濕度環(huán)境艙作為環(huán)境模擬及測(cè)試隔離空間，充分保護(hù)測(cè)試人員的安全。

相較于其他研發(fā)機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的功率級(jí)測(cè)試，該測(cè)試系統(tǒng)能降低操作及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，通過增加斷路器及控制切換板卡，可以實(shí)現(xiàn)高壓端故障模擬及旋變信號(hào)故障模擬等功能。

3 "建立電機(jī)模型

永磁同步電機(jī)模型的常規(guī)方法有線性模型和考慮飽和諧波的有限元模型[5]，其中傳統(tǒng)電機(jī)線性模型又分為基于三相靜止坐標(biāo)、兩相靜止坐標(biāo)系（α-β）和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）建模。

3.1 "三相靜止坐標(biāo)系

定子三相電壓數(shù)學(xué)公式如下：

4 "試驗(yàn)準(zhǔn)備及總結(jié)

4.1 "試驗(yàn)前檢查

1）電機(jī)模型參數(shù)導(dǎo)入，在進(jìn)行電機(jī)故障注入測(cè)試系統(tǒng)使用前，核對(duì)被測(cè)電機(jī)控制器下端電機(jī)模型參數(shù)是否正確，首先對(duì)真實(shí)電機(jī)120℃下的電感磁鏈矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行仿真（圖3），確保圖形曲線平滑且效率區(qū)間無損失。

2）測(cè)試線束及隔離環(huán)境確認(rèn)，按照控制器線束原理正確連接被測(cè)控制器與臺(tái)架，按照：①直流母線正、負(fù)級(jí)接線；②交流輸出端接線；③旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)正負(fù)信號(hào)、sin+/-信號(hào)、cos+/-信號(hào)依次核對(duì)無誤后，清理環(huán)境艙內(nèi)遺落的工具螺栓等，檢查搭鐵線束后關(guān)閉并鎖定環(huán)境艙的艙門。

3）測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)及限值設(shè)定，清空測(cè)試間內(nèi)無關(guān)人員后，在測(cè)試開始前還需要對(duì)被測(cè)件、環(huán)境溫濕度等參數(shù)進(jìn)行限值設(shè)定，如使用供電單元，輸入電壓不能高于被測(cè)控制器的峰值電壓。

4）控制器匹配調(diào)試，啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，按照真實(shí)電機(jī)的初始角及效率圖譜對(duì)被測(cè)電機(jī)控制器進(jìn)行匹配調(diào)試，通過設(shè)定不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩，通過比對(duì)CAN報(bào)文讀取的被測(cè)控制器與電機(jī)模擬器反饋的id、iq值，逐步調(diào)整修正模擬器的角度偏差，使模擬器反饋的轉(zhuǎn)速、扭矩及功率與被測(cè)控制器采集數(shù)據(jù)接近（圖4），即控制器匹配調(diào)試完成，由此可以開始進(jìn)行故障注入測(cè)試。

圖4 "電機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-功率示意圖

4.2 "故障注入測(cè)試結(jié)果

被測(cè)控制器取自某品牌適配30kW電機(jī)型號(hào)，分別進(jìn)行旋變故障注入及噪聲故障注入測(cè)試，并取得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1）低壓線束短接測(cè)試，在旋變切換控制單元中對(duì)激勵(lì)＋信號(hào)和旋變cos-進(jìn)行短接（圖5），持續(xù)時(shí)間不小于60s，然后按照額定工況下運(yùn)行電機(jī)控制器。

噪聲注入故障測(cè)試，在額定工況運(yùn)行狀態(tài)下，在故障注入模塊中分別輸入白/粉噪聲波形幅值及頻率，并用示波器采集該狀態(tài)下的旋變波形，如圖6所示。

5 "總結(jié)展望

經(jīng)多次使用及結(jié)果分析，該測(cè)試系統(tǒng)的功率輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度會(huì)依賴于電機(jī)模型的精度，而對(duì)于電機(jī)控制器的功能驗(yàn)證及安全性能驗(yàn)證具有較為良好的表現(xiàn)，同時(shí)通過增加環(huán)境隔離艙和控制切換板，能有效降低研發(fā)人員受到觸電傷害的風(fēng)險(xiǎn)。在后續(xù)試驗(yàn)過程中，如要提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，應(yīng)在獲取電機(jī)電感磁鏈矩陣的數(shù)據(jù)上要求精度更為嚴(yán)格，這樣才能保證功率測(cè)試精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 18488.2—2015，電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器 第2部分：試驗(yàn)方法[S].

[2]GB/T 3859.1—2013，半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分：基本要求規(guī)范[S].

[3]張璐. 電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用研究[D]. 包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2021.

[4]施一新，楊林，楊坤. 電動(dòng)汽車高壓電連接電阻故障測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)[J]. 汽車技術(shù)，2016（8）：48-52.

[5]李昊龍. 永磁同步電機(jī)模擬器的研究[D]. 柳州：廣西科技大學(xué)，2020.

[6]陳濤. 考慮交叉飽和、交叉耦合及結(jié)構(gòu)諧波的永磁同步電機(jī)參數(shù)模型[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（12）：11-15.

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