电动汽车永磁同步电机电流控制故障分析研究

黄薪槐 胡慧婧 杨秋霞 何渊 韦锦波 李大旺 黄祖朋

摘  要：作为电动汽车的核心功能部件“三电”之一的驱动电机系统稳定性是整车性能的关键因素。驱动电机系统的效率直接影响续航里程;输出扭矩的稳定性直接影响整车的NVH;可靠性直接影响整车的安全性。电流控制故障是较为严重的驱动电机系统故障，对效率、扭矩输出平顺性以及可靠性均有影响。文章主要分析了电流控制故障发生的现象与危害、发生的工况以及原因。

关键词：驱动电机系统;电流控制故障;现象与危害;原因

中图分类号：TM341 文献标志码：A         文章编号：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

隨着国六标准的实施，国家对汽车排放标准越来越严格，同时在国家政策的指引下，新能源汽车技术越来越成熟。作为新能源汽车中“零排放”的纯电动汽车具有绿色环保，出行成本低，且维护保养简单等优点，逐步受到市场的青睐。驱动电机系统是纯电动汽车重要的核心部件，其稳定性对整车性能起着关键作用。永磁同步电机相对交流感应等电机具有效率高、功率密度大的优点，其应用在纯电动汽车中十分广泛。本文针对电动车用永磁同步电机系统发生的电流控制故障进行分析研究，对驱动电机的控制稳定性具有重要意义。

2 永磁同步电机控制方法

永磁同步电机的控制方法常用的有恒压频比、直接转矩控制以及矢量脉宽调制法。恒压频比法属于开环控制，无电机转子位置、转速反馈，控制精度不高，动态响应较差。直接转矩控制是在定子静止坐标构建磁链和电磁转矩模型，通过改变电压矢量实现磁链和转矩的BANG-BANG控制，该控制方法简单、转矩响应好，在要求高瞬态扭矩响应场合应用广泛，但是在低转速时控制频率低，扭矩脉动大，在电动汽车上应用，其表现为起动性能不好，抖动较为剧烈。矢量控制是通过坐标变换把检测的定子三相电流、磁链等矢量分解到转子同步坐标上，沿转子磁链方向的矢量称直轴励磁电流（id），正交于转子磁链方向的矢量称交轴转矩电流（iq），通过调节励磁电流和转矩电流实现不同的控制目标，该控制方法可以获得较高的速度和扭矩控制精度，而且稳态和动态的响应良好。电动汽车上永磁同步电机的控制一般运用这一控制方法。根据控制目标不同，矢量控制可以细分为恒转矩角控制、最大功率因数控制、最大转矩/电流比控制以及弱磁控制等[1]。本文主要针对矢量控制的永磁同步电机电流控制故障分析。

3 电流控制故障现象与危害

电动车用永磁同步电机电流控制故障在实车上表现为车在较高车速，突然猛加速过程发生整车抖动。严重者在行车过程中电机工作状态失控，从而导致严重后果。在台架上表现为，电机在高转速，并输出较大扭矩时，电机振动变大，直流端电流波动变大，扭矩不稳定，同时可以听到机械摩擦的声音，而电池模拟器端电压也随之波动，最后电机控制精度逐渐变差，扭矩精度严重时超过10Nm。发生电流控制故障时，汽车NVH明显变差，影响驾驶感受，并存在一定的安全隐患，在行车过程中应当避免。

4 电流控制故障发生工况

在台架上复现电流控制故障时发现，当逆变器直流端电压较低时，电机在较低转速段大扭矩工况会发生电流、扭矩波动情况。当直流端电压较大时，电流控制故障则发生在较高转速、较大扭矩工况。

不同控制器在额定电压下6000rpm，200Arms时的三相交流电流波形如图1、图2，发现两家控制器交流电流波形均出现锯齿形，但A家明显波形较差，峰值不稳定。

5 电流控制故障原因分析

5.1 旋变信号波形畸变

电机旋变信号是指电机内置测速旋转变压器反馈的电机转子转速、位置的信号。当旋变信号波形发生畸变时，速度闭环控制会出现波动，引起整个控制系统振荡，发生电流控制故障。在台架上复现故障时，发现发生电流控制故障的旋变信号波形存在畸变。图3为发生电流控制故障时电机旋变信号波形，从图中可看出余弦信号波形比激励信号波形和正弦波形毛刺多。

图3 发生电流控制故障时电机旋变信号波形

5.2 电机高速运转时弱磁控制不稳定

（1）PI调节参数不合适。永磁同步电机矢量控制中包含电机转子转速PI调节以及直轴、交轴电流PI调节。如果系统PI参数选择不好，控制目标也会趋于发散，导致控制系统失稳，发生控制故障[2]。在解决电流控制故障问题过程中，因为需要兼顾不同电压等级下所有高转速段的控制效果，发现通过修正PI调节参数获得的结果并不理想。

（2）电压畸变，导致控制算法不准。车用电机控制器一般多用电压源型逆变器，在永磁同步电机矢量控制中，需通过坐标变换获得控制目标，作为控制算法中重要变量-逆变器的相电压往往不可直接测量，直接用目标值替代实际值。由于功率器件的非理想性以及电流逆变过程中存在的死区时间，逆变器相电压实际值往往与目标值存在较大差异，导致控制算法不准确，引起系统振荡，发生电流控制故障[3]。

（3）电机标定不准确。车用永磁同步电机控制一般是通过标定的方法获得比较理想的直轴电流id以及交轴电流iq控制目标值，在电机工作过程中通过查表实现在各个电压等级、各个转速、各个扭矩下最优控制。在电机标定过程影响精度的因素也很多，例如电机温度，标定设备的转速、扭矩精度等，如果电机标定不准确，id/iq目标值出现偏差，也同样会引发电流控制故障。

（4）母线电压稳定对电流控制故障影响。在台架上复现电流控制故障过程中，發现使用不同电池模拟器对同一产品在相同工况下进行测试，发现母线电压稳定能力较强设备实验电流控制故障更容易发生，但使用电压稳定较差的设备复现问题时，电机三相电流和扭矩波动依然是较大，同时直流母线段电压波动也比较大。这与电池模拟器的PID调节能力有关，当电机控制器PID调节失稳时，如果直流母线段端电压PID调节能力加强，会加剧电机电流PID振荡，更容易发生电流控制故障。同理在实车上，动力电池的稳压能力对电流控制有类似的影响。

6 总结与展望

电机控制器电流控制的稳定性对纯电动汽车的NVH、续航里程以及行驶安全具有关键性作用，随着电机控制技术的日益发展，电机控制器的性能也越来越稳定，给大家带来更安全、更舒适的绿色出行方式。

参考文献：

[1]谢超艺.适应纯电动汽车运行的电机控制器算法研究[D].广西科技大学，2015：16-33.

[2]任劲松，刘栋良.永磁同步电机弱磁控制中过调制算法的应用[J].工业控制计算机，2016，29（03）：133-136.

[3]周传炜.电动车用永磁同步相电压补偿策略研究[D].哈尔滨工业大学，2015：19-20.

[4]郭强，李强.三相永磁同步电机直接转矩控制技术研究[J].机械工程与自动化，2016，02：193-194.

[5]李小彤.永磁同步电机矢量控制策略的研究与实现[D].济南大学，2017：7-19.