利用旋變軟解碼研究分析車用永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度

李輝LI Hui

（創(chuàng)驅(qū)（上海）新能源科技有限公司，上海 202612）

0 引言

背景介紹：

近些年來，新能源汽車在我國高速發(fā)展，并逐步替代傳統(tǒng)燃油車成為市場(chǎng)主流。與之相配套的，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也逐步替代傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，成為新能源汽車動(dòng)力總成的核心系統(tǒng)。新能源汽車的迅猛發(fā)展促進(jìn)了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用。然而，電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度的精確測(cè)量對(duì)于電機(jī)性能乃至整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，因此成為了本研究的重點(diǎn)。

研究目的：

永磁同步電機(jī)由于制造、安裝等原因，電機(jī)定轉(zhuǎn)子的同心度往往存在一定的偏差，這種偏差會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的氣隙空間分布不均勻，進(jìn)而影響電機(jī)的磁場(chǎng)分布、電磁特性和機(jī)械運(yùn)行，最終影響電機(jī)的性能和壽命。因此，研究車用永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度的測(cè)量和評(píng)估方法具有重要的理論和實(shí)際意義。本文提出的基于旋變軟解碼技術(shù)的同心度檢測(cè)方法，不僅提高了測(cè)量的精準(zhǔn)度，還簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程，具有更廣泛的適用性和更高的效率。

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)目前對(duì)車用永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度的檢測(cè)方法比較有限，主流采用的檢測(cè)技術(shù)手段基本都是直接檢測(cè)，即通過測(cè)量儀器或者視覺檢測(cè)等手段直接檢測(cè)定轉(zhuǎn)子中心差?？傮w而言，可以分為以下幾種：

1.1.1 采用機(jī)器視覺檢測(cè)

該方法主要采用光學(xué)成像原理，對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行自動(dòng)圖像采集和處理，通過觀察電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的軸向位置偏差，自動(dòng)判斷檢測(cè)結(jié)果。該方案自動(dòng)化程度高，能夠滿足電機(jī)下線檢測(cè)例如測(cè)量精度和過程節(jié)拍等要求。缺點(diǎn)是，由于高精度視覺檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)成像、照明、圖像處理及檢測(cè)等過程控制要求高，設(shè)備價(jià)格昂貴而且維護(hù)成本高，目前主要依靠進(jìn)口。

1.1.2 采用專業(yè)測(cè)量儀器檢測(cè)

該方法使用專業(yè)的測(cè)量儀器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的軸向位置偏差進(jìn)行精確測(cè)量，以確定是否符合電機(jī)同心度標(biāo)準(zhǔn)。該方案同樣可以滿足高精度要求，缺點(diǎn)是，需要進(jìn)行人工目視檢測(cè)及判斷，同時(shí)根據(jù)不同測(cè)量位置對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速也有不同要求，用于下線檢測(cè)存在檢測(cè)節(jié)拍、檢測(cè)一致性等缺點(diǎn)，同時(shí)高精度檢測(cè)設(shè)備同樣價(jià)格昂貴而且維護(hù)成本高。

1.1.3 采用功能性檢測(cè)

該方法通過對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試，如振動(dòng)測(cè)試、噪音測(cè)試等，來評(píng)估電機(jī)的同心度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該方法以結(jié)果為導(dǎo)向，間接反饋電機(jī)同心度水平，更適合定性分析，當(dāng)產(chǎn)生的結(jié)果有多個(gè)原因時(shí)，可能得出錯(cuò)誤結(jié)論。

綜合來看，雖然機(jī)器視覺檢測(cè)和專業(yè)測(cè)量儀器檢測(cè)具有較高的精度，但成本高昂，維護(hù)困難。功能性檢測(cè)雖然操作簡(jiǎn)便，但容易產(chǎn)生誤判。相比之下，本文提出的基于旋變軟解碼的方法，在保持高精度的同時(shí)，大大降低了成本和維護(hù)難度。

1.2 旋變軟解碼技術(shù)的研究進(jìn)展

旋轉(zhuǎn)變壓器是新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最主要使用的角度傳感器，簡(jiǎn)稱旋變，通常安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)，由電機(jī)控制器進(jìn)行信號(hào)采集和解碼。由于該解碼技術(shù)復(fù)雜且關(guān)鍵，以往大多數(shù)電機(jī)控制器都會(huì)采用專用的解碼芯片，俗稱硬解碼芯片。此類芯片雖然體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，但其規(guī)格有限，同時(shí)價(jià)格昂貴，主要被美國ADI 和日本多摩川等公司所壟斷，很大程度上限制了其使用推廣。與之相對(duì)應(yīng)的，近些年來，隨著電機(jī)控制器主控芯片計(jì)算能力的日益增強(qiáng)和系統(tǒng)功能的推陳出新，英飛凌、NXP 和TI 等公司已經(jīng)推出了集成軟解碼技術(shù)方案的新一代單片機(jī)，并迅速為各家電機(jī)控制器零部件廠商所投入應(yīng)用。經(jīng)過重重測(cè)試驗(yàn)證，如今，旋變軟解碼技術(shù)方案已經(jīng)日趨成熟，其在永磁同步電機(jī)同心度檢測(cè)方面展示了顯著的優(yōu)勢(shì)，比如更高的測(cè)量精度和更低的成本，特別適合于大規(guī)模生產(chǎn)和在線檢測(cè)的需求。

1.3 文獻(xiàn)評(píng)述

綜上所述，傳統(tǒng)的電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度測(cè)量方法雖然精度高，但操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)和在線檢測(cè)。本文提出的方法，采用了旋變軟解碼的技術(shù)，利用電機(jī)控制器主控芯片的有利條件，通過嵌入式軟件來實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器的解碼過程。并以此為基礎(chǔ)，通過具有軟解碼功能的電機(jī)控制器向永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)安裝的旋變轉(zhuǎn)子注入高頻低壓勵(lì)磁信號(hào)，然后采集并解調(diào)從旋變定子返回的感應(yīng)電壓信號(hào)，通過對(duì)解調(diào)后正余弦信號(hào)波形的幅值進(jìn)行處理和比較，來檢測(cè)電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度。本研究不僅彌補(bǔ)了現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)在成本和效率上的不足，也為未來高效、低成本的電機(jī)同心度檢測(cè)提供了新的思路。

盡管旋變軟解碼技術(shù)在同心度檢測(cè)中表現(xiàn)出色，但仍需進(jìn)一步提高其抗干擾能力和適應(yīng)性。未來的研究應(yīng)著重于提升技術(shù)的穩(wěn)定性和適用范圍，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。

2 旋變軟解碼原理與方案

2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器介紹

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，具有誤差小、精度高、耐污耐塵、抗震動(dòng)、抗干擾、溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用來采集電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度和速度。旋變是一種特殊的變壓器，也是一種電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成，參見圖1。一方面它具有變壓器的特性，但和普通變壓器不一樣的是，旋變定子側(cè)電壓除了和繞組匝數(shù)相關(guān)，還和轉(zhuǎn)子所呈現(xiàn)的角度有關(guān)。另一方面，旋變又具備電機(jī)轉(zhuǎn)子可以旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，參見圖2。常見的旋變安裝方式是把磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子分別固定在電機(jī)對(duì)應(yīng)的定子和轉(zhuǎn)子上。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器電氣原理

2.2 旋變軟解碼基本原理

旋變解碼原理是向旋變轉(zhuǎn)子注入勵(lì)磁電流，假設(shè)施加于轉(zhuǎn)子上勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓為：

其中，ω 為勵(lì)磁信號(hào)的角頻率，Um為繞組端電壓幅值；此時(shí)在定子的正余弦輸出繞組上感應(yīng)出的電壓分別為：

其中，K 為旋轉(zhuǎn)變壓器的變比，θ 為旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子角度；

最后對(duì)感應(yīng)電壓及載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，利用公式計(jì)算出旋變轉(zhuǎn)子的角度：

所謂旋變軟解碼，即根據(jù)上述原理，通過嵌入式軟件來控制生成勵(lì)磁電流，并采集載波信號(hào)進(jìn)行處理與解調(diào)，最終得出旋變轉(zhuǎn)子角度及速度的過程。整個(gè)過程的波形信號(hào)參見圖3 和圖4。

圖3 旋變勵(lì)磁和載波信號(hào)

2.3 基于英飛凌單片機(jī)的軟解碼方案

利用英飛凌第二代TriCore 單片機(jī)Aurix 系列的DSADC（Delta Sigma ADC）模塊可以幫助實(shí)現(xiàn)旋變軟解碼功能。整個(gè)方案主要分為生成勵(lì)磁信號(hào)、采集和處理返回信號(hào)，具體實(shí)現(xiàn)參見圖5。

圖5 基于英飛凌Aurix 芯片的旋變軟解碼框圖

首先通過集成在DSADC 模塊中的載波生成器生成PWM 基波，再將基波時(shí)鐘進(jìn)行分頻獲得類似矩形波的初級(jí)勵(lì)磁信號(hào)，然后由外部激勵(lì)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理得到最終的正弦勵(lì)磁信號(hào)。在給旋變注入勵(lì)磁信號(hào)后，繼續(xù)利用模塊提供的DSADC 通道對(duì)從旋變返回經(jīng)過緩沖后的高頻正、余弦模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過反向整形和積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)的解調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法原理

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括被測(cè)永磁同步電機(jī)、電機(jī)控制器、高壓直流電源和低壓直流電源。其中，永磁同步電機(jī)和電機(jī)控制器內(nèi)部通過高壓連接U、V、W 三相，通過低壓連接旋變線束包括旋變勵(lì)磁信號(hào)和旋變返回信號(hào)；并通過高壓直流電源和低壓直流電源給電機(jī)控制器提供高壓和低壓，電機(jī)控制器把高壓直流電逆變成交流電并以U、V、W 三相輸出到永磁同步電機(jī)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)框架參見圖6，實(shí)際搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參見圖7。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)框架

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

控制器內(nèi)部通過上述英飛凌單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了旋變信號(hào)采集后的軟解碼方案，同時(shí)采集三相電流和母線電壓，并最終輸出六路PWM 波驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制IGBT 開關(guān)來逆變直流電源為交流電源。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)基于磁場(chǎng)定向的電流閉環(huán)控制，以及基于轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

①啟動(dòng)低壓直流電源給電機(jī)控制器供電，使電機(jī)控制器完成低壓上電初始化檢查，并通過旋變低壓線束向永磁同步電機(jī)注入高頻勵(lì)磁信號(hào)。②啟動(dòng)高壓直流電源給電機(jī)控制器供電，使電機(jī)控制器完成高壓上電初始化檢查，進(jìn)入等待狀態(tài)。③利用調(diào)試CAN 對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行在線測(cè)量標(biāo)定，使電機(jī)控制器進(jìn)入工作模式，控制電機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)，使電機(jī)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速（例如1000rpm）。④使用示波器采集旋變返回信號(hào)，實(shí)時(shí)記錄并分析單路sin/cos 載波波形。⑤利用調(diào)試CAN 對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行在線測(cè)量標(biāo)定，觀察并記錄電機(jī)控制器采集的對(duì)旋變返回信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后最終得到的包絡(luò)信號(hào)。

3.3 檢測(cè)原理

上述實(shí)驗(yàn)方法并不需要計(jì)算旋變軟解碼的最終結(jié)果，即旋變轉(zhuǎn)子角度及速度，而是利用旋變軟解碼的激勵(lì)生成和返回信號(hào)采集過程，通過對(duì)旋變返回信號(hào)的實(shí)時(shí)分析以及對(duì)旋變解調(diào)后的包絡(luò)信號(hào)的非實(shí)時(shí)分析，來檢測(cè)被測(cè)永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子的同心度。

永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子偏心是指電機(jī)內(nèi)部定子電樞的繞線分布中心（靜止部分）與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心（旋轉(zhuǎn)部分）未對(duì)準(zhǔn)的情況。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸心應(yīng)該與定子的幾何軸心相重合。假設(shè)通過過盈配合使得固定在電機(jī)內(nèi)部的定子已居中安裝，能夠保證氣隙間的磁密分布均勻，此時(shí)電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度偏差通常是由電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致的。

轉(zhuǎn)子偏心按照偏心方向可以分為徑向偏心和軸向偏心，以徑向偏心為例，參見圖8，定轉(zhuǎn)子間氣隙的固定變化將導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)電氣零位誤差，表現(xiàn)為電機(jī)輸出的正弦電流信號(hào)具有周期性大小波特性。假設(shè)使用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)，不存在旋變定轉(zhuǎn)子安裝誤差和制造誤差。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)定轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致的電氣零位誤差導(dǎo)致的大小波特性，將通過旋轉(zhuǎn)變壓器的返回信號(hào)表現(xiàn)出來，通過信號(hào)解調(diào)可以得到：

圖8 轉(zhuǎn)子徑向偏心示意圖

其中，D 為信號(hào)解調(diào)過程中產(chǎn)生的幅值變化系數(shù)，k1為正弦信號(hào)由于定轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致電氣零位誤差而產(chǎn)生的幅值偏移系數(shù)，k2為余弦信號(hào)由于定轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致電氣零位誤差而產(chǎn)生的幅值偏移系數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選擇一臺(tái)額定電壓350V 峰值功率35kW 峰值扭矩105NM 的六對(duì)極永磁同步電機(jī)，該電機(jī)屬于工廠售后返修件，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)存在定轉(zhuǎn)子偏心問題，電機(jī)轉(zhuǎn)子明顯偏向左側(cè)，參見圖9。

圖9 存在轉(zhuǎn)子徑向偏心的電機(jī)問題件

對(duì)該電機(jī)按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行定轉(zhuǎn)子同心度檢測(cè)，完成低壓和高壓上電后進(jìn)入工作模式，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)定在2000 轉(zhuǎn)/分鐘，使用示波器實(shí)時(shí)采集到的旋變返回電壓sin 信號(hào)如圖10、圖11。

圖10 轉(zhuǎn)子徑向偏心導(dǎo)致的旋變返回信號(hào)大小波——5 個(gè)波形周期

圖11 轉(zhuǎn)子徑向偏心導(dǎo)致的旋變返回信號(hào)大小波——2 個(gè)波形周期

4.2 結(jié)果分析

上述旋變返回sin 信號(hào)未進(jìn)行解調(diào)，但其外包絡(luò)已穩(wěn)定地呈現(xiàn)出周期性大小波特性，參見圖10，在截取到的5個(gè)連續(xù)波形周期內(nèi)，在每個(gè)周期的上半周期穩(wěn)定地出現(xiàn)大波，下半周期穩(wěn)定地出現(xiàn)小波。在圖11 中把波形范圍縮小到2 個(gè)周期進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，每個(gè)周期大波和小波峰峰值的差異基本相同，即整個(gè)正弦波形的零位由于定轉(zhuǎn)子偏心出現(xiàn)了上移，即公式6 中的幅值偏移系數(shù)k1為正值。由此，說明當(dāng)前被測(cè)電機(jī)存在的轉(zhuǎn)子徑向偏心問題。

5 結(jié)論與展望

本研究提供的檢測(cè)方法不僅提高了永磁同步電機(jī)同心度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，也為電機(jī)制造業(yè)的質(zhì)量控制提供了重要的技術(shù)支持，有助于提升電機(jī)性能和可靠性。后續(xù)研究方向應(yīng)著重開發(fā)自動(dòng)化的信號(hào)分析和判斷算法，以實(shí)現(xiàn)同心度偏差的全自動(dòng)化檢測(cè)和對(duì)同心度計(jì)算的進(jìn)一步精度量化。此外，對(duì)于轉(zhuǎn)子軸向偏心和其他復(fù)雜情況的研究，應(yīng)開發(fā)更高級(jí)的信號(hào)處理技術(shù)來識(shí)別和分析這些偏差。具體的研究內(nèi)容還包括：

①建立電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度與旋變返回信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)模型，解析信號(hào)零位偏差、幅值偏差等波形特征與同心度的線性或非線性關(guān)系，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法訓(xùn)練出全自動(dòng)化檢測(cè)的判斷閾值。

②利用高速測(cè)量標(biāo)定協(xié)議例如XCP 協(xié)議進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測(cè)量，把軟解碼解析后的包絡(luò)信號(hào)的數(shù)字波形先通過數(shù)組高速緩存，再離線進(jìn)行記錄保存，這樣便于后期的非實(shí)時(shí)分析和研究。

③本文所研究的定轉(zhuǎn)子偏心以轉(zhuǎn)子徑向偏心為例，實(shí)際上，這只是電機(jī)定轉(zhuǎn)子偏心的一個(gè)簡(jiǎn)化案例。進(jìn)一步地，可以繼續(xù)深入研究轉(zhuǎn)子軸向偏心，包括更復(fù)雜的，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子傾斜以及同時(shí)考慮定子偏心等情況。總之，以本文提供的方法為基礎(chǔ)，可以繼續(xù)通過對(duì)旋變返回信號(hào)特征的提取和分析，來一一識(shí)別出不同原因的電機(jī)定轉(zhuǎn)子同心度問題。