電機(jī)零位角對(duì)電機(jī)扭矩精度測(cè)試的影響研究

唐容輝，黃薪槐，胡慧婧，王祥恩，韋錦波

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西汽車新四化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545007）

引言

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的扭矩精度提升和研究有重要意義。本文以實(shí)際應(yīng)用的某款永磁同步電機(jī)（以下稱該電機(jī)）為例進(jìn)行分析。

1 扭矩精度測(cè)試平臺(tái)

該電機(jī)扭矩精度測(cè)試工作如圖1所示的硬件平臺(tái)上進(jìn)行。圖1中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器為被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，通過測(cè)功機(jī)和變頻柜對(duì)被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速，電池模擬器為被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源，通過功率分析儀、電流互感器和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器提供測(cè)試信號(hào)。主要信號(hào)包括母線電壓U、母線電流I、請(qǐng)求扭矩TdemE、實(shí)際扭矩TORQUE、轉(zhuǎn)速SPEED。每個(gè)電機(jī)和電機(jī)控制器廠商對(duì)扭矩精度的技術(shù)要求各不相同。但基本上都是要求較為嚴(yán)格，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以100 N·m為分水嶺，具體計(jì)算公式為：扭矩小于等于100 N·m時(shí)：TORQUE-TdemE=扭矩精度；扭矩大于等于100 N·m時(shí)：（TORQU-TdemE）/TdemE×100%=扭矩精度。（注：TORQUE為扭矩傳感器采集到的電機(jī)實(shí)際扭矩，TdemE為電機(jī)請(qǐng)求扭矩）

2 旋變零位角

研究電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的扭矩精度，主要是確定在實(shí)際使用中電機(jī)的輸出扭矩是否達(dá)標(biāo)且穩(wěn)定，是否能達(dá)到改善整車性能的目的，因此在電機(jī)的開發(fā)過程中，利用電機(jī)臺(tái)架平臺(tái)測(cè)試電機(jī)全速范圍內(nèi)的扭矩精度具有重大的意義。

零位角是影響扭矩控制精度的一個(gè)重要參數(shù)。電機(jī)零位角全稱為電機(jī)位置零位偏角，對(duì)電機(jī)輸出扭矩精度至關(guān)重要。當(dāng)旋變零位角存在±2的電角度偏移時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩在低速無/弱磁區(qū)約有±3 N·m的誤差，且在高速弱磁區(qū)約有±8 N·m的誤差[1]。

2.1 旋變零位偏角

根據(jù)電機(jī)的矢量控制技術(shù)，以三相永磁同步電機(jī)為例子，確定各個(gè)坐標(biāo)系。一是以定子UVW作為參考，定子繞組的軸線相差120°，確定靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC。二是靜止坐標(biāo)軸αβ，α軸與A軸重合，超前α軸90度為β軸。三是轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系dq，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)的N極中心軸線作為直軸d軸，而超前d軸90度的位置定義為交軸q軸，dq軸是以轉(zhuǎn)子同步的角速度ω旋轉(zhuǎn)，假設(shè)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎鐖D2所示。四是旋變零位是指旋變位置零位，旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置就是電氣零位，輸出電壓即為零位電壓，假設(shè)當(dāng)dq軸坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至d′q′位置時(shí)，旋變實(shí)際測(cè)量所輸出的角度為零，則定義d′軸位置為旋變零位，旋變零位是固定不變的。五是旋變零位與A軸的夾角δ為旋變零位偏角，即電機(jī)需要標(biāo)定的角度，如下頁(yè)圖3所示。六是旋變實(shí)際測(cè)量輸出的角度θ，下頁(yè)圖3中d軸與旋變零位重合，當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則旋變零位會(huì)與d軸形成一個(gè)夾角θ，如圖2所示，夾角θ就是旋變實(shí)際測(cè)量所輸出的角度。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至與d軸零位重合時(shí)，則旋變實(shí)際測(cè)量所輸出的角度θ=0，如下頁(yè)圖3所示。七是電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度θr，即d軸與A軸的夾角，如圖2所示，θr=θ+δ。

2.2 旋變零位偏角標(biāo)定的重要性

永磁同步電機(jī)的扭矩控制方式為矢量控制[2]，根據(jù)其原理，當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的永磁場(chǎng)和定子繞組產(chǎn)生的電磁場(chǎng)正交，電機(jī)輸出的扭矩達(dá)到最大化，因此，需要得到準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度θr，即準(zhǔn)確的θ和δ。在理想狀態(tài)下，旋變零位偏差的精度在電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)階段是確定的，即δ=0，但在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，由于零部件精度、加工誤差、安裝偏差等因素，會(huì)導(dǎo)致旋變安裝定位存在一定的偏差，因此每臺(tái)電機(jī)在出廠時(shí)都必須要檢測(cè)和標(biāo)定旋變零位偏角。

3 旋變零位角的標(biāo)定

根據(jù)電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)波形，可以正確反推出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角度波形。在臺(tái)架標(biāo)定電機(jī)的過程中，使用電機(jī)測(cè)功機(jī)將被標(biāo)定電機(jī)反拖至相應(yīng)的轉(zhuǎn)速下，通過功率分析儀采集到反電動(dòng)勢(shì)波形，進(jìn)而推算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度的波形，如圖4所示。其次，通過電機(jī)上位機(jī)的軟件控制，使被標(biāo)定電機(jī)的電機(jī)控制器進(jìn)入主動(dòng)短接的工作狀態(tài)，即讓三相IGBT進(jìn)入“上橋臂全導(dǎo)通/下橋臂全關(guān)斷”或“上橋臂關(guān)斷/下橋臂全導(dǎo)通”的工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)定子繞組與全導(dǎo)通橋臂的IGBT構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生的三相電流波形也可以解算出轉(zhuǎn)子位置角度和旋變零位角。通過此方法標(biāo)定得到的電機(jī)旋變零位偏角精度較高。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

該電機(jī)零位角偏差1.6度與零位角標(biāo)定精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 零位角超差1.6度與標(biāo)定精準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以得知，與電機(jī)零位角的超差1.6°相比，經(jīng)過重新標(biāo)定零位角后，扭矩精度超差點(diǎn)由10個(gè)減少為3個(gè)，表現(xiàn)較好，于整車而言，解決了加速無力、能耗高等問題。電機(jī)廠商能否批量控制電機(jī)零位角處于一個(gè)較高的精度，對(duì)于目前新能源車型來說十分重要，直接影響到整車的動(dòng)力發(fā)揮以及能耗。一款零位角標(biāo)定精確的電機(jī)，足以讓整車的性能提高一個(gè)層級(jí)。