李新成　姚琛　羅文慶　高桂芬　邵杰

摘 要：近年來，隨著電動汽車的熱銷，其售后質(zhì)量也引起了廣泛的關(guān)注。其中旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的位置傳感器，承擔(dān)著控制電機驅(qū)動的核心作用。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)可靠、抗干擾能力強、適用于惡劣的環(huán)境等優(yōu)點，但是一旦損壞或者信號解析電路失效，整車將面臨扭矩失控的極大風(fēng)險。因此，本文分析了旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路的失效模式并提出相應(yīng)的設(shè)計改進的方案。

關(guān)鍵詞：電動汽車 旋轉(zhuǎn)變壓器 失效模式

1 引言

獲取轉(zhuǎn)子位置信息是實現(xiàn)永磁同步電機矢量控制的基礎(chǔ)[1]，旋轉(zhuǎn)變壓器由于結(jié)構(gòu)可靠、抗干擾能力強、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點[2]，被廣泛用作電機轉(zhuǎn)子的位置傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路，包含旋轉(zhuǎn)變壓器、勵磁芯片、激勵輸出及回采電路、正余弦傳輸及處理電路、解碼芯片、主控芯片等，作為高精度信號的處理回路[3]，每一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會引起整個系統(tǒng)的失效，設(shè)計過程很難充分考慮每一個環(huán)節(jié)，因此，研發(fā)過程及售后出現(xiàn)的旋變故障，均應(yīng)受到高度重視，并進行逆向排查，以不斷完善產(chǎn)品設(shè)計。本文匯總分析了研發(fā)及售后出現(xiàn)的電動車旋變故障類型并提出相應(yīng)的優(yōu)化方法，為后續(xù)電動汽車的研發(fā)及故障排查提供指導(dǎo)。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障

旋轉(zhuǎn)變壓器位于驅(qū)動電機的內(nèi)部，包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子位于驅(qū)動電機端蓋，轉(zhuǎn)子位于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸的軸端，與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，并在定子線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的正余弦信號。正余弦信號通過信號傳輸電路被傳遞給旋變解碼芯片，經(jīng)過解碼得到轉(zhuǎn)軸的位置及速度信息，這些信息被反饋至主控芯片，進行精確電機轉(zhuǎn)矩控制。旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路出現(xiàn)故障時，將導(dǎo)致無法采集到正余弦信號或信號失真，無法正確解碼出電機轉(zhuǎn)子的位置及速度信息，此種情況即為旋變故障。

3 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障模式

3.1 電機控制器旋轉(zhuǎn)變壓器解析電路失效

電機控制器旋轉(zhuǎn)變壓器解析電路包括了PCB板上的處理芯片及配套電路、接插件，常見的失效模式有旋變解碼芯片失效、PCB板失效、電機控制器內(nèi)部接插件失效等。

（1）旋變解碼芯片失效，一般是由于芯片生產(chǎn)、運輸過程、裝配過程中存在的磕碰及靜電損壞風(fēng)險導(dǎo)致的失效;

（2）PCB板失效，一般是PCB板生產(chǎn)過程中返修導(dǎo)致，返修一般采用手工焊的方式，其質(zhì)量及流程不可控，容易出現(xiàn)虛焊的現(xiàn)象如圖2，導(dǎo)致傳輸過程中旋變信號失真，出現(xiàn)旋變故障；

（3）電機控制器內(nèi)部接插件失效，一般為PCB板上的接插件耐振動等級不滿足要求，導(dǎo)致旋變信號傳輸不穩(wěn)的問題，因此一般要求PCB板上的接插件滿足標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1067? V2等級的振動要求。

3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器信號傳輸線束失效

在電機控制器與驅(qū)動電機之間的信號傳輸，需要用到外部線束，由于與頻繁振動的驅(qū)動電機相連接，線束失效的幾率提高。線束失效的形式有以下幾種：

（1）與其他部件磨損導(dǎo)致失效

線束布置不合理或者裝配不當(dāng)時，線束可能會與整車其他零部件發(fā)生干涉，經(jīng)過長期相互摩擦，可能會出現(xiàn)線束磨損甚至斷開的情況，導(dǎo)致旋變信號傳輸受到影響，出現(xiàn)信號失真甚至丟失的問題，引起旋變故障。因此，在設(shè)計前期，應(yīng)避免線束的干涉問題，并在線束外表附上波紋管等保護措施。

（2）自身振動導(dǎo)致內(nèi)部銅線斷裂失效

若電機與電控之間固定線束的卡扣未扣好，線束大幅度振動，內(nèi)部銅線經(jīng)過長時間的拉扯將出現(xiàn)斷裂，如圖3。出現(xiàn)內(nèi)部斷裂時，由于仍有編制網(wǎng)及外皮的保護，信號失真或丟失的問題只會間歇性出現(xiàn)，導(dǎo)致整車間歇性報旋變故障。在這種情況下，需在搖晃線束的情況下測量旋轉(zhuǎn)變壓器阻值以定位原因。

（3）表皮與編制網(wǎng)摩擦導(dǎo)致的失效

在極限運動或左傾等惡劣工況下，電機端卡扣綁扎處信號線彎折劇烈，由于扎帶邊緣鋒利導(dǎo)致信號線受到較大的壓力，線內(nèi)表皮與編織網(wǎng)等不斷摩擦，導(dǎo)致線束損傷，如圖4，這種失效形式需剝開線束表皮方可發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 接插件失效

電機控制器與信號傳輸線束、電機與信號傳輸線束均需通過接插件實現(xiàn)硬連接，整車組裝及維修保養(yǎng)過程中需進行插拔，在插拔過程中有可能會造成接插件的損傷。接插件的失效可分為公端失效和母端失效，公端失效通常為針腳歪斜和針腳腐蝕，這種失效形式可通過肉眼進行識別。常見的母端失效形式有端子退出、端子回縮、線束斷裂、擴孔等，如圖5。為避免這些失效形式，拆裝時應(yīng)避免暴力拆裝，測量信號時應(yīng)按要求進行測量。

3.4 旋轉(zhuǎn)變壓器本體失效

旋轉(zhuǎn)變壓器本體失效也是出現(xiàn)旋變故障的原因之一，一般是由于外界作用導(dǎo)致的，可分為：

（1）旋轉(zhuǎn)變壓器定子轉(zhuǎn)子安裝位置超出范圍導(dǎo)致sin和cos信號失真

旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子軸向位置超差，旋變輸出信號幅值偏小。旋變定轉(zhuǎn)子徑向位置超差，旋變信號輸出幅值偏小及大小波。導(dǎo)致旋變解碼芯片解碼過程中出現(xiàn)鎖相錯誤，報出旋變故障。因此安裝工藝相當(dāng)重要，定子的固定應(yīng)當(dāng)采用防松的工藝。

（2）旋轉(zhuǎn)變壓器定子線圈異常導(dǎo)致失效

旋轉(zhuǎn)變壓器來料不良或者安裝不當(dāng)時，定子線圈會受到破損，產(chǎn)生短路或者斷路的故障，旋轉(zhuǎn)變壓器不能正常輸出sin和cos信號，導(dǎo)致旋變故障。

（3）旋轉(zhuǎn)變壓器物理性破壞

由于旋轉(zhuǎn)變壓器的工作跟驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸息息相關(guān)，因此電機轉(zhuǎn)軸工作異常會對旋轉(zhuǎn)變壓器造成影響，常見的失效形式為：驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸的軸承異常磨損導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子跟定子相互摩擦導(dǎo)致磨損失效，電機持續(xù)在極端工況下工作，導(dǎo)致的過熱破壞旋轉(zhuǎn)變壓器；因此需關(guān)注驅(qū)動電機的軸承潤滑情況以及設(shè)計合理的電機熱平衡管理策略。

3.5 電機和電控不匹配導(dǎo)致失效

旋轉(zhuǎn)變壓器有特定的電氣參數(shù)，在研發(fā)過程中如進行電機控制器旋變信號解析電路設(shè)計時不考慮旋轉(zhuǎn)變壓器的工作參數(shù)，如相移等，可能會導(dǎo)致電驅(qū)系統(tǒng)魯棒性較低，容易觸發(fā)旋變故障。如某型號旋轉(zhuǎn)變壓器的相位角為±10.7°，相匹配的電機控制器旋變信號解析電路的相移接近33.3°，則可能會導(dǎo)致整車運行過程中信號受到干擾情況時，整體相移大于解碼芯片要求的±44°閾值導(dǎo)致鎖相異常，報出旋變故障。如圖7，電機控制器旋變信號解析電路就存在7.8微秒即28°的相移，疊加上旋轉(zhuǎn)變壓器的相移則接近故障閾值，因此，在受到信號干擾時容易出現(xiàn)間歇性的旋變故障。

4 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障分析方法

旋變故障的排查方法：

（1）檢查接插件是否存在破損、退針、進水等異常；

（2）從電機控制器端測量電機的旋變阻值，確認其是否存在異常；如存在異常，需進一步測量電機端的旋變阻值，如電機內(nèi)部異常還是信號傳輸?shù)木€束存在破損；如無異常，則為電機控制器內(nèi)部存在異常；

（3）拆下信號傳輸線束，對線束進行X光掃描，檢查是否存在斷線、短接的失效形式；

（4）檢查電機透氣閥是否破損、丟失；

（5）拆開電機檢查電機旋變本體是否有凝露、是否損壞等；

（6）拆開電機控制器，檢查PCB板的接插件、電子電路是否有損壞。

5 旋轉(zhuǎn)變壓器及其解析電路故障改進手段

（1）信號傳輸線束、接插件采用抗振等級較高的型號，建議電機線束導(dǎo)線采用抗振線芯注塑后外包波紋管；

（2）旋變線束的布置應(yīng)避免應(yīng)力集中，盡量采用U型布置方案，電機端扎帶卡扣固定建議采用鈑金件打螺栓固定；

（3）旋變本體的安裝工藝，需有專門的作業(yè)指導(dǎo)書，避免員工錯誤操作；

（4）旋變故障的診斷采用魯棒性高的診斷策略以及自恢復(fù)策略，確保旋變信號在受到干擾丟失一兩幀信號時仍然能夠正常工作，以及確保故障恢復(fù)后軟件能及時恢復(fù)至正常狀態(tài)。

6 結(jié)論

電驅(qū)系統(tǒng)的旋變故障是一個常出現(xiàn)、難攻關(guān)、涉及多部件的問題，本文對一些常見的旋變故障案例進行總結(jié)，為初學(xué)者進行旋變信號電路設(shè)計以及進行旋變故障排查提供指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]段卓琳.一種永磁同步電機位置傳感器故障保護控制方法［J］．微特電機，2019，49（10）：72-75.

[2]田帥．永磁同步電機位置傳感器故障診斷與容錯控制研究［D］. 背景：北京交通大學(xué)，2020.

[3]孫俊婷. 旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組開路故障的分析與處理［J］．微特電機，2019，47（5）：40-45.