电动汽车电机旋转变压器及其解析电路失效分析及优化

李新成　姚琛　罗文庆　高桂芬　邵杰

摘 要：近年来，随着电动汽车的热销，其售后质量也引起了广泛的关注。其中旋转变压器作为电机的位置传感器，承担着控制电机驱动的核心作用。虽然旋转变压器具有结构可靠、抗干扰能力强、适用于恶劣的环境等优点，但是一旦损坏或者信号解析电路失效，整车将面临扭矩失控的极大风险。因此，本文分析了旋转变压器及其解析电路的失效模式并提出相应的设计改进的方案。

关键词：电动汽车 旋转变压器 失效模式

1 引言

获取转子位置信息是实现永磁同步电机矢量控制的基础[1]，旋转变压器由于结构可靠、抗干扰能力强、适用于恶劣环境等优点[2]，被广泛用作电机转子的位置传感器。旋转变压器及其解析电路，包含旋转变压器、励磁芯片、激励输出及回采电路、正余弦传输及处理电路、解码芯片、主控芯片等，作为高精度信号的处理回路[3]，每一个环节出现问题，都会引起整个系统的失效，设计过程很难充分考虑每一个环节，因此，研发过程及售后出现的旋变故障，均应受到高度重视，并进行逆向排查，以不断完善产品设计。本文汇总分析了研发及售后出现的电动车旋变故障类型并提出相应的优化方法，为后续电动汽车的研发及故障排查提供指导。

2 旋转变压器及其解析电路故障

旋转变压器位于驱动电机的内部，包括定子和转子两部分。定子位于驱动电机端盖，转子位于驱动电机转轴的轴端，与驱动电机转轴同步旋转，并在定子线圈中感应出相应的正余弦信号。正余弦信号通过信号传输电路被传递给旋变解码芯片，经过解码得到转轴的位置及速度信息，这些信息被反馈至主控芯片，进行精确电机转矩控制。旋转变压器及其解析电路出现故障时，将导致无法采集到正余弦信号或信号失真，无法正确解码出电机转子的位置及速度信息，此种情况即为旋变故障。

3 旋转变压器及其解析电路故障模式

3.1 电机控制器旋转变压器解析电路失效

电机控制器旋转变压器解析电路包括了PCB板上的处理芯片及配套电路、接插件，常见的失效模式有旋变解码芯片失效、PCB板失效、电机控制器内部接插件失效等。

（1）旋变解码芯片失效，一般是由于芯片生产、运输过程、装配过程中存在的磕碰及静电损坏风险导致的失效;

（2）PCB板失效，一般是PCB板生产过程中返修导致，返修一般采用手工焊的方式，其质量及流程不可控，容易出现虚焊的现象如图2，导致传输过程中旋变信号失真，出现旋变故障；

（3）電机控制器内部接插件失效，一般为PCB板上的接插件耐振动等级不满足要求，导致旋变信号传输不稳的问题，因此一般要求PCB板上的接插件满足标准QC/T 1067  V2等级的振动要求。

3.2 旋转变压器信号传输线束失效

在电机控制器与驱动电机之间的信号传输，需要用到外部线束，由于与频繁振动的驱动电机相连接，线束失效的几率提高。线束失效的形式有以下几种：

（1）与其他部件磨损导致失效

线束布置不合理或者装配不当时，线束可能会与整车其他零部件发生干涉，经过长期相互摩擦，可能会出现线束磨损甚至断开的情况，导致旋变信号传输受到影响，出现信号失真甚至丢失的问题，引起旋变故障。因此，在设计前期，应避免线束的干涉问题，并在线束外表附上波纹管等保护措施。

（2）自身振动导致内部铜线断裂失效

若电机与电控之间固定线束的卡扣未扣好，线束大幅度振动，内部铜线经过长时间的拉扯将出现断裂，如图3。出现内部断裂时，由于仍有编制网及外皮的保护，信号失真或丢失的问题只会间歇性出现，导致整车间歇性报旋变故障。在这种情况下，需在摇晃线束的情况下测量旋转变压器阻值以定位原因。

（3）表皮与编制网摩擦导致的失效

在极限运动或左倾等恶劣工况下，电机端卡扣绑扎处信号线弯折剧烈，由于扎带边缘锋利导致信号线受到较大的压力，线内表皮与编织网等不断摩擦，导致线束损伤，如图4，这种失效形式需剥开线束表皮方可发现异常。

3.3 接插件失效

电机控制器与信号传输线束、电机与信号传输线束均需通过接插件实现硬连接，整车组装及维修保养过程中需进行插拔，在插拔过程中有可能会造成接插件的损伤。接插件的失效可分为公端失效和母端失效，公端失效通常为针脚歪斜和针脚腐蚀，这种失效形式可通过肉眼进行识别。常见的母端失效形式有端子退出、端子回缩、线束断裂、扩孔等，如图5。为避免这些失效形式，拆装时应避免暴力拆装，测量信号时应按要求进行测量。

3.4 旋转变压器本体失效

旋转变压器本体失效也是出现旋变故障的原因之一，一般是由于外界作用导致的，可分为：

（1）旋转变压器定子转子安装位置超出范围导致sin和cos信号失真

旋转变压器的定子和转子轴向位置超差，旋变输出信号幅值偏小。旋变定转子径向位置超差，旋变信号输出幅值偏小及大小波。导致旋变解码芯片解码过程中出现锁相错误，报出旋变故障。因此安装工艺相当重要，定子的固定应当采用防松的工艺。

（2）旋转变压器定子线圈异常导致失效

旋转变压器来料不良或者安装不当时，定子线圈会受到破损，产生短路或者断路的故障，旋转变压器不能正常输出sin和cos信号，导致旋变故障。

（3）旋转变压器物理性破坏

由于旋转变压器的工作跟驱动电机转轴息息相关，因此电机转轴工作异常会对旋转变压器造成影响，常见的失效形式为：驱动电机转轴的轴承异常磨损导致旋转变压器转子跟定子相互摩擦导致磨损失效，电机持续在极端工况下工作，导致的过热破坏旋转变压器；因此需关注驱动电机的轴承润滑情况以及设计合理的电机热平衡管理策略。

3.5 电机和电控不匹配导致失效

旋转变压器有特定的电气参数，在研发过程中如进行电机控制器旋变信号解析电路设计时不考虑旋转变压器的工作参数，如相移等，可能会导致电驱系统鲁棒性较低，容易触发旋变故障。如某型号旋转变压器的相位角为±10.7°，相匹配的电机控制器旋变信号解析电路的相移接近33.3°，则可能会导致整车运行过程中信号受到干扰情况时，整体相移大于解码芯片要求的±44°阈值导致锁相异常，报出旋变故障。如图7，电机控制器旋变信号解析电路就存在7.8微秒即28°的相移，叠加上旋转变压器的相移则接近故障阈值，因此，在受到信号干扰时容易出现间歇性的旋变故障。

4 旋转变压器及其解析电路故障分析方法

旋变故障的排查方法：

（1）检查接插件是否存在破损、退针、进水等异常；

（2）从电机控制器端测量电机的旋变阻值，确认其是否存在异常；如存在异常，需进一步测量电机端的旋变阻值，如电机内部异常还是信号传输的线束存在破损；如无异常，则为电机控制器内部存在异常；

（3）拆下信号传输线束，对线束进行X光扫描，检查是否存在断线、短接的失效形式；

（4）检查电机透气阀是否破损、丢失；

（5）拆开电机检查电机旋变本体是否有凝露、是否损坏等；

（6）拆开电机控制器，检查PCB板的接插件、电子电路是否有损坏。

5 旋转变压器及其解析电路故障改进手段

（1）信号传输线束、接插件采用抗振等级较高的型号，建议电机线束导线采用抗振线芯注塑后外包波纹管；

（2）旋变线束的布置应避免应力集中，尽量采用U型布置方案，电机端扎带卡扣固定建议采用钣金件打螺栓固定；

（3）旋变本体的安装工艺，需有专门的作业指导书，避免员工错误操作；

（4）旋变故障的诊断采用鲁棒性高的诊断策略以及自恢复策略，确保旋变信号在受到干扰丢失一两帧信号时仍然能够正常工作，以及确保故障恢复后软件能及时恢复至正常状态。

6 结论

电驱系统的旋变故障是一个常出现、难攻关、涉及多部件的问题，本文对一些常见的旋变故障案例进行总结，为初学者进行旋变信号电路设计以及进行旋变故障排查提供指导。

参考文献：

[1]段卓琳.一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法［J］．微特电机，2019，49（10）：72-75.

[2]田帅．永磁同步电机位置传感器故障诊断与容错控制研究［D］. 背景：北京交通大学，2020.

[3]孙俊婷. 旋转变压器定子绕组开路故障的分析与处理［J］．微特电机，2019，47（5）：40-45.