电机零位角对电机扭矩精度测试的影响研究

唐容辉，黄薪槐，胡慧婧，王祥恩，韦锦波

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西汽车新四化重点实验室，广西 柳州 545007）

引言

驱动电机系统是电动汽车的核心部件，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。因此，对驱动电机系统的扭矩精度提升和研究有重要意义。本文以实际应用的某款永磁同步电机（以下称该电机）为例进行分析。

1 扭矩精度测试平台

该电机扭矩精度测试工作如图1所示的硬件平台上进行。图1中驱动电机和电机控制器为被测驱动电机系统，通过测功机和变频柜对被测驱动电机系统提供转速，电池模拟器为被测驱动电机系统提供稳定的直流电源，通过功率分析仪、电流互感器和转速转矩传感器提供测试信号。主要信号包括母线电压U、母线电流I、请求扭矩TdemE、实际扭矩TORQUE、转速SPEED。每个电机和电机控制器厂商对扭矩精度的技术要求各不相同。但基本上都是要求较为严格，评判标准以100 N·m为分水岭，具体计算公式为：扭矩小于等于100 N·m时：TORQUE-TdemE=扭矩精度；扭矩大于等于100 N·m时：（TORQU-TdemE）/TdemE×100%=扭矩精度。（注：TORQUE为扭矩传感器采集到的电机实际扭矩，TdemE为电机请求扭矩）

2 旋变零位角

研究电动汽车用驱动电机系统的扭矩精度，主要是确定在实际使用中电机的输出扭矩是否达标且稳定，是否能达到改善整车性能的目的，因此在电机的开发过程中，利用电机台架平台测试电机全速范围内的扭矩精度具有重大的意义。

零位角是影响扭矩控制精度的一个重要参数。电机零位角全称为电机位置零位偏角，对电机输出扭矩精度至关重要。当旋变零位角存在±2的电角度偏移时，会导致电机输出扭矩在低速无/弱磁区约有±3 N·m的误差，且在高速弱磁区约有±8 N·m的误差[1]。

2.1 旋变零位偏角

根据电机的矢量控制技术，以三相永磁同步电机为例子，确定各个坐标系。一是以定子UVW作为参考，定子绕组的轴线相差120°，确定静止坐标系ABC。二是静止坐标轴αβ，α轴与A轴重合，超前α轴90度为β轴。三是转子同步旋转坐标轴系dq，电机转子磁极产生磁场的N极中心轴线作为直轴d轴，而超前d轴90度的位置定义为交轴q轴，dq轴是以转子同步的角速度ω旋转，假设转子逆时针旋转的方向为正，如图2所示。四是旋变零位是指旋变位置零位，旋转变压器的正弦输出绕组中感应电压最小时，电机转子位置就是电气零位，输出电压即为零位电压，假设当dq轴坐标系旋转至d′q′位置时，旋变实际测量所输出的角度为零，则定义d′轴位置为旋变零位，旋变零位是固定不变的。五是旋变零位与A轴的夹角δ为旋变零位偏角，即电机需要标定的角度，如下页图3所示。六是旋变实际测量输出的角度θ，下页图3中d轴与旋变零位重合，当转子继续逆时针旋转，则旋变零位会与d轴形成一个夹角θ，如图2所示，夹角θ就是旋变实际测量所输出的角度。当转子旋转至与d轴零位重合时，则旋变实际测量所输出的角度θ=0，如下页图3所示。七是电机转子位置角度θr，即d轴与A轴的夹角，如图2所示，θr=θ+δ。

2.2 旋变零位偏角标定的重要性

永磁同步电机的扭矩控制方式为矢量控制[2]，根据其原理，当转子产生的永磁场和定子绕组产生的电磁场正交，电机输出的扭矩达到最大化，因此，需要得到准确的电机转子位置角度θr，即准确的θ和δ。在理想状态下，旋变零位偏差的精度在电机的设计开发阶段是确定的，即δ=0，但在实际的生产制造中，由于零部件精度、加工误差、安装偏差等因素，会导致旋变安装定位存在一定的偏差，因此每台电机在出厂时都必须要检测和标定旋变零位偏角。

3 旋变零位角的标定

根据电机产生反电动势波形，可以正确反推出电机转子的位置角度波形。在台架标定电机的过程中，使用电机测功机将被标定电机反拖至相应的转速下，通过功率分析仪采集到反电动势波形，进而推算出电机转子位置角度的波形，如图4所示。其次，通过电机上位机的软件控制，使被标定电机的电机控制器进入主动短接的工作状态，即让三相IGBT进入“上桥臂全导通/下桥臂全关断”或“上桥臂关断/下桥臂全导通”的工作状态，此时电机定子绕组与全导通桥臂的IGBT构成闭合回路，产生的三相电流波形也可以解算出转子位置角度和旋变零位角。通过此方法标定得到的电机旋变零位偏角精度较高。

4 试验数据验证分析

该电机零位角偏差1.6度与零位角标定精准的试验数据如表1所示。

表1 零位角超差1.6度与标定精准数据对比

5 结语

通过以上数据对比可以得知，与电机零位角的超差1.6°相比，经过重新标定零位角后，扭矩精度超差点由10个减少为3个，表现较好，于整车而言，解决了加速无力、能耗高等问题。电机厂商能否批量控制电机零位角处于一个较高的精度，对于目前新能源车型来说十分重要，直接影响到整车的动力发挥以及能耗。一款零位角标定精确的电机，足以让整车的性能提高一个层级。