電機零位角對電機扭矩精度測試的影響研究

唐容輝，黃薪槐，胡慧婧，王祥恩，韋錦波

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西汽車新四化重點實驗室，廣西 柳州 545007）

引言

驅(qū)動電機系統(tǒng)是電動汽車的核心部件，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。因此，對驅(qū)動電機系統(tǒng)的扭矩精度提升和研究有重要意義。本文以實際應用的某款永磁同步電機（以下稱該電機）為例進行分析。

1 扭矩精度測試平臺

該電機扭矩精度測試工作如圖1所示的硬件平臺上進行。圖1中驅(qū)動電機和電機控制器為被測驅(qū)動電機系統(tǒng)，通過測功機和變頻柜對被測驅(qū)動電機系統(tǒng)提供轉速，電池模擬器為被測驅(qū)動電機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源，通過功率分析儀、電流互感器和轉速轉矩傳感器提供測試信號。主要信號包括母線電壓U、母線電流I、請求扭矩TdemE、實際扭矩TORQUE、轉速SPEED。每個電機和電機控制器廠商對扭矩精度的技術要求各不相同。但基本上都是要求較為嚴格，評判標準以100 N·m為分水嶺，具體計算公式為：扭矩小于等于100 N·m時：TORQUE-TdemE=扭矩精度；扭矩大于等于100 N·m時：（TORQU-TdemE）/TdemE×100%=扭矩精度。（注：TORQUE為扭矩傳感器采集到的電機實際扭矩，TdemE為電機請求扭矩）

2 旋變零位角

研究電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的扭矩精度，主要是確定在實際使用中電機的輸出扭矩是否達標且穩(wěn)定，是否能達到改善整車性能的目的，因此在電機的開發(fā)過程中，利用電機臺架平臺測試電機全速范圍內(nèi)的扭矩精度具有重大的意義。

零位角是影響扭矩控制精度的一個重要參數(shù)。電機零位角全稱為電機位置零位偏角，對電機輸出扭矩精度至關重要。當旋變零位角存在±2的電角度偏移時，會導致電機輸出扭矩在低速無/弱磁區(qū)約有±3 N·m的誤差，且在高速弱磁區(qū)約有±8 N·m的誤差[1]。

2.1 旋變零位偏角

根據(jù)電機的矢量控制技術，以三相永磁同步電機為例子，確定各個坐標系。一是以定子UVW作為參考，定子繞組的軸線相差120°，確定靜止坐標系ABC。二是靜止坐標軸αβ，α軸與A軸重合，超前α軸90度為β軸。三是轉子同步旋轉坐標軸系dq，電機轉子磁極產(chǎn)生磁場的N極中心軸線作為直軸d軸，而超前d軸90度的位置定義為交軸q軸，dq軸是以轉子同步的角速度ω旋轉，假設轉子逆時針旋轉的方向為正，如圖2所示。四是旋變零位是指旋變位置零位，旋轉變壓器的正弦輸出繞組中感應電壓最小時，電機轉子位置就是電氣零位，輸出電壓即為零位電壓，假設當dq軸坐標系旋轉至d′q′位置時，旋變實際測量所輸出的角度為零，則定義d′軸位置為旋變零位，旋變零位是固定不變的。五是旋變零位與A軸的夾角δ為旋變零位偏角，即電機需要標定的角度，如下頁圖3所示。六是旋變實際測量輸出的角度θ，下頁圖3中d軸與旋變零位重合，當轉子繼續(xù)逆時針旋轉，則旋變零位會與d軸形成一個夾角θ，如圖2所示，夾角θ就是旋變實際測量所輸出的角度。當轉子旋轉至與d軸零位重合時，則旋變實際測量所輸出的角度θ=0，如下頁圖3所示。七是電機轉子位置角度θr，即d軸與A軸的夾角，如圖2所示，θr=θ+δ。

2.2 旋變零位偏角標定的重要性

永磁同步電機的扭矩控制方式為矢量控制[2]，根據(jù)其原理，當轉子產(chǎn)生的永磁場和定子繞組產(chǎn)生的電磁場正交，電機輸出的扭矩達到最大化，因此，需要得到準確的電機轉子位置角度θr，即準確的θ和δ。在理想狀態(tài)下，旋變零位偏差的精度在電機的設計開發(fā)階段是確定的，即δ=0，但在實際的生產(chǎn)制造中，由于零部件精度、加工誤差、安裝偏差等因素，會導致旋變安裝定位存在一定的偏差，因此每臺電機在出廠時都必須要檢測和標定旋變零位偏角。

3 旋變零位角的標定

根據(jù)電機產(chǎn)生反電動勢波形，可以正確反推出電機轉子的位置角度波形。在臺架標定電機的過程中，使用電機測功機將被標定電機反拖至相應的轉速下，通過功率分析儀采集到反電動勢波形，進而推算出電機轉子位置角度的波形，如圖4所示。其次，通過電機上位機的軟件控制，使被標定電機的電機控制器進入主動短接的工作狀態(tài)，即讓三相IGBT進入“上橋臂全導通/下橋臂全關斷”或“上橋臂關斷/下橋臂全導通”的工作狀態(tài)，此時電機定子繞組與全導通橋臂的IGBT構成閉合回路，產(chǎn)生的三相電流波形也可以解算出轉子位置角度和旋變零位角。通過此方法標定得到的電機旋變零位偏角精度較高。

4 試驗數(shù)據(jù)驗證分析

該電機零位角偏差1.6度與零位角標定精準的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 零位角超差1.6度與標定精準數(shù)據(jù)對比

5 結語

通過以上數(shù)據(jù)對比可以得知，與電機零位角的超差1.6°相比，經(jīng)過重新標定零位角后，扭矩精度超差點由10個減少為3個，表現(xiàn)較好，于整車而言，解決了加速無力、能耗高等問題。電機廠商能否批量控制電機零位角處于一個較高的精度，對于目前新能源車型來說十分重要，直接影響到整車的動力發(fā)揮以及能耗。一款零位角標定精確的電機，足以讓整車的性能提高一個層級。