HEV电机驱动系统驱动信号故障建模分析

刘志强 王 宇

（中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春 130011）

主题词：HEV 电机驱动系统 PWM驱动 故障仿真 故障特征

1 前言

混合动力汽车起动、制动、加速/减速频繁，且常工作在高转矩/低速爬坡、大功率/低转矩高速行驶等特殊工况下，这就极易造成电驱动系统发生故障[1-2]。作为整个电机驱动系统核心的电机控制器能否正常工作与电机驱动系统是否能发挥正常性能有着直接关系[3-5]，其中逆变器中的功率开关器件是较薄弱的环节，容易引发故障。一旦这些薄弱环节出现故障，电机驱动系统整体较易失去正常运行能力，进而导致恶性事故，甚至车毁人亡。因此，对电机控制器的故障诊断有重要研究价值。本文对电机控制器中功率器件的驱动信号开路故障进行故障建模与诊断分析，并提出HEV用电机控制器该类故障的故障特征。

2 电机驱动系统模型

图1给出了混合动力汽车用永磁同步电机驱动系统控制框图。给定转速nref与传感器测得的实际转速n做差运算，得到转速误差，再经过PI调节器得到q轴给定电流isqref，它与q轴反馈电流isq的偏差经过电流PI调节器，得到0dq旋转坐标系下的相电压分量vsqref；d轴给定电流isdref=0，它与反馈电流isd的偏差经过电流PI调节器，得到0dq旋转坐标系下的相电压分量vsdref；借助测速模块得到的电机转速θe，vsqref和vsdref经Park逆变换转换成0αβ直角坐标系下的定子相电压矢量分量 vsαref和 vsβref；利用电压空间矢量 SVPWM 技术产生的PWM控制信号实现对逆变器功率变换单元的控制[6]。图2为搭建的永磁同步电机驱动系统MATLAB/Simulink仿真模型。

图1 电机驱动系统控制框图

图2 电机驱动系统MATLAB/Simulink仿真模型

3 PWM驱动信号开路故障仿真模型

如前所述，混合动力车用电机驱动系统工作环境复杂，如果车辆频繁的起动、制动、加速/减速，特别是行驶在颠簸的路况时，更易引发故障。当前电机控制器的集成度较低，其控制板与驱动板之间通常是靠排线连接在一起的，因此驱动系统故障率相对较高的环节便容易受排线问题困扰而易引起驱动信号故障，如控制器中功率器件驱动信号丢失或功率器件驱动信号紊乱等。本节利用上节搭建的MATLAB/Simulink仿真模型对电机驱动系统PWM驱动信号故障进行仿真分析，进而对这类故障进行故障特征分析及故障特征提取，重点找出故障电流特征。

电机控制器中的逆变器结构包含6个开关管，由电压空间矢量控制下有8个工作状态，可以归纳出4种特征故障组合，本节针对这6个功率开关管的驱动信号进行故障处理，仿真出故障时的电流波形，并与正常情况时作比对，进而找出4种故障状态下的故障特征。电机驱动系统PWM驱动信号故障的框图见图3。非故障功率开关管驱动信号已经正常定义，下面给出故障定义。

图3 电机驱动系统PWM驱动信号故障框图

故障状态1：A相桥臂上、下桥臂功率开关管驱动信号F9、F10开路；

故障状态2：B相上桥臂功率开关管驱动信号F11开路；

故障状态3：B相上桥臂和C相下桥臂驱动信号F11、14开路；

故障状态4：B相上桥臂和C相上桥臂驱动信号F11、F13开路[7]。

除了以上定义的故障状态，其余三管以及多于3个开关管的故障都会导致电机驱动系统停止工作。

4 仿真结果与分析

模拟故障被测电驱动系统关键参数包括电机控制参数和电机本体参数。其中电机控制参数如下：给定转速1为1 500 r/min，给定转速2为2 000 r/min，负载转矩15 N·m[7]。电机本体参数如下：电机定子电阻0.535 8Ω，电机磁通0.058 18 Wb，电机dq轴电感0.729 mH，电机极对数4，电机转子转动惯量0.014 4 kg·m2，。

图4为故障状态1的电流波形。从波形的畸变程度看，故障相电流几乎为零，正常两相电流为相位差接近180°的对称全波输出。从电流幅值上看，故障相电流几乎为零，正常相电流幅值接近正常时的2倍。

图4 故障状态1下的输出电流波形

图5 为故障状态2下的电流波形。从波形的畸变程度看，故障相电流为半波输出，是上半波还是下半波取决于该相是上管还是下管故障，正常相电流为畸变的全波输出。从电流幅值上看，故障相畸变电流幅值接近正常时的1.6倍。

图6为故障状态3电流波形。从波形的畸变程度看，故障相电流为半波输出，是上半波输出还是下半波输出取决于故障相是上管还是下管故障，正常相电流为畸变的全波输出。从电流幅值上看，故障相和正常相的电流幅值接近为正常时的2倍。

图5 故障状态2下的输出电流波形

图6 故障状态3下的输出电流波形

图7 为故障状态4电流波形。从波形的畸变程度看，故障相电流同为下半波输出，正常相为与故障相相反的畸变半波输出，这种故障现象与三相三管发生故障中的两相同位置开关管故障中的另一相非同位置开关管故障现象相同。从电流幅值上看，故障相和正常相的电流幅值接近为正常时的3倍，这种故障的危害最大。

通过模型仿真结果分析得出以下故障特征：

（1）故障所在相的电流波形发生畸变；

（2）电流半波输出；

（3）三相电流幅值较正常电流幅值增大。

图7 故障状态4下的输出电流波形

5 结论

基于MATLAB/Simulink建立了HEV电机驱动系统PWM驱动信号开路故障仿真模型，由仿真分析得出，电机控制器驱动信号开路故障会对电驱系统有较大影响，不同位置驱动信号开路所造成的电流波形畸变和电流过流程度不同，这为进一步的故障模拟和故障特征提取实验提供了具有一定意义的参考信息。