張維威

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，佛山 528216）

引言

當(dāng)前，應(yīng)用于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有四類，分別為開關(guān)磁阻電機(jī)、直流無刷電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)。其中，開關(guān)磁阻電機(jī)控制簡(jiǎn)單、成本較低，然而存在輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大等問題，被應(yīng)用于商業(yè)車；直流無刷電機(jī)質(zhì)量輕、體積小、控制換相簡(jiǎn)單、成本低，但同樣存在主要工作在低速范圍、弱磁困難、噪聲較大、輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問題，主要應(yīng)用于小功率的低速車[1]。早期乘用車采用交流感應(yīng)電機(jī)，相比同步電機(jī)，其效率較低，為確保續(xù)航里程必須增加電池成本，使新能源汽車整個(gè)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上有所下降，因此目前新能源乘用車已經(jīng)逐漸以內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為主[2]。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生低頻振動(dòng)，從而產(chǎn)生電磁噪聲，當(dāng)噪聲較大，不僅會(huì)對(duì)工程技術(shù)人員的健康造成影響，還會(huì)損傷電機(jī)本身結(jié)構(gòu)，對(duì)其壽命造成影響，尤其是對(duì)于車用電機(jī)，其低頻振動(dòng)問題會(huì)直接影響汽車銷售量，因此新能源汽車永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制問題受到汽車廠家的重視，成為新能源汽車領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。而對(duì)其低頻振動(dòng)抑制問題，為評(píng)估其抑制效果，需要對(duì)其實(shí)施可靠性分析。

對(duì)于低頻振動(dòng)抑制可靠性分析問題，由于低頻振動(dòng)問題早已受到關(guān)注，因此其振動(dòng)抑制可靠性分析問題在長(zhǎng)期研究下也已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，取得了一定研究成果。其中文獻(xiàn)[3]中提出了一種采用超調(diào)量M 與可信性的比較標(biāo)準(zhǔn)阻尼比ξ 的評(píng)估方法，評(píng)估結(jié)果表明，前文設(shè)計(jì)方案對(duì)于電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)是可行、有效的。文獻(xiàn)[4]中提出了一種星載大型反射面天線主動(dòng)振動(dòng)抑制建模分析方法，能夠獲知反射面天線臂主動(dòng)振動(dòng)抑制效果。以上低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法存在評(píng)估準(zhǔn)確率較低的問題，設(shè)計(jì)一種針對(duì)新能源汽車永磁同步電機(jī)的低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法。

1 新能源汽車永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法設(shè)計(jì)

1.1 基于加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集卡的低頻振動(dòng)抑制信號(hào)采集

基于加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集卡采集新能源汽車永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制信號(hào)即永磁同步電機(jī)的位移跟隨誤差離散信號(hào)。其中數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)具體如下：設(shè)計(jì)一種雙ADC 數(shù)據(jù)采集卡，由母板和子板構(gòu)成[5]。

通過子板能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收緩存、采集轉(zhuǎn)換功能，子板主要由電源模塊、ADC 高速采樣模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生與扇出模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中信號(hào)調(diào)理是前端部分，由單端轉(zhuǎn)差分電路、低通濾波電路與功率分配幅度衰減電路組成。其中通過功率分配幅度衰減電路能夠?qū)σ粋€(gè)通道的信號(hào)實(shí)施等功率地劃分，使其分成兩路，并使輸入信號(hào)獲得幅度衰減，滿足ADC 的電壓輸入范圍[6]。選用的功率分配幅度衰減器是Y 型三電阻網(wǎng)絡(luò)。

通過低通濾波電路能夠避免發(fā)生噪聲混頻問題，選用的是無反射低通濾波器XLF-861+，滿足設(shè)計(jì)要求。

單端轉(zhuǎn)差分電路用于實(shí)施濾波后信號(hào)的單端轉(zhuǎn)差分處理，采用的是抗干擾強(qiáng)、低噪聲的巴倫型高速射頻變壓器ETC1-1-13。經(jīng)單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換后，通過交流耦合方式將信號(hào)輸入至ADC 的模擬輸入通道[7]。

選用的ADC 芯片為EV10AQ190，內(nèi)置四個(gè)ADC核，各核采樣率最高可達(dá)1.25 Gsps，通過SPI 總線能夠?qū)ζ洳蓸幽Ｊ竭M(jìn)行配置。

選用的FPGA 芯片為XC6VLX240T，負(fù)責(zé)時(shí)鐘發(fā)生器與兩片ADC 的SPI 總線配置以及數(shù)據(jù)接收緩存。其面向兩個(gè)ADC 的引腳分配方案設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 FPGA 面向兩個(gè)ADC 的引腳分配方案設(shè)計(jì)

在電源模塊1 中，采用的供電電源為L(zhǎng)DO 線性電源與LDO 線性穩(wěn)壓器，向FPGA 芯片供電。在電源模塊2中，通過兩片LT1764 向兩片ADC 的模擬部分供電[8]。

各芯片的控制信號(hào)與數(shù)據(jù)需要分配至連接器引腳上，選用的FMC 高速接口總線型號(hào)為HPC FMC 連接器。

在時(shí)鐘產(chǎn)生與扇出模塊中，通過時(shí)鐘發(fā)生器與時(shí)鐘扇出芯片分別向兩路ADC 提供采樣時(shí)鐘，并向FPGA 提供測(cè)試時(shí)鐘。通過同步信號(hào)電路與兩路向ADC 提供的采樣時(shí)鐘產(chǎn)生高速同步信號(hào)，使兩路ADC 實(shí)現(xiàn)片間同步。利用SPI 總線配置時(shí)鐘發(fā)生器的引腳。

通過母板能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理，母板由千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口模塊、DDR3 存儲(chǔ)模塊與FPGA 模塊構(gòu)成。

其中母板FPGA 主要負(fù)責(zé)接收子板HPC FMC 連接器的數(shù)據(jù)，控制千兆以太網(wǎng)與DDR3 的接口。選用的FPGA 芯片型號(hào)為EP4CE6E22C8N[9]。

在DDR3 存儲(chǔ)模塊中，選用的DDR3 內(nèi)存條型號(hào)為MT8JSF25664HZ，其內(nèi)存條容量為2 GB。

在千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口模塊中，選用的傳輸接口為GMII 接口，可達(dá)1 000 Mbps 的傳輸速率。

通過供電芯片TPS51200 為母板供電。

設(shè)計(jì)一種壓電加速度傳感器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所選用的材料為鎳鉻鐵合金材料Inconel600，是一種耐高溫材料，適用于制作各部分零件。

將壓電加速度傳感器安裝在永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)控制器上，實(shí)施位移跟隨誤差離散信號(hào)采集，通過數(shù)據(jù)采集卡向PC 端傳遞采集信號(hào)。

1.2 基于CEEMDAN-SG 聯(lián)合去噪算法的低頻振動(dòng)抑制信號(hào)去噪處理

在位移跟隨誤差離散信號(hào)的采集中，由于高溫環(huán)境與傳感器精度的干擾，存在一定噪聲。為實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的低頻振動(dòng)抑制可靠性分析，需要對(duì)采集信號(hào)實(shí)施降噪處理[10]。

采用的降噪處理算法為CEEMDAN-SG 聯(lián)合去噪算法，具體去噪流程如下：

1）信號(hào)分解

通過CEEMDAN 算法將采集信號(hào)分解為 個(gè)由高頻到低頻IMF 信號(hào)與一個(gè)殘差信號(hào)，其中殘差信號(hào)用u(r)來表示，IMF 信號(hào)用下式來表示：

式中：

IMFn—第n個(gè)IMF 信號(hào)[11]。

2）IMF 劃分

通過能量貢獻(xiàn)率與自相關(guān)函數(shù)分析實(shí)施IMF 的劃分，將其劃分為由有用信號(hào)主導(dǎo)的分量與由噪聲主導(dǎo)的分量?jī)刹糠帧?/p>

則采集信號(hào)可以用下式來表示：

式中：

l—噪聲主導(dǎo)分量與有效信號(hào)主導(dǎo)分量的界限值；

IMFi j(r)—指噪聲主導(dǎo)分量；

b—低于0.05 %的能量貢獻(xiàn)率界限值；

IMFi j(r)—有效信號(hào)主導(dǎo)分量。

3）信號(hào)重構(gòu)

將能量貢獻(xiàn)率低于0.05 %的那些信號(hào)剔除，實(shí)施處理后噪聲主導(dǎo)分量與有效信號(hào)主導(dǎo)分量的重構(gòu)。

用表示重構(gòu)信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式具體如下：

式中：

處理后的噪聲主導(dǎo)分量[12]。

就此完成采集的位移跟隨誤差離散信號(hào)的降噪處理。

1.3 低頻振動(dòng)抑制可靠性分析

設(shè)計(jì)一種低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法，實(shí)施新能源汽車永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制可靠性分析與評(píng)估。該方法的具體流程如下：

1）對(duì)于經(jīng)過去噪處理的，將其視為一個(gè)i維向量，用下式表示其采樣周期：

2）利用多個(gè)構(gòu)造位移誤差樣本空間，具體如下式：

3）應(yīng)用平穩(wěn)區(qū)間過程模型E K(r)實(shí)施樣本空間δ的描述。利用包絡(luò)法確定E K(r)的相位滯后時(shí)間tε、相位超前時(shí)間tφ、以及半徑函數(shù)R(E K(r))[13]。

4）對(duì)E K(r)實(shí)施離散處理，使其成為含有q個(gè)元素的區(qū)間序列，具體如下式：

5）依據(jù)自相關(guān)系數(shù)函數(shù)定義獲取E(r)'的自協(xié)方差函數(shù)矩陣，用CfK fK(ri,rj)來表示。其中i,j= 1,2, … ,q[14]。

6）獲取CfK fK(ri,rj)的區(qū)間過程模型特征參數(shù)。

7）獲取等效激勵(lì)f K(r)的區(qū)間過程模型特征參數(shù)。

8）根據(jù)兩個(gè)區(qū)間過程模型特征參數(shù)計(jì)算柔性末端在r=re'時(shí)刻的速度響應(yīng)區(qū)間與位移響應(yīng)區(qū)間[15]。

9）計(jì)算永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制可靠性評(píng)估指標(biāo)FP。FP是低頻振動(dòng)抑制魯棒性的對(duì)應(yīng)量化模型可靠度，計(jì)算公式具體如下：

式中：

γn—永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制的固有頻率；

—位移響應(yīng)區(qū)間中的最大值；

—速度響應(yīng)區(qū)間中的最大值[16]。

就此完成永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制可靠性的評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)流程

對(duì)于設(shè)計(jì)的新能源汽車永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法，利用其對(duì)某新能源汽車永磁同步電機(jī)實(shí)施低頻振動(dòng)抑制可靠性評(píng)估，測(cè)試設(shè)計(jì)方法的可靠性評(píng)估表現(xiàn)性能。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一款新能源車用48 槽8 極內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于實(shí)施試樣對(duì)象的低頻振動(dòng)抑制，從而實(shí)施其可靠性評(píng)估。

設(shè)計(jì)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體如圖3 所示。

圖3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

將壓電加速度傳感器安裝在控制器上，實(shí)施位移跟隨誤差離散信號(hào)采集，通過數(shù)據(jù)采集卡向PC 端傳遞采集信號(hào)。將采集的信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)集。

采用CEEMDAN-SG 聯(lián)合去噪算法，對(duì)采集信號(hào)實(shí)施降噪處理，降噪前后的采集信號(hào)對(duì)比情況如圖4 所示。

利用設(shè)計(jì)的低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法，實(shí)施新實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的低頻振動(dòng)抑制可靠性分析與評(píng)估。PF的計(jì)算結(jié)果如下式：

也就是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的低頻振動(dòng)抑制可靠性在0.480~0.990 這一區(qū)間之間，整體低頻振動(dòng)抑制可靠性較高。

改變實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行頻率，測(cè)試設(shè)計(jì)方法在不同頻率下的PF誤差曲線，包括誤差最大值曲線與誤差最小值曲線。在測(cè)試中，將采用超調(diào)量M 與可信性的比較標(biāo)準(zhǔn)阻尼比ξ的評(píng)估方法與星載大型反射面天線主動(dòng)振動(dòng)抑制建模分析方法作為對(duì)比方法，同樣測(cè)試兩種方法在不同頻率下的PF誤差曲線，并分別用方法1、方法2 來表示這兩種方法。

2.2 FP 誤差曲線測(cè)試與分析

分別測(cè)試三種實(shí)驗(yàn)方法的PF誤差曲線，誤差最大值曲線與誤差最小值曲線測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 誤差曲線

根據(jù)上圖，設(shè)計(jì)方法在低頻振動(dòng)抑制可靠性評(píng)估中的PF誤差最小值低于兩種對(duì)比方法，其PF誤差最大值也始終低于方法1、方法2，說明設(shè)計(jì)方法的低頻振動(dòng)抑制可靠性分析準(zhǔn)確性明顯更高，評(píng)估性能明顯更好。

3 結(jié)束語

新能源汽車永磁同步電機(jī)的主要工作區(qū)位于中低速區(qū)，使其在運(yùn)行不可避免地會(huì)產(chǎn)生低頻振動(dòng)，帶來電磁噪聲問題，因此永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制是一項(xiàng)很有必要的工作，對(duì)于擴(kuò)大永磁同步電機(jī)的使用范圍以及提高電機(jī)壽命都有良好的工程意義。現(xiàn)設(shè)計(jì)一種新能源汽車永磁同步電機(jī)低頻振動(dòng)抑制可靠性分析方法，能夠準(zhǔn)確評(píng)估低頻振動(dòng)抑制的可靠性，為采取合適的永磁同步電機(jī)抑振策略奠定基礎(chǔ)。