1、問(wèn)題描述
起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫宏達(dá)電機(jī)2022年7月28日訊 某電動(dòng)汽車（電驅(qū)總成采用前置前驅(qū)，電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，減速器與差速器為整體式結(jié)構(gòu)）在WOT工況時(shí)，車內(nèi)駕駛位置在電機(jī)轉(zhuǎn)速350 r/min附近出現(xiàn)轟鳴噪聲，主觀感覺(jué)車內(nèi)聲壓級(jí)較大且存在整車振動(dòng)沖擊現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)試得到駕駛位置在該工況下噪聲聲壓級(jí)及頻譜圖，如圖1~圖2所示。
圖1 WOT工況車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)
圖2 WOT工況車內(nèi)噪聲頻譜圖
由圖1可以看出在，在電機(jī)轉(zhuǎn)速350 r/min附近，車內(nèi)出現(xiàn)較高的噪聲峰值，車內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的轟鳴聲，這與主觀感受相同，并伴隨有整車振動(dòng)沖擊較大現(xiàn)象。
結(jié)合圖1產(chǎn)生異常噪聲的電機(jī)轉(zhuǎn)速并根據(jù)圖2車內(nèi)噪聲頻譜圖可知，該異常轟鳴噪聲頻率主要在120Hz附近，且存在撞擊現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)該噪聲頻譜進(jìn)行階次分析，發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題發(fā)生的階次頻率與減速器輸入軸齒輪階次（19階）頻率一致，故基本可以判斷該峰值問(wèn)題由電驅(qū)動(dòng)總成引起。
2、原因分析
為進(jìn)一步確認(rèn)該峰值問(wèn)題發(fā)生的根源及產(chǎn)生的原因，對(duì)電驅(qū)總成殼體進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析及基于CAN總線的故障診斷數(shù)據(jù)提取分析。
2.1 整車測(cè)試
在整車安裝狀態(tài)下，對(duì)WOT工況下電驅(qū)動(dòng)總殼體表面進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3所示。
（a）減速器殼體表面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置
（b）電機(jī)殼體表面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置
圖3 電驅(qū)動(dòng)總表面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置示意
電驅(qū)動(dòng)總表面振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，從圖4可以看出，在WOT工況下減速器各齒輪軸端、主減速器及電機(jī)殼體表面振動(dòng)加速度在350r/min附近均出現(xiàn)不同程度的峰值，其中整車坐標(biāo)系下X、Z向振動(dòng)峰值較為明顯，Y向振動(dòng)峰值相對(duì)較低，且與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接通過(guò)花鍵連接的減速器輸入軸端振動(dòng)峰值最大，同時(shí)在電機(jī)殼體的端部也檢測(cè)到較明顯的振動(dòng)峰值。由于產(chǎn)生轟鳴噪聲的頻率主要在120Hz附近，而電驅(qū)動(dòng)總的彈性體模態(tài)頻率（電驅(qū)動(dòng)總彈性模態(tài)頻率為347Hz）要遠(yuǎn)高于該頻率，且存在撞擊現(xiàn)象。因此，可以判斷出因電機(jī)輸入到減速器的轉(zhuǎn)矩存在較大波動(dòng)導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)總產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞到車身，產(chǎn)生轟鳴噪聲。
圖4 電驅(qū)動(dòng)總殼體表面振動(dòng)加速度
2.2 軟件數(shù)據(jù)提取分析
通過(guò)上述振動(dòng)測(cè)試分析，基本上確定了問(wèn)題發(fā)生的根源為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，為證實(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，在整車狀態(tài)下，提取CAN總線協(xié)議中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、VCU指示轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩信息，提取信號(hào)見(jiàn)圖5所示。
圖5 CAN總線提取電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相關(guān)信號(hào)
由圖5可知，在起步急加速工況，在電機(jī)轉(zhuǎn)速200-500r/min區(qū)間，VCU輸出轉(zhuǎn)矩指令為最大恒定轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩則產(chǎn)生較大波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)達(dá)到±6Nm，超出一般波動(dòng)水平。結(jié)合振動(dòng)分析結(jié)果，確定峰值噪聲問(wèn)題產(chǎn)生的原因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)異常，導(dǎo)致電驅(qū)總成產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)并傳遞至車身引起。
3、方案驗(yàn)證
3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響因素
具有空間正弦分布繞組的永磁同步電機(jī)理想情況下，三相電流通過(guò)后，電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定，不存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但實(shí)際情況是反電勢(shì)諧波及電流時(shí)間諧波會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)。另外，永磁同步電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)子和定子齒槽相互作用會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，這部分轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而周期變化，也是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的組成成分。一般來(lái)說(shuō)，引起永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要因素分為以下幾點(diǎn)：
(1)氣隙磁場(chǎng)諧波；
(2)齒槽力矩；
(3)定子電流時(shí)間諧波；
(4)電機(jī)磁路飽和的影響；
(5)制造工藝的影響，如定子的動(dòng)不平衡、偏心等。
電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍采用矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。矢量控制通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，實(shí)現(xiàn)了電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，將交流電機(jī)控制等效于直流電機(jī)調(diào)速控制。為提高轉(zhuǎn)矩輸出能力，降低損耗，在低速行駛工況基本采用MTPA矢量控制技術(shù)，通過(guò)增加id電流來(lái)提高磁阻轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)矩可以表示為
 (1)
式中: Te為電機(jī)轉(zhuǎn)矩; p 為電機(jī)極對(duì)數(shù); ψf為永磁體磁鏈; Ld、Lq分別為d軸和q軸電感; id、iq分別為d軸和q軸電流分量。由式(1)可知，如果d軸勵(lì)磁電流分量恒定，則永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩與q軸轉(zhuǎn)矩電流分量成正比。
電機(jī)調(diào)速控制實(shí)際是對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，為取得恒定電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和定子電流就需為正弦波，以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；實(shí)際上由于調(diào)制原理和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在，反電勢(shì)波形便會(huì)產(chǎn)生畸變，輸出電流帶有高次諧波，反電動(dòng)勢(shì)諧波和電流波形的非正弦性，引發(fā)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。另外，定子齒槽與轉(zhuǎn)子相對(duì)離散結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致電壓電流的畸變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。
3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的控制優(yōu)化
為改善因轉(zhuǎn)矩波動(dòng)導(dǎo)致的起步急加速工況車內(nèi)異常噪聲問(wèn)題，并排除了電機(jī)制造工藝的影響，對(duì)電機(jī)控制程序?qū)嵤┝藘?yōu)化，主要實(shí)施優(yōu)化方案為：
a.在整車上標(biāo)定電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化梯度；
b.增加轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，對(duì)力矩給定進(jìn)行補(bǔ)償，主動(dòng)抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；
c.優(yōu)化電流波形。
電流波形優(yōu)化前后通過(guò)示波器進(jìn)行觀察，波形對(duì)比見(jiàn)圖6所示。從對(duì)比圖中可以看出優(yōu)化后電流波形更平滑且削頂現(xiàn)象消除。
(a)優(yōu)化前電流波形
(b)優(yōu)化后電流波形
圖6 優(yōu)化前后電流波形對(duì)比
在整車工況狀態(tài)下，提取CAN總線協(xié)議中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、VCU指示轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)反饋轉(zhuǎn)矩信息，提取信息見(jiàn)圖7所示。
圖7 CAN總線提取優(yōu)化后電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相關(guān)信號(hào)
從圖7可以看出，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行控制優(yōu)化后，急加速過(guò)程中，電機(jī)反饋轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小，曲線平滑。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行控制優(yōu)化后，同時(shí)測(cè)得車內(nèi)噪聲，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8所示，車內(nèi)噪聲異常峰值消失。
圖8 優(yōu)化前后WOT工況車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)對(duì)比
4、優(yōu)化建議
電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的平順性取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大小，事實(shí)上，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是無(wú)法消除的。如何在整車上抑制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，降低車內(nèi)振動(dòng)噪聲是目前各整車生產(chǎn)企業(yè)必須解決的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略及程序進(jìn)行優(yōu)化，使其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在合理水平，進(jìn)而消除加速車內(nèi)異常峰值噪聲。旨在為汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決類似的問(wèn)題時(shí)提供思路和方向。
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