HEV電機驅動系統驅動信號故障建模分析

劉志強 王 宇

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130011）

主題詞：HEV 電機驅動系統 PWM驅動 故障仿真 故障特征

1 前言

混合動力汽車起動、制動、加速/減速頻繁，且常工作在高轉矩/低速爬坡、大功率/低轉矩高速行駛等特殊工況下，這就極易造成電驅動系統發生故障[1-2]。作為整個電機驅動系統核心的電機控制器能否正常工作與電機驅動系統是否能發揮正常性能有著直接關系[3-5]，其中逆變器中的功率開關器件是較薄弱的環節，容易引發故障。一旦這些薄弱環節出現故障，電機驅動系統整體較易失去正常運行能力，進而導致惡性事故，甚至車毀人亡。因此，對電機控制器的故障診斷有重要研究價值。本文對電機控制器中功率器件的驅動信號開路故障進行故障建模與診斷分析，并提出HEV用電機控制器該類故障的故障特征。

2 電機驅動系統模型

圖1給出了混合動力汽車用永磁同步電機驅動系統控制框圖。給定轉速nref與傳感器測得的實際轉速n做差運算，得到轉速誤差，再經過PI調節器得到q軸給定電流isqref，它與q軸反饋電流isq的偏差經過電流PI調節器，得到0dq旋轉坐標系下的相電壓分量vsqref；d軸給定電流isdref=0，它與反饋電流isd的偏差經過電流PI調節器，得到0dq旋轉坐標系下的相電壓分量vsdref；借助測速模塊得到的電機轉速θe，vsqref和vsdref經Park逆變換轉換成0αβ直角坐標系下的定子相電壓矢量分量 vsαref和 vsβref；利用電壓空間矢量 SVPWM 技術產生的PWM控制信號實現對逆變器功率變換單元的控制[6]。圖2為搭建的永磁同步電機驅動系統MATLAB/Simulink仿真模型。

圖1 電機驅動系統控制框圖

圖2 電機驅動系統MATLAB/Simulink仿真模型

3 PWM驅動信號開路故障仿真模型

如前所述，混合動力車用電機驅動系統工作環境復雜，如果車輛頻繁的起動、制動、加速/減速，特別是行駛在顛簸的路況時，更易引發故障。當前電機控制器的集成度較低，其控制板與驅動板之間通常是靠排線連接在一起的，因此驅動系統故障率相對較高的環節便容易受排線問題困擾而易引起驅動信號故障，如控制器中功率器件驅動信號丟失或功率器件驅動信號紊亂等。本節利用上節搭建的MATLAB/Simulink仿真模型對電機驅動系統PWM驅動信號故障進行仿真分析，進而對這類故障進行故障特征分析及故障特征提取，重點找出故障電流特征。

電機控制器中的逆變器結構包含6個開關管，由電壓空間矢量控制下有8個工作狀態，可以歸納出4種特征故障組合，本節針對這6個功率開關管的驅動信號進行故障處理，仿真出故障時的電流波形，并與正常情況時作比對，進而找出4種故障狀態下的故障特征。電機驅動系統PWM驅動信號故障的框圖見圖3。非故障功率開關管驅動信號已經正常定義，下面給出故障定義。

圖3 電機驅動系統PWM驅動信號故障框圖

故障狀態1：A相橋臂上、下橋臂功率開關管驅動信號F9、F10開路；

故障狀態2：B相上橋臂功率開關管驅動信號F11開路；

故障狀態3：B相上橋臂和C相下橋臂驅動信號F11、14開路；

故障狀態4：B相上橋臂和C相上橋臂驅動信號F11、F13開路[7]。

除了以上定義的故障狀態，其余三管以及多于3個開關管的故障都會導致電機驅動系統停止工作。

4 仿真結果與分析

模擬故障被測電驅動系統關鍵參數包括電機控制參數和電機本體參數。其中電機控制參數如下：給定轉速1為1 500 r/min，給定轉速2為2 000 r/min，負載轉矩15 N·m[7]。電機本體參數如下：電機定子電阻0.535 8Ω，電機磁通0.058 18 Wb，電機dq軸電感0.729 mH，電機極對數4，電機轉子轉動慣量0.014 4 kg·m2，。

圖4為故障狀態1的電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流幾乎為零，正常兩相電流為相位差接近180°的對稱全波輸出。從電流幅值上看，故障相電流幾乎為零，正常相電流幅值接近正常時的2倍。

圖4 故障狀態1下的輸出電流波形

圖5 為故障狀態2下的電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流為半波輸出，是上半波還是下半波取決于該相是上管還是下管故障，正常相電流為畸變的全波輸出。從電流幅值上看，故障相畸變電流幅值接近正常時的1.6倍。

圖6為故障狀態3電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流為半波輸出，是上半波輸出還是下半波輸出取決于故障相是上管還是下管故障，正常相電流為畸變的全波輸出。從電流幅值上看，故障相和正常相的電流幅值接近為正常時的2倍。

圖5 故障狀態2下的輸出電流波形

圖6 故障狀態3下的輸出電流波形

圖7 為故障狀態4電流波形。從波形的畸變程度看，故障相電流同為下半波輸出，正常相為與故障相相反的畸變半波輸出，這種故障現象與三相三管發生故障中的兩相同位置開關管故障中的另一相非同位置開關管故障現象相同。從電流幅值上看，故障相和正常相的電流幅值接近為正常時的3倍，這種故障的危害最大。

通過模型仿真結果分析得出以下故障特征：

（1）故障所在相的電流波形發生畸變；

（2）電流半波輸出；

（3）三相電流幅值較正常電流幅值增大。

圖7 故障狀態4下的輸出電流波形

5 結論

基于MATLAB/Simulink建立了HEV電機驅動系統PWM驅動信號開路故障仿真模型，由仿真分析得出，電機控制器驅動信號開路故障會對電驅系統有較大影響，不同位置驅動信號開路所造成的電流波形畸變和電流過流程度不同，這為進一步的故障模擬和故障特征提取實驗提供了具有一定意義的參考信息。