環(huán)衛(wèi)車上裝電機(jī)及控制器故障模式研究

李建華，袁 峰，王銀輝

（長(zhǎng)沙普羅科環(huán)境裝備有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

2017年3月5日，李克強(qiáng)總理在兩會(huì)政府報(bào)告中提出“強(qiáng)化機(jī)動(dòng)車尾氣處理，鼓勵(lì)使用新能源汽車”。純電動(dòng)汽車隨即在乘用車、商用車和專用車領(lǐng)域大力推廣。電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車輛穿梭在城市的大街小巷，助力城市的環(huán)境衛(wèi)生保潔、垃圾收運(yùn)、霧霾治理和綠化灌溉。

環(huán)衛(wèi)車上裝電機(jī)系統(tǒng)用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，其主要組成部分有電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器及各種傳感器等。由于永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度高和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，在電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車行業(yè)，上裝亦采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電能來自底盤動(dòng)力電池。

環(huán)衛(wèi)車作業(yè)工況惡劣，在復(fù)雜的工作環(huán)境下，動(dòng)力及其控制系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的故障，本文主要針對(duì)上裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障模式進(jìn)行研究，并結(jié)合工況制定合理的應(yīng)對(duì)策略，保障上裝功能的穩(wěn)定性，對(duì)提升車輛的出勤率具有良好意義。

1 上裝電機(jī)系統(tǒng)組成

上裝電機(jī)系統(tǒng)主要由永磁同步電機(jī) （以下簡(jiǎn)稱電機(jī)） 和驅(qū)動(dòng)器組成，其系統(tǒng)組成參見圖1，驅(qū)動(dòng)器輸入端與直流母線相連，輸出端與電機(jī)相連，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見圖2。

電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，包括定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、軸承、散熱水套、位置傳感器 （旋轉(zhuǎn)變壓器）、機(jī)座等。參見圖3。

圖2 電機(jī)系統(tǒng)電氣拓?fù)浜?jiǎn)圖

圖3 永磁同步電機(jī)組成簡(jiǎn)圖

電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以根據(jù)永久磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同劃分為3大類：面貼式、內(nèi)嵌式和內(nèi)埋式。具體的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。本項(xiàng)目所使用電機(jī)均為內(nèi)嵌式。

圖4 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，需要采用專用電機(jī)控制器。電機(jī)控制器的組成包括電源模塊、IGBT （或MOSFET）、穩(wěn)壓電容、驅(qū)動(dòng)電路、微處理器、采樣模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、CAN通信模塊、電流電壓傳感器、溫度傳感器、位置傳感器、水套、高低壓連接器、銅排和機(jī)殼。電機(jī)控制器組成如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制器組成簡(jiǎn)圖

2 電機(jī)和電機(jī)控制器的工作原理

電機(jī)系統(tǒng)本身就是一個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)，其涉及電機(jī)學(xué)、電磁學(xué)、電力電子、機(jī)械學(xué)、熱學(xué)、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)。

2.1 電機(jī)工作原理

電機(jī)是一種以磁場(chǎng)為媒介、以電磁理論為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換裝置，其工作包含兩種模式：電動(dòng)模式和發(fā)電模式。

電機(jī)在工作時(shí)，電機(jī)的氣隙里建立一個(gè)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會(huì)在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，這就是電動(dòng)模式；反之，若從軸上輸入機(jī)械能，同時(shí)從線圈取走電能，這就是發(fā)電模式。其工作原理圖參見圖6。

圖6 永磁同步電機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

2.2 電機(jī)控制器工作原理

電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)組成參見第1章節(jié)，主要功能便是將直流電源輸出的直流電轉(zhuǎn)化為永磁同步電機(jī)所需的交流電，因此其又被稱作直流/交流 （DC/AC，逆變器） 變換器。電機(jī)控制器系統(tǒng)模塊參見圖7。

圖7 電機(jī)控制器系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)圖

電機(jī)控制器是電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其控制性能直接影響電動(dòng)機(jī)的輸出特性。因此其必須滿足在不同的轉(zhuǎn)速下，輸出特定的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩即為需求轉(zhuǎn)矩。為了實(shí)現(xiàn)這一要求便需要對(duì)永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，這也是電機(jī)控制技術(shù)的核心任務(wù)。電機(jī)控制的核心部件為傳感器、電機(jī)控制器，通過二者可時(shí)刻掌握轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)，并計(jì)算電機(jī)在各時(shí)刻的需求電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

由于電機(jī)具有交流三相繞組的結(jié)構(gòu)，電機(jī)控制器一般都由6個(gè)電力半導(dǎo)體器件組成。IGBT是當(dāng)今電驅(qū)系統(tǒng)中最常用的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，其綜合了GTO電力晶體管和MOSFET電力場(chǎng)效應(yīng)管的特性。電機(jī)控制器中最為核心的便是控制算法，其中最為常用的永磁同步電機(jī)控制技術(shù)為磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)。

3 電機(jī)系統(tǒng)常見故障分析

在實(shí)際工程中，電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵和油泵。電機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在灰塵、水和油污環(huán)境下，環(huán)境惡劣；同時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)被安裝在上裝動(dòng)力平臺(tái)上，外部有罩蓋遮擋，空間密閉，不利于散熱，出現(xiàn)故障在所難免。為了更好地歸納故障現(xiàn)象、種類和產(chǎn)生原因，文中對(duì)電機(jī)和控制器常見故障進(jìn)行分類，分為電器故障、機(jī)械故障和電磁故障。更進(jìn)一步地對(duì)故障種類的危機(jī)程度進(jìn)行了定義，分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)。

3.1 電機(jī)常見故障分析

電機(jī)的滾動(dòng)軸承長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或潤(rùn)滑不充分，會(huì)導(dǎo)致其故障發(fā)生的頻率最高，定子繞組類故障次之。軸承故障會(huì)導(dǎo)致軸承彼此摩擦，異常振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀軸承；定子繞組故障，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和平均輸出功率下降，嚴(yán)重會(huì)造成搭鐵故障，而燒毀電機(jī)。

大部分電機(jī)故障都是綜合故障且相互影響，為了更好地描述電機(jī)的故障，文中把電機(jī)故障分為電器故障、電磁故障和機(jī)械故障。電機(jī)故障列表及分析參見表1。

表1 電機(jī)故障列表及分析

3.2 電機(jī)控制器常見故障分析

根據(jù)第2章描述，電機(jī)控制器涉及集成電路、半導(dǎo)體芯片、傳感器、微處理器多門學(xué)科，考慮到集成電路、傳感器、外圍附件和電磁兼容等因素影響。在實(shí)際工程中，電機(jī)控制器出現(xiàn)故障的幾率比電機(jī)要大。文中列舉了部分常見故障，參見表2。

表2 電機(jī)控制器故障列表及分析

3.3 故障歸納分析

由于現(xiàn)實(shí)工程項(xiàng)目中，隨時(shí)都有可能發(fā)生故障，故障的監(jiān)測(cè)必須具有實(shí)時(shí)性，所以故障診斷都是通過各種傳感器采集所需的物理量，再通過分析采集到的物理量進(jìn)行是否存在故障以及何種故障的判斷。因此必須要對(duì)前文中所列舉的電機(jī)和控制器故障進(jìn)行歸納。歸納后的故障列表參見表3。

重要性反應(yīng)了故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響大小，危險(xiǎn)等級(jí)會(huì)導(dǎo)致硬件損壞，系統(tǒng)功能喪失；危險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)下，電機(jī)處于故障狀態(tài)，部分功能下降，達(dá)不到實(shí)際使用要求。

3.4 電機(jī)系統(tǒng)故障等級(jí)分析

在實(shí)際工程中，電機(jī)系統(tǒng)的電源為底盤動(dòng)力電池提供的直流電源，電池的電壓受單體電芯電壓影響，如磷酸鐵鋰電池，電壓在2.6～3.6V，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為537.6V，其電壓范圍為436.8～604.8V，最高和最低相差168V，幅差較大。同時(shí)，因?yàn)閯?dòng)力電池的電壓檢測(cè)方法原因，在電池放電時(shí)，其電壓平臺(tái)會(huì)拉低，電流越大，拉低效果越明顯；在電池充電過程中，電池被施加一個(gè)較大的電壓去給動(dòng)力電池充電，在充電末段，電壓上升非常緩慢，直至電池達(dá)到充電截止電壓，考慮到電壓采集誤差和電池過充導(dǎo)致電池組電壓升高情況。對(duì)于過壓、欠壓、過流類故障，應(yīng)按照硬件特性進(jìn)行細(xì)化，不能單一地按照有無故障去衡量，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定不同等級(jí)。MCU母線過壓設(shè)置為2個(gè)級(jí)別。其它電流、溫度均采用相同方法設(shè)置兩個(gè)級(jí)別。電機(jī)系統(tǒng)故障分級(jí)參見表4。

表3 電機(jī)系統(tǒng)故障歸納

需要特別指出的是表4中所列舉的參數(shù)閾值均為作者所研發(fā)項(xiàng)目定義值。

表4 電機(jī)系統(tǒng)故障分級(jí)列表

在車輛使用過程中，上裝受到猛烈撞擊、振動(dòng)或接插件存在品質(zhì)缺陷情況下，CAN總線會(huì)存在通信故障。這種故障下，MCU收不到上裝控制器發(fā)送的指令，會(huì)立即停機(jī)，可能導(dǎo)致IGBT損壞，高壓接觸器粘連，使得硬件損壞。對(duì)于此類情況，只存在兩種狀態(tài)，有故障和無故障。其故障對(duì)系統(tǒng)的影響程度不同，又分為2級(jí)故障和3級(jí)故障。電機(jī)系統(tǒng)故障參見表5。

表5 電機(jī)系統(tǒng)故障列表

4 電機(jī)系統(tǒng)故障處理策略

基于第3章節(jié)中描述的永磁同步電機(jī)和控制系統(tǒng)的各種故障現(xiàn)象、故障造成的結(jié)果及故障原因，從上裝控制層面做出相應(yīng)控制，避免電機(jī)系統(tǒng)帶故障作業(yè)。進(jìn)一步地，對(duì)于一些不嚴(yán)重的故障，如系統(tǒng)1級(jí)故障采用儀表顯示，輔以語音提示，部分功能不受影響 （如卸料等）。上裝控制器主動(dòng)降低使用功率，使得負(fù)載不至于突然中斷；如系統(tǒng)2級(jí)故障，上裝控制器主動(dòng)請(qǐng)求功率置零，以避免電機(jī)和控制器進(jìn)一步受損。對(duì)于系統(tǒng)3級(jí)故障，上裝控制器主動(dòng)請(qǐng)求斷開電機(jī)控制器高壓電源。制定的故障處理機(jī)制參見圖8。

在實(shí)際工程中，電機(jī)和電機(jī)控制器系統(tǒng)所涉及的1、2、3級(jí)故障眾多，為了更好地將故障等級(jí)和電機(jī)系統(tǒng)故障對(duì)應(yīng)起來，有必要將電機(jī)和控制器所產(chǎn)生的故障和系統(tǒng)故障對(duì)應(yīng)起來，這樣就形成了總的故障等級(jí)。故障分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系參見圖9、圖10、圖11。

圖8 故障處理機(jī)制圖

5 結(jié)論

文中首先介紹了電機(jī)和電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析了電機(jī)系統(tǒng)存在的機(jī)械故障、電器故障和電磁故障，進(jìn)一步從故障現(xiàn)象分析出電機(jī)和電機(jī)控制器的故障類別和重要等級(jí)，推導(dǎo)出在工程應(yīng)用中適用的電機(jī)和電機(jī)控制器故障列表，最終構(gòu)建出電機(jī)系統(tǒng)故障列表，并制定了相應(yīng)的處理策略。

圖9 1級(jí)故障列表

圖10 2級(jí)故障列表

在環(huán)衛(wèi)車上裝電動(dòng)化的進(jìn)程中，永磁同步電機(jī)受到廣泛使用，制定完善的處理機(jī)制對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和上裝功能的穩(wěn)定性具有良好的促進(jìn)作用。

圖11 3級(jí)故障列表