电动车永磁无刷高速电机与控制器的波形匹配研究及优化设计

电动车永磁无刷高速电机与控制器的波形匹配研究及优化设计

摘要采用示波器对电机、控制器的霍尔、相电压、相电流波形进行测试分析，从而找出了控制器损坏的原因，提出了电机的结构优化方案，反复修正，最终使得电机和控制器的波形匹配达到最佳状态。在提高整车行驶性能的同时，使得控制器的故障率降到3 ％以下。

关键词电动车；永磁无刷电机；无刷控制器；波形匹配

永磁无刷电机、控制器作为中小型电动车的两大核心零部件，二者的匹配性能直接影响整车的性能，因此在电动车设计时，不仅要求电机的定子、转子设计合理，而且要求控制器要有与电机转速相匹配的采样频率范围。由于永磁无刷电机的特殊性，如果其定子和转子的结构以及霍尔的安装位置三者关系处理不好的话，对控制器的影响是很大的。在实际应用中，发现控制器故障率较高，经过分析测试，确定故障模式为MOS管击穿损坏，MOS管型号加大后故障依然存在。

文中针对该问题，在现有的某车型无刷永磁电机和控制器的基础上，对故障模式进行分析和研究，确定了故障原因，并制定了整改方案，对电机的内部磁钢、线圈、霍尔安装位置等进行了优化设计，经过测试，提高了电机、控制器系统工作效率，并大大降低了控制器的故障率。

1 控制器损坏故障原因分析

通过对电机霍尔信号波形分析，发现：电机霍尔信号在换相过程中波形有异常，波形示意图如图1、图2。

正常的霍尔换相波形为比较干净的方波，在上述（图1）椭圆形区域脉冲干扰信号的持续时间已经达到了400 us，足可以导致控制器执行换相动作，进而出现换相失步的现象，功率管中的电流会急剧增大，导致控制器烧毁。

使用的电机为差速电机，差速电机内部由于磁极对数少（4对极），转速较高，同时差速电机线圈内阻很小，约100 mΩ，因此霍尔安装的精度要求高；低速下电机相线电流较大，再加上霍尔信号错误，必将导致功率管击穿。差速电机在全速工作时单相霍尔换相频率为

240 Hz，周期为4.1 ms。对于霍尔信号干扰问题做了一系列的实验，通过增大硬件和软件滤波能力来避免换相错误，在实验中发现，差速电机的转速很高，换相很快，对霍尔信号进行滤波后，会导致电机换相失步。

为了解决该问题，临时采取对控制器的电机相线电流进行限制的方法进行处理（设置为50 A），结果有所改善，但不能从根本上解决该问题，如果从根本上解决问题，必须对电机的内部结构作出改进。

2 整改措施

电机转子的磁钢由4对改为8对，定子线圈由12极改为18极，硅钢片叠厚由25改为30，磁钢长度由25改为30，并对霍尔的安装位置进行了调整，使霍尔波形消除断点，达到理论值。调整后转速脉冲增加一倍，对控制器需求更高；相应的，控制器的采样频率也作了调整。改进后的电机经测功机测试，功率由500 W增加到650 W，过载能力有显著提高，霍尔信号波形明显改善。

3 整改电机后，系统分析测试

3.1 电机换时间测试

整改后差速电机最高速平均换相时间400 us，不小于高速电机最小换相时间，波形比较平滑，没有断点现象，测试合格。

3.2 HALL信号完整度（如图3）

整改后HALL信号无干扰波形，测试结果合格。

3.3 相线电压波形（如图4）

相线波形比较规则，无干扰波形，测试结果合格。

3.4 相电流波形

整改后的相电流测试波形较平稳，加载过程中相电流功换正常，补偿正常，相电流波形无干扰。结论：相线波形无干扰波形，测试结果合格。

3.5 实际应用

整改后的电机和控制器已经在1T11系列车型上成功应用，通过市场跟踪，故障率由改进前的20 ％降低到3 ％以内，解决了电机设计和控制器的波形匹配问题。

4 总结

电机结构从原先8极磁钢改为16极磁钢，其磁钢间隙减少，霍尔的安装位置做了调整，换相无不良信号产生，另换相时间平均400 us，满足控制器换相时间要求。在空载、加载情况下，电机与控制器都能正常工作，尤其是HALL信号的正常工作，给控制器的正常工作提供了保障。

通过波形测试，调整了电机、控制器的参数，使得电机及控制器的匹配达到了理想状态。

参考文献

[1]赵宏涛,吴峻.一种消除直线永磁无刷直流电机边端效应对换相时机影响的方法[J].国防科技大学学报,2010,04.

[2]王海峰,江汉红,陈少昌.直流无刷电机系统的最佳控制器设计[J].电机与控制应用,2005,7.