摘要:電機控制策略的調(diào)整對電動車 NVH 性能存在不同程度的影響,本文主要通過對電機轉(zhuǎn)速波動產(chǎn)生的因素進行分析,同時對電機轉(zhuǎn)速波動控制策略層面進行優(yōu)化袁,從而達到優(yōu)化電驅(qū)系統(tǒng)與車內(nèi) NVH 的目的,為解決相似問題提供了一定的借鑒意義.

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)速波動;振動噪聲;電控制策略

0 引言

電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，為消費者提供了更加多樣的選擇，作為最直觀的駕駛體驗，電動汽 車 的 NVH （即 Noise 噪 聲 、Vibration 振動和 Harshness 聲振粗糙度，通俗來講即為不平順性）仍然是許多消費者購買的評價指標(biāo)之一，而作為電車驅(qū)動的核心之永磁同步電機（PMSM）因具有高轉(zhuǎn)矩、高慣性比、結(jié)構(gòu)可靠、控制性能優(yōu)良及運轉(zhuǎn)效率高效等優(yōu)點，從而廣泛應(yīng)用于電動車領(lǐng)域等許多工業(yè)領(lǐng)域，同時永磁同步電機由于轉(zhuǎn)速 \ 轉(zhuǎn)矩的不正常脈動是產(chǎn)生電磁噪聲與振動的主要原因，較為高頻的電磁噪聲，在行駛過程中易使人產(chǎn)生不適感，同時電機的轉(zhuǎn)速 \ 轉(zhuǎn)距的脈動，還會使電機內(nèi)部損耗加劇，從而縮短電機的使用壽命。

本文主要以某純電動汽車為例，通過對加速工況過程中車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳存在的高頻噪聲與電機本體振動過大問題進行排查，確定電機轉(zhuǎn)速波動為引發(fā)電機本體振動過大與車內(nèi)駕駛員高頻噪聲的主要因素。

1 問題描述

某樣車采用后置后驅(qū)電驅(qū)方式，主要采用永磁同步無刷電機，在加速過程中存在的以下兩個問題點。

①駕駛員內(nèi)耳存在 1100Hz 以上寬頻噪聲，3000rpm以上最為明顯；主觀感受較差。

②電機本體振動過大，主要表現(xiàn)為 5000 轉(zhuǎn)以上高轉(zhuǎn)速段。

通過測試測的駕駛員內(nèi)耳加速噪聲如下 colormap 圖1 所示，同時電機本體振動測點如圖 1 所示。

1.1 問題診斷

為進一步對兩個主要問題點進行識別分析，對樣車電驅(qū)系統(tǒng)本體振動噪聲進行測試分析，同時采用 CAN 線，進行轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號的提取。

在整車半消聲室環(huán)境下，進行對整車狀態(tài)下的振動噪聲布點，如圖 2 所示。

 通過對圖 3 分析可以看出電機振動總級整體偏大的原因主要為 32 階次的貢獻，而對于極對數(shù)為 4 對的驅(qū)動電機，32 階問題的根源為電機本體內(nèi)部的影響。

通過對比減速器本體噪聲可以看出，減速器存在的明顯 1100Hz 寬頻噪聲是引起駕駛員內(nèi)耳噪聲問題的主要原因。

同時對整車狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)速輸出信息進行提取，具體提取信息如圖 5 所示，由圖可知，整車加速過程中，電機轉(zhuǎn)速信號在 3500rpm 以上存在較為明顯的線性波動，波動幅值達到依100rpm，超出一般電機轉(zhuǎn)速波動水平，同時結(jié)合測的振動噪聲結(jié)果，推測為電驅(qū)系統(tǒng)殼體模態(tài)共振與轉(zhuǎn)速波動過大是引起電驅(qū)系統(tǒng)本體振動過大與車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳寬頻噪聲的主要原因。

1.2 殼體模態(tài)問題確認(rèn)

針對殼體模態(tài)可能引起的共振問題，以整車方向為基準(zhǔn)，建立電驅(qū)系統(tǒng)的模態(tài)陣型，測的結(jié)果如圖 6 所示；可以看出電驅(qū)系統(tǒng)的一階模態(tài)為 1509Hz，高于問題頻率所處區(qū)間，排除殼體模態(tài)對其本身的影響，因此可以推測轉(zhuǎn)速波動為主要影響因素。

2 PMSM 轉(zhuǎn)速波動的影響因素及優(yōu)化

2.1 PMSM 中轉(zhuǎn)速波動的影響因素

①磁鏈諧波的因素，理想狀態(tài)下的 PMSM 物理模型，永磁體磁場在空間中為正弦分布，但在實際生產(chǎn)中，由于電機內(nèi)部定子開槽、磁路不對稱等制作工藝限制的影響，永磁磁場難以以較為理想的正弦分布。

②死區(qū)效應(yīng)的因素。在 PMSM 驅(qū)動體系中，為了防止在同一向橋臂的兩只開關(guān)管發(fā)生直通短路現(xiàn)象，會在其開通與斷開的空檔時候增加一段的死區(qū)時候，因此而引發(fā)的死區(qū)效應(yīng)會使逆變器輸出電流波形畸變，造成輸出電流的基波份量減少，從而引起轉(zhuǎn)速的波動現(xiàn)象。

③檢查誤差方面。在電流傳感器的檢測過程中，由于直流偏置、原件零飄或變壓器的測量存在的正交等誤差，在很大程度上會影響電流轉(zhuǎn)矩的計算精度，使電機產(chǎn)生檢測轉(zhuǎn)矩 \ 轉(zhuǎn)速脈動。

2.2 PMSM 轉(zhuǎn)速波動的優(yōu)化控制

因此為改善因轉(zhuǎn)速波動導(dǎo)致的加速過程中的 電驅(qū)系統(tǒng)與車 內(nèi)駕 駛 員NVH 問題，對電機控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，主要優(yōu)化策略為：淤增加抗轉(zhuǎn)速抖動功能，扭矩主動抑制消除轉(zhuǎn)速波動；于修改底層電流設(shè)定值查表函數(shù)，優(yōu)化輸出電流的平滑性；盂增加應(yīng)用層轉(zhuǎn)速濾波處理。

方案 1 中，對電機控制策略進行了優(yōu)化，利用濾波對各個主要頻次轉(zhuǎn)速波動分量進行估算，同時將轉(zhuǎn)速波動分量與 PI 控制器并聯(lián)，嵌入值轉(zhuǎn)速控制環(huán)中，根據(jù)系統(tǒng)對周期性擾動轉(zhuǎn)速的衰減程度，進行比例增益補償[7]，從而起到抑制周期性轉(zhuǎn)矩擾動的效果；

方案 2 中，通過修改電流底層的設(shè)定查表函數(shù)，消除鋸齒狀的波形，使輸出的電流波形更為光滑；

方案 3 中，通過對應(yīng)用層軟件條用轉(zhuǎn)速值時多增加平均濾波算法，從而使轉(zhuǎn)速波動更為平滑。

通過以上優(yōu)化，對基于 CAN 總線協(xié)議中的電機轉(zhuǎn)速進行分析，對比結(jié)果如圖 7 所示，可以看出，電機轉(zhuǎn)速波動由依100rpm 至基本消失，波動現(xiàn)象基本消除。

電機轉(zhuǎn)速波動優(yōu)化后，對整車狀態(tài)下的電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)注點位置（電機前振動、減速器噪聲）與車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳進行測試分析，優(yōu)化前后如圖 8 所示。

 由同步測的電機噪聲可以看出，colormap 圖 a 中 32階次明顯消除后，電機本體振動總級（圖 b）在 5000rpm 以上整體明顯降低，基本處于目標(biāo)線以內(nèi)，減速器在 1100Hz存在的寬頻噪聲同樣存在較為明顯的改善（如圖 c），對應(yīng)車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳噪聲（如圖 d），問題寬頻則完全消除。

同時結(jié)合電機轉(zhuǎn)速波動優(yōu)化前后對比可以看出，在加速工況下，在轉(zhuǎn)速達到 3000rpm 以上后存在的異常波動是引起電驅(qū)系統(tǒng)與車內(nèi) NVH 較差的主要因素。

3 小結(jié)

電驅(qū)系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)速波動與轉(zhuǎn)矩波動均會給電機本體與車內(nèi)帶來明顯的 NVH 問題，本文章主要從控制策略上，通過扭矩主動抑制消除轉(zhuǎn)速波動、修改底層電流設(shè)定值查表函數(shù)，優(yōu)化輸出電流的平滑性以及增加應(yīng)用層轉(zhuǎn)速濾波處理等綜合措施，從而實現(xiàn)對電驅(qū)系統(tǒng)與車內(nèi)NVH 的優(yōu)化，一種優(yōu)化，同時解決兩個問題點，為電動汽車整車開發(fā)過程中同類問題提供了一種思路和方向。

作者：李奧飛 孫健穎 張寧 杭亞朋

作者單位：（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

來源：內(nèi)燃機與配件