電動(dòng)汽車電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路失效分析及優(yōu)化

李新成　姚琛　羅文慶　高桂芬　邵杰

摘 要：近年來，隨著電動(dòng)汽車的熱銷，其售后質(zhì)量也引起了廣泛的關(guān)注。其中旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)的位置傳感器，承擔(dān)著控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心作用。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)可靠、抗干擾能力強(qiáng)、適用于惡劣的環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但是一旦損壞或者信號(hào)解析電路失效，整車將面臨扭矩失控的極大風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文分析了旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路的失效模式并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)的方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 旋轉(zhuǎn)變壓器 失效模式

1 引言

獲取轉(zhuǎn)子位置信息是實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)[1]，旋轉(zhuǎn)變壓器由于結(jié)構(gòu)可靠、抗干擾能力強(qiáng)、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛用作電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路，包含旋轉(zhuǎn)變壓器、勵(lì)磁芯片、激勵(lì)輸出及回采電路、正余弦傳輸及處理電路、解碼芯片、主控芯片等，作為高精度信號(hào)的處理回路[3]，每一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的失效，設(shè)計(jì)過程很難充分考慮每一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，研發(fā)過程及售后出現(xiàn)的旋變故障，均應(yīng)受到高度重視，并進(jìn)行逆向排查，以不斷完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。本文匯總分析了研發(fā)及售后出現(xiàn)的電動(dòng)車旋變故障類型并提出相應(yīng)的優(yōu)化方法，為后續(xù)電動(dòng)汽車的研發(fā)及故障排查提供指導(dǎo)。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障

旋轉(zhuǎn)變壓器位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的內(nèi)部，包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)端蓋，轉(zhuǎn)子位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸端，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，并在定子線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的正余弦信號(hào)。正余弦信號(hào)通過信號(hào)傳輸電路被傳遞給旋變解碼芯片，經(jīng)過解碼得到轉(zhuǎn)軸的位置及速度信息，這些信息被反饋至主控芯片，進(jìn)行精確電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制。旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路出現(xiàn)故障時(shí)，將導(dǎo)致無(wú)法采集到正余弦信號(hào)或信號(hào)失真，無(wú)法正確解碼出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及速度信息，此種情況即為旋變故障。

3 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障模式

3.1 電機(jī)控制器旋轉(zhuǎn)變壓器解析電路失效

電機(jī)控制器旋轉(zhuǎn)變壓器解析電路包括了PCB板上的處理芯片及配套電路、接插件，常見的失效模式有旋變解碼芯片失效、PCB板失效、電機(jī)控制器內(nèi)部接插件失效等。

（1）旋變解碼芯片失效，一般是由于芯片生產(chǎn)、運(yùn)輸過程、裝配過程中存在的磕碰及靜電損壞風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致的失效;

（2）PCB板失效，一般是PCB板生產(chǎn)過程中返修導(dǎo)致，返修一般采用手工焊的方式，其質(zhì)量及流程不可控，容易出現(xiàn)虛焊的現(xiàn)象如圖2，導(dǎo)致傳輸過程中旋變信號(hào)失真，出現(xiàn)旋變故障；

（3）電機(jī)控制器內(nèi)部接插件失效，一般為PCB板上的接插件耐振動(dòng)等級(jí)不滿足要求，導(dǎo)致旋變信號(hào)傳輸不穩(wěn)的問題，因此一般要求PCB板上的接插件滿足標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1067? V2等級(jí)的振動(dòng)要求。

3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)傳輸線束失效

在電機(jī)控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的信號(hào)傳輸，需要用到外部線束，由于與頻繁振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接，線束失效的幾率提高。線束失效的形式有以下幾種：

（1）與其他部件磨損導(dǎo)致失效

線束布置不合理或者裝配不當(dāng)時(shí)，線束可能會(huì)與整車其他零部件發(fā)生干涉，經(jīng)過長(zhǎng)期相互摩擦，可能會(huì)出現(xiàn)線束磨損甚至斷開的情況，導(dǎo)致旋變信號(hào)傳輸受到影響，出現(xiàn)信號(hào)失真甚至丟失的問題，引起旋變故障。因此，在設(shè)計(jì)前期，應(yīng)避免線束的干涉問題，并在線束外表附上波紋管等保護(hù)措施。

（2）自身振動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)部銅線斷裂失效

若電機(jī)與電控之間固定線束的卡扣未扣好，線束大幅度振動(dòng)，內(nèi)部銅線經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的拉扯將出現(xiàn)斷裂，如圖3。出現(xiàn)內(nèi)部斷裂時(shí)，由于仍有編制網(wǎng)及外皮的保護(hù)，信號(hào)失真或丟失的問題只會(huì)間歇性出現(xiàn)，導(dǎo)致整車間歇性報(bào)旋變故障。在這種情況下，需在搖晃線束的情況下測(cè)量旋轉(zhuǎn)變壓器阻值以定位原因。

（3）表皮與編制網(wǎng)摩擦導(dǎo)致的失效

在極限運(yùn)動(dòng)或左傾等惡劣工況下，電機(jī)端卡扣綁扎處信號(hào)線彎折劇烈，由于扎帶邊緣鋒利導(dǎo)致信號(hào)線受到較大的壓力，線內(nèi)表皮與編織網(wǎng)等不斷摩擦，導(dǎo)致線束損傷，如圖4，這種失效形式需剝開線束表皮方可發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 接插件失效

電機(jī)控制器與信號(hào)傳輸線束、電機(jī)與信號(hào)傳輸線束均需通過接插件實(shí)現(xiàn)硬連接，整車組裝及維修保養(yǎng)過程中需進(jìn)行插拔，在插拔過程中有可能會(huì)造成接插件的損傷。接插件的失效可分為公端失效和母端失效，公端失效通常為針腳歪斜和針腳腐蝕，這種失效形式可通過肉眼進(jìn)行識(shí)別。常見的母端失效形式有端子退出、端子回縮、線束斷裂、擴(kuò)孔等，如圖5。為避免這些失效形式，拆裝時(shí)應(yīng)避免暴力拆裝，測(cè)量信號(hào)時(shí)應(yīng)按要求進(jìn)行測(cè)量。

3.4 旋轉(zhuǎn)變壓器本體失效

旋轉(zhuǎn)變壓器本體失效也是出現(xiàn)旋變故障的原因之一，一般是由于外界作用導(dǎo)致的，可分為：

（1）旋轉(zhuǎn)變壓器定子轉(zhuǎn)子安裝位置超出范圍導(dǎo)致sin和cos信號(hào)失真

旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子軸向位置超差，旋變輸出信號(hào)幅值偏小。旋變定轉(zhuǎn)子徑向位置超差，旋變信號(hào)輸出幅值偏小及大小波。導(dǎo)致旋變解碼芯片解碼過程中出現(xiàn)鎖相錯(cuò)誤，報(bào)出旋變故障。因此安裝工藝相當(dāng)重要，定子的固定應(yīng)當(dāng)采用防松的工藝。

（2）旋轉(zhuǎn)變壓器定子線圈異常導(dǎo)致失效

旋轉(zhuǎn)變壓器來料不良或者安裝不當(dāng)時(shí)，定子線圈會(huì)受到破損，產(chǎn)生短路或者斷路的故障，旋轉(zhuǎn)變壓器不能正常輸出sin和cos信號(hào)，導(dǎo)致旋變故障。

（3）旋轉(zhuǎn)變壓器物理性破壞

由于旋轉(zhuǎn)變壓器的工作跟驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸息息相關(guān)，因此電機(jī)轉(zhuǎn)軸工作異常會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器造成影響，常見的失效形式為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸承異常磨損導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子跟定子相互摩擦導(dǎo)致磨損失效，電機(jī)持續(xù)在極端工況下工作，導(dǎo)致的過熱破壞旋轉(zhuǎn)變壓器；因此需關(guān)注驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸承潤(rùn)滑情況以及設(shè)計(jì)合理的電機(jī)熱平衡管理策略。

3.5 電機(jī)和電控不匹配導(dǎo)致失效

旋轉(zhuǎn)變壓器有特定的電氣參數(shù)，在研發(fā)過程中如進(jìn)行電機(jī)控制器旋變信號(hào)解析電路設(shè)計(jì)時(shí)不考慮旋轉(zhuǎn)變壓器的工作參數(shù)，如相移等，可能會(huì)導(dǎo)致電驅(qū)系統(tǒng)魯棒性較低，容易觸發(fā)旋變故障。如某型號(hào)旋轉(zhuǎn)變壓器的相位角為±10.7°，相匹配的電機(jī)控制器旋變信號(hào)解析電路的相移接近33.3°，則可能會(huì)導(dǎo)致整車運(yùn)行過程中信號(hào)受到干擾情況時(shí)，整體相移大于解碼芯片要求的±44°閾值導(dǎo)致鎖相異常，報(bào)出旋變故障。如圖7，電機(jī)控制器旋變信號(hào)解析電路就存在7.8微秒即28°的相移，疊加上旋轉(zhuǎn)變壓器的相移則接近故障閾值，因此，在受到信號(hào)干擾時(shí)容易出現(xiàn)間歇性的旋變故障。

4 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障分析方法

旋變故障的排查方法：

（1）檢查接插件是否存在破損、退針、進(jìn)水等異常；

（2）從電機(jī)控制器端測(cè)量電機(jī)的旋變阻值，確認(rèn)其是否存在異常；如存在異常，需進(jìn)一步測(cè)量電機(jī)端的旋變阻值，如電機(jī)內(nèi)部異常還是信號(hào)傳輸?shù)木€束存在破損；如無(wú)異常，則為電機(jī)控制器內(nèi)部存在異常；

（3）拆下信號(hào)傳輸線束，對(duì)線束進(jìn)行X光掃描，檢查是否存在斷線、短接的失效形式；

（4）檢查電機(jī)透氣閥是否破損、丟失；

（5）拆開電機(jī)檢查電機(jī)旋變本體是否有凝露、是否損壞等；

（6）拆開電機(jī)控制器，檢查PCB板的接插件、電子電路是否有損壞。

5 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障改進(jìn)手段

（1）信號(hào)傳輸線束、接插件采用抗振等級(jí)較高的型號(hào)，建議電機(jī)線束導(dǎo)線采用抗振線芯注塑后外包波紋管；

（2）旋變線束的布置應(yīng)避免應(yīng)力集中，盡量采用U型布置方案，電機(jī)端扎帶卡扣固定建議采用鈑金件打螺栓固定；

（3）旋變本體的安裝工藝，需有專門的作業(yè)指導(dǎo)書，避免員工錯(cuò)誤操作；

（4）旋變故障的診斷采用魯棒性高的診斷策略以及自恢復(fù)策略，確保旋變信號(hào)在受到干擾丟失一兩幀信號(hào)時(shí)仍然能夠正常工作，以及確保故障恢復(fù)后軟件能及時(shí)恢復(fù)至正常狀態(tài)。

6 結(jié)論

電驅(qū)系統(tǒng)的旋變故障是一個(gè)常出現(xiàn)、難攻關(guān)、涉及多部件的問題，本文對(duì)一些常見的旋變故障案例進(jìn)行總結(jié)，為初學(xué)者進(jìn)行旋變信號(hào)電路設(shè)計(jì)以及進(jìn)行旋變故障排查提供指導(dǎo)。

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