電動汽車電機控制器故障注入測試系統(tǒng)研究

[摘要] 電驅(qū)系統(tǒng)是電動汽車的重要組成部分，目前國標(biāo)關(guān)于電機控制器的安全性試驗主要針對控制器放電及搭鐵狀態(tài)的測試。本文主要介紹一種電機控制器故障注入測試系統(tǒng)，涉及電機模擬系統(tǒng)和故障注入類型研究，利用電機模擬器對電機控制器建立永磁同步電機模型的測試系統(tǒng)，并進行高壓故障及旋變故障注入。此測試系統(tǒng)研究希望給相關(guān)從業(yè)者帶來一些啟發(fā)。

[關(guān)鍵詞] 永磁同步電機模型；故障模擬；電機控制器

中圖分類號：U469.72 " 文獻標(biāo)志碼：A " " 文章編號：1003—8639（2023）07

Research and application summary of fault injection test system for electric vehicle motor controller

Yinghao Nong，Manrong Liang，Qiuxia Yang，Huijing Hu

（SAIC GM Wuling Automobile Co. Ltd.，Guangxi Key Laboratory of Automobile New-Four Future，Liuzhou 545007 China）

Abstract： Electric vehicles in China's market gradually occupy the main position，manufacturers for the vehicle configuration upgrade is also accelerating. Motor drive system as the main power core of electric vehicles，the motor controller function and safety is very worthy of consideration，for its function and safety test research methods are gradually improved. This paper mainly introduces a motor controller fault injection testing system，involving motor simulation system and fault injection type research，using motor simulator for motor controller to establish a permanent magnet synchronous motor model testing system and high voltage fault and spin fault injection，hoping to inspire related practitioners.

Key words： PMSM； Fault simulation； Motor controller；

收稿日期：2022-12-08

作者簡介：農(nóng)英豪（1997—），男，研究方向為新能源汽車整車及零部件測試。

電動汽車在中國市場逐漸占據(jù)主要地位，各廠商對于整車配置的升級也在不斷加快。電機驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車的主要動力核心，電機控制器功能性和安全性非常值得考量，如國標(biāo)《GB/T 18488.2—2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》對電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)中電機控制器的安全性測試主要在第8節(jié)中有所提及[1]，國標(biāo)《GB/T3859.1—2013半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分：基本要求規(guī)范》的7.5.3小節(jié)也對電機控制器的保護裝置試驗主要涉及電流保護裝置、快速熔斷器、過電壓保護裝置等內(nèi)容[2]。隨著時間的推移，針對功能和安全性的汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善。

近年來，各大主機廠及造車新勢力車型更新迭代迅速，對產(chǎn)品要求也越來越嚴(yán)格，縮短研發(fā)周期、提高研發(fā)效率是主要目標(biāo)，相應(yīng)地，對于研發(fā)機構(gòu)來說，更高效、安全的測試方法和系統(tǒng)是必要的。本文主要介紹試驗室使用的電機控制器故障注入測試系統(tǒng)及使用總結(jié)，拓寬從業(yè)者對電機控制器測試的方法渠道及試驗思路。

1 "測試現(xiàn)狀分析

經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)外試驗研發(fā)機構(gòu)比較成熟的電機控制器的功能驗證測試方法主要基于3個等級[3]，如圖1所示。

1）信號級測試：基于DSPACE、NI PXI等平臺的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)輸入輸出均為低電壓信號，該測試系統(tǒng)對大多數(shù)測試部件利用仿真建模軟件模擬，主要應(yīng)用在控制器板卡的前期設(shè)計、功能基礎(chǔ)測試，可以快速地對相關(guān)參數(shù)進行實時編輯和修改。

2）機械級測試：基于總成測試設(shè)備，需要實體電機以及對拖測功機連接，主要應(yīng)用在電驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)完成后，對控制器和實體電機的配合及性能的驗證。

3）功率級測試：對控制器實體進行測試，測試系統(tǒng)需要提供控制器下端輸出高電流和大電壓的負(fù)載吸收裝置，該測試存在一定危險性，并且成本較高，主要應(yīng)用于控制器功率器件的特性測試。

2 "測試系統(tǒng)介紹

本測試系統(tǒng)是基于電機控制器功率級測試所建設(shè)的，由于電動汽車動力回路具有高電壓、大電流的特點[4]，此測試臺架主要由控制器供電模塊、環(huán)境模擬及被測件冷卻系統(tǒng)、電機模擬器、上位控制機等通信控制測量設(shè)備組成（圖2）。其中，電機控制器的直流母線端可在整車實體動力電池包與電池模擬器中自行切換，下端連接電機模擬器，溫濕度環(huán)境艙作為環(huán)境模擬及測試隔離空間，充分保護測試人員的安全。

相較于其他研發(fā)機構(gòu)傳統(tǒng)的功率級測試，該測試系統(tǒng)能降低操作及運行風(fēng)險，通過增加斷路器及控制切換板卡，可以實現(xiàn)高壓端故障模擬及旋變信號故障模擬等功能。

3 "建立電機模型

永磁同步電機模型的常規(guī)方法有線性模型和考慮飽和諧波的有限元模型[5]，其中傳統(tǒng)電機線性模型又分為基于三相靜止坐標(biāo)、兩相靜止坐標(biāo)系（α-β）和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）建模。

3.1 "三相靜止坐標(biāo)系

定子三相電壓數(shù)學(xué)公式如下：

4 "試驗準(zhǔn)備及總結(jié)

4.1 "試驗前檢查

1）電機模型參數(shù)導(dǎo)入，在進行電機故障注入測試系統(tǒng)使用前，核對被測電機控制器下端電機模型參數(shù)是否正確，首先對真實電機120℃下的電感磁鏈矩陣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后導(dǎo)入MATLAB中進行仿真（圖3），確保圖形曲線平滑且效率區(qū)間無損失。

2）測試線束及隔離環(huán)境確認(rèn)，按照控制器線束原理正確連接被測控制器與臺架，按照：①直流母線正、負(fù)級接線；②交流輸出端接線；③旋轉(zhuǎn)變壓器激勵正負(fù)信號、sin+/-信號、cos+/-信號依次核對無誤后，清理環(huán)境艙內(nèi)遺落的工具螺栓等，檢查搭鐵線束后關(guān)閉并鎖定環(huán)境艙的艙門。

3）測試系統(tǒng)參數(shù)及限值設(shè)定，清空測試間內(nèi)無關(guān)人員后，在測試開始前還需要對被測件、環(huán)境溫濕度等參數(shù)進行限值設(shè)定，如使用供電單元，輸入電壓不能高于被測控制器的峰值電壓。

4）控制器匹配調(diào)試，啟動測試系統(tǒng)，按照真實電機的初始角及效率圖譜對被測電機控制器進行匹配調(diào)試，通過設(shè)定不同的電機轉(zhuǎn)速及扭矩，通過比對CAN報文讀取的被測控制器與電機模擬器反饋的id、iq值，逐步調(diào)整修正模擬器的角度偏差，使模擬器反饋的轉(zhuǎn)速、扭矩及功率與被測控制器采集數(shù)據(jù)接近（圖4），即控制器匹配調(diào)試完成，由此可以開始進行故障注入測試。

圖4 "電機模擬器轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-功率示意圖

4.2 "故障注入測試結(jié)果

被測控制器取自某品牌適配30kW電機型號，分別進行旋變故障注入及噪聲故障注入測試，并取得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1）低壓線束短接測試，在旋變切換控制單元中對激勵＋信號和旋變cos-進行短接（圖5），持續(xù)時間不小于60s，然后按照額定工況下運行電機控制器。

噪聲注入故障測試，在額定工況運行狀態(tài)下，在故障注入模塊中分別輸入白/粉噪聲波形幅值及頻率，并用示波器采集該狀態(tài)下的旋變波形，如圖6所示。

5 "總結(jié)展望

經(jīng)多次使用及結(jié)果分析，該測試系統(tǒng)的功率輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度會依賴于電機模型的精度，而對于電機控制器的功能驗證及安全性能驗證具有較為良好的表現(xiàn)，同時通過增加環(huán)境隔離艙和控制切換板，能有效降低研發(fā)人員受到觸電傷害的風(fēng)險。在后續(xù)試驗過程中，如要提高試驗準(zhǔn)確性，應(yīng)在獲取電機電感磁鏈矩陣的數(shù)據(jù)上要求精度更為嚴(yán)格，這樣才能保證功率測試精度。

參考文獻：

[1]GB/T 18488.2—2015，電動汽車用電機及其控制器 第2部分：試驗方法[S].

[2]GB/T 3859.1—2013，半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分：基本要求規(guī)范[S].

[3]張璐. 電機控制器硬件在環(huán)測試平臺開發(fā)及應(yīng)用研究[D]. 包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2021.

[4]施一新，楊林，楊坤. 電動汽車高壓電連接電阻故障測試系統(tǒng)開發(fā)[J]. 汽車技術(shù)，2016（8）：48-52.

[5]李昊龍. 永磁同步電機模擬器的研究[D]. 柳州：廣西科技大學(xué)，2020.

[6]陳濤. 考慮交叉飽和、交叉耦合及結(jié)構(gòu)諧波的永磁同步電機參數(shù)模型[J]. 電機與控制應(yīng)用，2012，39（12）：11-15.

（編輯 "凌 "波）