PLC技术下新能源汽车电机驱动系统故障检测

2023-10-24薛红华

时代汽车 2023年20期

薛红华

摘要：近些年，空气污染和能源危机状况逐渐显现，各国逐渐注重发展清洁绿色环保能源，特别是针对汽车业。新能源车以绿色环保和低能耗的观念很快被各国接纳，并且投进充足的资金推动产业成长，使之变成未来交通工具发展的关键目标。但因目前已使用地方法不下开展电动汽车电机系统故障诊断的手段。依据电机问题，在PLC技术下，结合核方法和主成分分析法，将电机驱动器故障状态参数非线性数据转换为线性化内容。

关键词：PLC技术新能源汽车电机驱动系统故障检测

1 引言

汽车是人们出行的重要工具，大家对车辆驾驶的安全性与平稳性的要求很高侗时车辆的关键动力源一电机驱动系统，假如系统出现问题，汽车的总体均会遭到或多或少的影响，还可能会发生机毁人亡的状况。因此，发展新能源车电机驱动系统故障测试技术是迫在眉睫。

2 试验电动机的选型

汽车供电系统能通过燃料电池电堆或燃料发电机组系统实现送电，能量存储体系能够运用化学储电池或超级电容器。永磁体为无限期磁体，不必激磁能够在很低转动速度下维持同步运作，低速档时输出扭矩大，另外永磁电机转动速度与电流频率维持同步关联，操控电流频率就可操控电机转速[1]。永磁电机有运作效率高、转矩密度高及其转矩平稳性强的特性，振动与噪声偏小，几乎可忽视。因而，永磁电机在新能源汽车行业获得了普遍使用。

2.1 永磁电机的构造

永磁电机和传统电机相同，主要包括定子转子两部分组成。永磁电机构造等同于其他的一些电动机，都是有着两个部件：电枢绕组与。转子通常由永磁材料，转子铁芯和转动轴组成。永磁电机有项独特性，无非就是把控好该电动机的驱动方式，得先根据管控电枢的工作电流，但是必须处理的问题在于要随时直至转子的部位。因为一般的永磁电动机都是会另装转子相位传感器，即时掌握转子的部位。

2.2 永磁电机工作原理与特点

永磁电动机的原理与三相马达类似。电机驱动器里的逆变电源将供电电源所提供的直流电源调配为三相正弦波形电流电压，输进永磁电动机三相绕组后，形成三相对称工作电流。在正弦波形工作电流和永磁感生电动势影响下形成电磁转矩，拉动转子伴随电磁振荡以同样的运动速度转动。

转动速度为：N=N1=60fi/Np

N：转子转动速度（r/min）N1：同步转动速度fi：三相正弦波形电流电压频率

车用永磁电动机的把控由电机驱动器完成。通常采用闭环控制和直接转矩控制。闭环控制将定子电流分解成正交的两大矢量，一种与磁链同向，表示定子电流激磁矢量，另外一个与磁链角度正交和，表示定子电流起动转矩矢量，各自加以控制就可以操控永磁电机转速与起动转矩。永磁电动机转动速度与电流频率同步操作，配有转差，不会受到转子转动速度干扰，在永磁电动机上比较容易完成闭环控制[2]。直接转矩控制不用操控轉动坐标更换与转子磁性链接变向，起动转矩替代工作电流变成受控目标，电压是操控系统唯一导入，直接操作起动转矩和磁链的提高或减少，就可以实现对电动机转速和起动转矩的把控。

2.3 优势之处

永磁电动机为直流无刷电机，其体型轻便、结构紧凑、运作靠谱、功率大、控速性好这类优点，更有工作噪音小，控制参数强的特点，另外不用无功功率励磁电便可以明显功率因数补偿，降低了定子电流和定子铜耗，并且在平稳运行中没转子铜耗，从而能够因总消耗减少而降低风机和对应的风摩消耗，进而使其效果比同型号感应电机可提升2-8个基点，在用以新能源电动车当做驱动工作上算很合适考量的目标。

3 电机的故障问题

3.1 电机线圈的绝缘故障

电动机长时间工作状态下，过电流、过电压或因自身的电力电子器件衰老导致毁坏，太高的温度与高负荷机械振动这类型的极端的工作状态，都会造成焊锡丝接触不良，所引发的就是绕组的绝缘故障。当绝缘故障发生的时候，电动机的各交流电流大小不一，电动机输出扭矩降低而起动转矩起伏显著增加。在汽车行驶流程中，电动机输出扭矩的异常波动就会影响乘车人舒适度，紧急状况下有可能造成车辆侧翻，进而危害车里乘车人及其他人的安全。

3.2 电机线圈的短路故障问题

短路故障问题是永磁电动机中非常严重的故障其一。依据出现短路的故障机制研究得出，引发出现短路的原因很多，较为常见的是由于长时间运作绕组温度太高以后导致的绝缘层材料简短乃至无限期毁坏，假如检测出绝缘无效的情况下，电机可能会停用；还有是因为电动机自身部件衰老，加之外界因素湿冷情况，可能会出现突然的过压状况[3]。内部原因去分析便是电动机长期高强度工作导致的提早衰老，外部原因乃是外界因素的恶劣情况引发的部件功能降低。

新能源汽车的工作方式与燃油汽车基本相同，这种永磁电动机便要经常开启、反复起停、还有承担高温与外界低温环境。依据探究电动机的工作环境发觉，一般点开真实运行中的负载都是会超出规定值，而且有些电动机是远远超过最高值，如果总是过载状况下长期运作，难以避免的便是形成各种问题，特别是最频频出现的相间短路状况。当前对短路故障问题的研究内容为3个方位：短路故障问题的检查，短路故障问题对系统电流电压、工作电流等参数值干扰还有短路故障问题出现后要采取的容错操控对策。

在考虑到输电线并绕及其电导体在槽中具体划分的情况下，对同一电动机定子绕组的短路故障问题大概可以分为下列几种，依次是：（a）电机绕组相间短路；（b）同两色电机绕组出现短路；（c）不一样两色电机绕组出现短路；（d）电机绕组局部短路。如下图所示。在这当中，当电机绕组相间短路故障发生的时候，因为永磁材料它的存在，出现短路匝时会一下子形成相当大的短路容量，进而出现短路匝处快速起热，造成绝缘层毁坏，最后可引起相间短路或电机绕组局部短路等[4]。因而，电机绕组相间短路能够称之为所有短路故障问题的根源，具体发生的时候可以说是这几点短路故障问题中一类或多种的搭配。

3.3 电动机的温度情况

驱动系统的功率对新能源电动车而言有着巨大的意义，为了提升驱动系统的功率，应用时电动机的电磁感应负荷一般选择的非常高，相继而来的自然就是电动机的温度升高和冷却情况。温度若不能得到控制，继续升温能让我们的永磁材料磁力降低，工作效能极大降低，若不能及早发现并给出合理的解决，今后造成的便是去磁状况，它是无法恢复的，就是检修过程中遇到只有及时更换，而难以重回正常运转。因此可见，对电动机的温度情况要进行探讨。

4 电机系统故障归纳

一级故障问题，这是新能源汽车非常严重的故障级别。发生此故障不但车子没法行驶，还可能会威胁人身生命安全同时对周边环境带来一定的伤害，发生后关键零配件通常存在损毁。该类故障被称作致命的故障，比较常见的故障原因为：电机驱动器功率单元过电压问题和BMS问题。

二级故障，这一问题的发生算不上最重的，但假如未能及早发现并解决，很容易发生更深层次故障。发生该故障会先干扰安全驾驶，然后车子未能行驶，另外就是全车功能会存在比较明显的衰弱，另外就是造成全车和相关关键零件的严重受损，比如电动机或是电机驱动器。通常称作严重的故障，比较常见的故障原因为：电机驱动器相电流过电压、电动机连接点遗失、汽车档位传感器故障、IGBT问题和旋转变压器出现异常等。

三级故障问题，这一问题发生会引发电动机发生异常，可是并不能出现严重危害。发生此类问题通常不会干扰安全驾驶，车子能够继续驾驶，固然会造成一定的零配件毁坏，但并不是关键零部件，解决办法也比较简单。通常也称为一般故障，易出现的故障原因为：油门踏板传感器故障、低电压欠电压保护问题、BMS单个欠电压保护、电动机发生超速行驶控制板出现缓冲作用。

四级故障问题，此类问题一般不影响正常地驾驶，是一些零部件发生异常，在能够容错机制的范围之内，通常当做检修提醒。发生此类问题车子正常运转，一般也并不需换零配件，在引导下能够进行高质量简单解决[5]。这个人们通常称之为轻度问题，常见的现象有：电机驱动系统温度感应器问题、VCU不正常或是直流欠电压保护问题。

这里对其中一部分问题开展简易阐述，以及问题发生的初始条件，更简洁明了的了解其问题。

过电流问题，这儿涵盖了提速过电流、降速过电流和稳速过电流三类过电流。这个问题通常是对应的在工作流程（提速、降速、稳速）中，驱动程序传递的工作电流超出过流点，通常以交流输出电压暂态值当做问题判定标准。

过电压问题，这儿涵盖了提速过电压、降速过电压和稳速过电压三类过电压。这个问题通常是指提速、降速或是稳速环节中，电容电压超出过压值，以直流母线电压暂态值当做问题判定标准。

电机过载问题，电机电流超出设置的超负荷曲线，以交流输出电压一段时间里超出值域当做问题判定标准。

驱动器热管散热器超温，驱动程序的排热温度太高，以温度感应器检验的暂态值当做问题判定标准。

电机过热问题，这儿主要是指电动机温度太高，以温度感应器检测出的暂态值当做问题判定标准。

速度偏离太大，电动机现实转动速度与预设值间偏离超过限定值一段时间，这类检测只在速度调整模式中开展。

二级问题的发生，这种问题为严重的问题，当遇到此类故障，对电机驱动系统比较好的处理方法便是马上关掉电机驱动器的工作电流导出，排故后才可以运作。三级问题的发生，这种问题为一般故障，当遇到此类故障，对电机驱动系统的处理方法便是能够继续运作，等候VCU的今后解决。四级问题的发生，这种问题为轻度问题，当遇到此类故障，对电机驱动系统的处理方法便是继续运作，等候VCU的今后解决，而大多数将进行降电功率。

5 PLC技术下电动汽车电机驱动系统故障诊断

在PLC技术之下，把核方法与主成分分析法二者融合，将空间离散系统数据转换为线性内容，对之前获取的电机系统故障参量开展化简操控，以实现新能源车电机系统的故障诊断。下面提供详细的操作步骤：

开展主成分分析法的关键目的在于实现故障参量化简，主要是对映射信息所有开展中心化解决，确切的公式是：

公式里：n-基本参数选值;k-元素总量。

在PLC技术下，融合核方法和主成分分析法开展空间数据转化，确切的交换过程，以下式表达：

k（x，z）=（x·z+1）

根据模糊核聚类分析开展故障诊断，聚类分析法在故障特征匹配中占有非常关键的位置。在没有先验的情况下，将信息样本分成好几个不同类型的子集或是类，此方法被广泛应用在不同研究行业中[6]。模糊控制通常是建立模糊聚集，根据数组元素，进行程序设计语言撰写，获得最后的策略方案。

模糊控制器一般是由知识库系统与规则引擎二者所组成的，模糊控制归类便是在以上所述环境中产生的，以优异的原理及其特性被广泛应用在不同类型的研究行业中。

设置必须分门别類的样本量为X=[X1，X2，

...，xn]T，样本是Xi，提取的特点矢量矢量是fi，当中fij表示第i个样本的第j个特征向量。

在相关剖析的前提下，选用模糊核聚类分析法法对新能源车电机系统故障信息进行聚类，聚类结果就是故障诊断结论。实际公式是：

公式中：uy聚类源项，依照聚类计算总结，进行新能源车电机系统故障诊断。