李建華，袁 峰，王銀輝

（長沙普羅科環(huán)境裝備有限責任公司，湖南 長沙 410100）

2017年3月5日，李克強總理在兩會政府報告中提出“強化機動車尾氣處理，鼓勵使用新能源汽車”。純電動汽車隨即在乘用車、商用車和專用車領域大力推廣。電動環(huán)衛(wèi)車輛穿梭在城市的大街小巷，助力城市的環(huán)境衛(wèi)生保潔、垃圾收運、霧霾治理和綠化灌溉。

環(huán)衛(wèi)車上裝電機系統(tǒng)用來驅(qū)動風機、水泵和油泵，其主要組成部分有電動機、功率轉(zhuǎn)換器、控制器及各種傳感器等。由于永磁同步電機具有效率高、功率密度高和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，被廣泛應用于電動車輛電機驅(qū)動系統(tǒng)中，在電動環(huán)衛(wèi)車行業(yè)，上裝亦采用永磁同步電機驅(qū)動，電能來自底盤動力電池。

環(huán)衛(wèi)車作業(yè)工況惡劣，在復雜的工作環(huán)境下，動力及其控制系統(tǒng)可能會出現(xiàn)不同程度的故障，本文主要針對上裝電機驅(qū)動系統(tǒng)故障模式進行研究，并結(jié)合工況制定合理的應對策略，保障上裝功能的穩(wěn)定性，對提升車輛的出勤率具有良好意義。

1 上裝電機系統(tǒng)組成

上裝電機系統(tǒng)主要由永磁同步電機 （以下簡稱電機） 和驅(qū)動器組成，其系統(tǒng)組成參見圖1，驅(qū)動器輸入端與直流母線相連，輸出端與電機相連，以驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)，其拓撲結(jié)構(gòu)參見圖2。

電機的結(jié)構(gòu)比較簡單，包括定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、軸承、散熱水套、位置傳感器 （旋轉(zhuǎn)變壓器）、機座等。參見圖3。

圖2 電機系統(tǒng)電氣拓撲簡圖

圖3 永磁同步電機組成簡圖

電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以根據(jù)永久磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同劃分為3大類：面貼式、內(nèi)嵌式和內(nèi)埋式。具體的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。本項目所使用電機均為內(nèi)嵌式。

圖4 永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在驅(qū)動電機工作時，需要采用專用電機控制器。電機控制器的組成包括電源模塊、IGBT （或MOSFET）、穩(wěn)壓電容、驅(qū)動電路、微處理器、采樣模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、CAN通信模塊、電流電壓傳感器、溫度傳感器、位置傳感器、水套、高低壓連接器、銅排和機殼。電機控制器組成如圖5所示。

圖5 電機控制器組成簡圖

2 電機和電機控制器的工作原理

電機系統(tǒng)本身就是一個機電耦合系統(tǒng)，其涉及電機學、電磁學、電力電子、機械學、熱學、信號處理技術和計算機科學等多學科技術。

2.1 電機工作原理

電機是一種以磁場為媒介、以電磁理論為基礎的能量轉(zhuǎn)換裝置，其工作包含兩種模式：電動模式和發(fā)電模式。

電機在工作時，電機的氣隙里建立一個磁場，電動機的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場會帶動轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)，最終達到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，這就是電動模式；反之，若從軸上輸入機械能，同時從線圈取走電能，這就是發(fā)電模式。其工作原理圖參見圖6。

圖6 永磁同步電機工作原理簡圖

2.2 電機控制器工作原理

電機控制器結(jié)構(gòu)組成參見第1章節(jié)，主要功能便是將直流電源輸出的直流電轉(zhuǎn)化為永磁同步電機所需的交流電，因此其又被稱作直流/交流 （DC/AC，逆變器） 變換器。電機控制器系統(tǒng)模塊參見圖7。

圖7 電機控制器系統(tǒng)模塊簡圖

電機控制器是電機系統(tǒng)的關鍵技術，其控制性能直接影響電動機的輸出特性。因此其必須滿足在不同的轉(zhuǎn)速下，輸出特定的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩即為需求轉(zhuǎn)矩。為了實現(xiàn)這一要求便需要對永磁同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行控制，這也是電機控制技術的核心任務。電機控制的核心部件為傳感器、電機控制器，通過二者可時刻掌握轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)，并計算電機在各時刻的需求電壓，從而實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

由于電機具有交流三相繞組的結(jié)構(gòu)，電機控制器一般都由6個電力半導體器件組成。IGBT是當今電驅(qū)系統(tǒng)中最常用的功率半導體開關器件，其綜合了GTO電力晶體管和MOSFET電力場效應管的特性。電機控制器中最為核心的便是控制算法，其中最為常用的永磁同步電機控制技術為磁場定向矢量控制技術。

3 電機系統(tǒng)常見故障分析

在實際工程中，電動環(huán)衛(wèi)車上裝采用永磁同步電機驅(qū)動風機、水泵和油泵。電機系統(tǒng)長期工作在灰塵、水和油污環(huán)境下，環(huán)境惡劣；同時，電機系統(tǒng)被安裝在上裝動力平臺上，外部有罩蓋遮擋，空間密閉，不利于散熱，出現(xiàn)故障在所難免。為了更好地歸納故障現(xiàn)象、種類和產(chǎn)生原因，文中對電機和控制器常見故障進行分類，分為電器故障、機械故障和電磁故障。更進一步地對故障種類的危機程度進行了定義，分為1級、2級、3級。

3.1 電機常見故障分析

電機的滾動軸承長時間高負荷運轉(zhuǎn)或潤滑不充分，會導致其故障發(fā)生的頻率最高，定子繞組類故障次之。軸承故障會導致軸承彼此摩擦，異常振動，嚴重時會燒毀軸承；定子繞組故障，會導致電機輸出轉(zhuǎn)矩和平均輸出功率下降，嚴重會造成搭鐵故障，而燒毀電機。

大部分電機故障都是綜合故障且相互影響，為了更好地描述電機的故障，文中把電機故障分為電器故障、電磁故障和機械故障。電機故障列表及分析參見表1。

表1 電機故障列表及分析

3.2 電機控制器常見故障分析

根據(jù)第2章描述，電機控制器涉及集成電路、半導體芯片、傳感器、微處理器多門學科，考慮到集成電路、傳感器、外圍附件和電磁兼容等因素影響。在實際工程中，電機控制器出現(xiàn)故障的幾率比電機要大。文中列舉了部分常見故障，參見表2。

表2 電機控制器故障列表及分析

3.3 故障歸納分析

由于現(xiàn)實工程項目中，隨時都有可能發(fā)生故障，故障的監(jiān)測必須具有實時性，所以故障診斷都是通過各種傳感器采集所需的物理量，再通過分析采集到的物理量進行是否存在故障以及何種故障的判斷。因此必須要對前文中所列舉的電機和控制器故障進行歸納。歸納后的故障列表參見表3。

重要性反應了故障對系統(tǒng)造成的影響大小，危險等級會導致硬件損壞，系統(tǒng)功能喪失；危險等級狀態(tài)下，電機處于故障狀態(tài)，部分功能下降，達不到實際使用要求。

3.4 電機系統(tǒng)故障等級分析

在實際工程中，電機系統(tǒng)的電源為底盤動力電池提供的直流電源，電池的電壓受單體電芯電壓影響，如磷酸鐵鋰電池，電壓在2.6～3.6V，系統(tǒng)標稱電壓為537.6V，其電壓范圍為436.8～604.8V，最高和最低相差168V，幅差較大。同時，因為動力電池的電壓檢測方法原因，在電池放電時，其電壓平臺會拉低，電流越大，拉低效果越明顯；在電池充電過程中，電池被施加一個較大的電壓去給動力電池充電，在充電末段，電壓上升非常緩慢，直至電池達到充電截止電壓，考慮到電壓采集誤差和電池過充導致電池組電壓升高情況。對于過壓、欠壓、過流類故障，應按照硬件特性進行細化，不能單一地按照有無故障去衡量，還應根據(jù)實際情況制定不同等級。MCU母線過壓設置為2個級別。其它電流、溫度均采用相同方法設置兩個級別。電機系統(tǒng)故障分級參見表4。

表3 電機系統(tǒng)故障歸納

需要特別指出的是表4中所列舉的參數(shù)閾值均為作者所研發(fā)項目定義值。

表4 電機系統(tǒng)故障分級列表

在車輛使用過程中，上裝受到猛烈撞擊、振動或接插件存在品質(zhì)缺陷情況下，CAN總線會存在通信故障。這種故障下，MCU收不到上裝控制器發(fā)送的指令，會立即停機，可能導致IGBT損壞，高壓接觸器粘連，使得硬件損壞。對于此類情況，只存在兩種狀態(tài)，有故障和無故障。其故障對系統(tǒng)的影響程度不同，又分為2級故障和3級故障。電機系統(tǒng)故障參見表5。

表5 電機系統(tǒng)故障列表

4 電機系統(tǒng)故障處理策略

基于第3章節(jié)中描述的永磁同步電機和控制系統(tǒng)的各種故障現(xiàn)象、故障造成的結(jié)果及故障原因，從上裝控制層面做出相應控制，避免電機系統(tǒng)帶故障作業(yè)。進一步地，對于一些不嚴重的故障，如系統(tǒng)1級故障采用儀表顯示，輔以語音提示，部分功能不受影響 （如卸料等）。上裝控制器主動降低使用功率，使得負載不至于突然中斷；如系統(tǒng)2級故障，上裝控制器主動請求功率置零，以避免電機和控制器進一步受損。對于系統(tǒng)3級故障，上裝控制器主動請求斷開電機控制器高壓電源。制定的故障處理機制參見圖8。

在實際工程中，電機和電機控制器系統(tǒng)所涉及的1、2、3級故障眾多，為了更好地將故障等級和電機系統(tǒng)故障對應起來，有必要將電機和控制器所產(chǎn)生的故障和系統(tǒng)故障對應起來，這樣就形成了總的故障等級。故障分級對應關系參見圖9、圖10、圖11。

圖8 故障處理機制圖

5 結(jié)論

文中首先介紹了電機和電機控制器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析了電機系統(tǒng)存在的機械故障、電器故障和電磁故障，進一步從故障現(xiàn)象分析出電機和電機控制器的故障類別和重要等級，推導出在工程應用中適用的電機和電機控制器故障列表，最終構(gòu)建出電機系統(tǒng)故障列表，并制定了相應的處理策略。

圖9 1級故障列表

圖10 2級故障列表

在環(huán)衛(wèi)車上裝電動化的進程中，永磁同步電機受到廣泛使用，制定完善的處理機制對電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和上裝功能的穩(wěn)定性具有良好的促進作用。

圖11 3級故障列表