新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制可靠性分析

张维威

（广东环境保护工程职业学院，佛山 528216）

引言

当前，应用于新能源汽车的驱动电机主要有四类，分别为开关磁阻电机、直流无刷电机、交流感应电机、永磁同步电机。其中，开关磁阻电机控制简单、成本较低，然而存在输出转矩脉动大、噪声大等问题，被应用于商业车；直流无刷电机质量轻、体积小、控制换相简单、成本低，但同样存在主要工作在低速范围、弱磁困难、噪声较大、输出转矩脉动大等问题，主要应用于小功率的低速车[1]。早期乘用车采用交流感应电机，相比同步电机，其效率较低，为确保续航里程必须增加电池成本，使新能源汽车整个系统在经济上有所下降，因此目前新能源乘用车已经逐渐以内置式永磁同步电机为主[2]。内置式永磁同步电机在运行时会发生低频振动，从而产生电磁噪声，当噪声较大，不仅会对工程技术人员的健康造成影响，还会损伤电机本身结构，对其寿命造成影响，尤其是对于车用电机，其低频振动问题会直接影响汽车销售量，因此新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制问题受到汽车厂家的重视，成为新能源汽车领域的一个重要研究课题。而对其低频振动抑制问题，为评估其抑制效果，需要对其实施可靠性分析。

对于低频振动抑制可靠性分析问题，由于低频振动问题早已受到关注，因此其振动抑制可靠性分析问题在长期研究下也已经获得了长足的发展，取得了一定研究成果。其中文献[3]中提出了一种采用超调量M 与可信性的比较标准阻尼比ξ 的评估方法，评估结果表明，前文设计方案对于电机的平稳启动是可行、有效的。文献[4]中提出了一种星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法，能够获知反射面天线臂主动振动抑制效果。以上低频振动抑制可靠性分析方法存在评估准确率较低的问题，设计一种针对新能源汽车永磁同步电机的低频振动抑制可靠性分析方法。

1 新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制可靠性分析方法设计

1.1 基于加速度传感器与数据采集卡的低频振动抑制信号采集

基于加速度传感器与数据采集卡采集新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制信号即永磁同步电机的位移跟随误差离散信号。其中数据采集卡的设计具体如下：设计一种双ADC 数据采集卡，由母板和子板构成[5]。

通过子板能够实现数据的接收缓存、采集转换功能，子板主要由电源模块、ADC 高速采样模块、时钟产生与扇出模块、模拟信号调理模块等构成，具体结构如图1 所示。

其中信号调理是前端部分，由单端转差分电路、低通滤波电路与功率分配幅度衰减电路组成。其中通过功率分配幅度衰减电路能够对一个通道的信号实施等功率地划分，使其分成两路，并使输入信号获得幅度衰减，满足ADC 的电压输入范围[6]。选用的功率分配幅度衰减器是Y 型三电阻网络。

通过低通滤波电路能够避免发生噪声混频问题，选用的是无反射低通滤波器XLF-861+，满足设计要求。

单端转差分电路用于实施滤波后信号的单端转差分处理，采用的是抗干扰强、低噪声的巴伦型高速射频变压器ETC1-1-13。经单端转差分转换后，通过交流耦合方式将信号输入至ADC 的模拟输入通道[7]。

选用的ADC 芯片为EV10AQ190，内置四个ADC核，各核采样率最高可达1.25 Gsps，通过SPI 总线能够对其采样模式进行配置。

选用的FPGA 芯片为XC6VLX240T，负责时钟发生器与两片ADC 的SPI 总线配置以及数据接收缓存。其面向两个ADC 的引脚分配方案设计如表1 所示。

表1 FPGA 面向两个ADC 的引脚分配方案设计

在电源模块1 中，采用的供电电源为LDO 线性电源与LDO 线性稳压器，向FPGA 芯片供电。在电源模块2中，通过两片LT1764 向两片ADC 的模拟部分供电[8]。

各芯片的控制信号与数据需要分配至连接器引脚上，选用的FMC 高速接口总线型号为HPC FMC 连接器。

在时钟产生与扇出模块中，通过时钟发生器与时钟扇出芯片分别向两路ADC 提供采样时钟，并向FPGA 提供测试时钟。通过同步信号电路与两路向ADC 提供的采样时钟产生高速同步信号，使两路ADC 实现片间同步。利用SPI 总线配置时钟发生器的引脚。

通过母板能够实现数据处理，母板由千兆网数据传输接口模块、DDR3 存储模块与FPGA 模块构成。

其中母板FPGA 主要负责接收子板HPC FMC 连接器的数据，控制千兆以太网与DDR3 的接口。选用的FPGA 芯片型号为EP4CE6E22C8N[9]。

在DDR3 存储模块中，选用的DDR3 内存条型号为MT8JSF25664HZ，其内存条容量为2 GB。

在千兆网数据传输接口模块中，选用的传输接口为GMII 接口，可达1 000 Mbps 的传输速率。

通过供电芯片TPS51200 为母板供电。

设计一种压电加速度传感器，其结构设计如图2 所示。

图2 压电加速度传感器结构设计

所选用的材料为镍铬铁合金材料Inconel600，是一种耐高温材料，适用于制作各部分零件。

将压电加速度传感器安装在永磁同步电机低频振动控制器上，实施位移跟随误差离散信号采集，通过数据采集卡向PC 端传递采集信号。

1.2 基于CEEMDAN-SG 联合去噪算法的低频振动抑制信号去噪处理

在位移跟随误差离散信号的采集中，由于高温环境与传感器精度的干扰，存在一定噪声。为实现更加准确的低频振动抑制可靠性分析，需要对采集信号实施降噪处理[10]。

采用的降噪处理算法为CEEMDAN-SG 联合去噪算法，具体去噪流程如下：

1）信号分解

通过CEEMDAN 算法将采集信号分解为 个由高频到低频IMF 信号与一个残差信号，其中残差信号用u(r)来表示，IMF 信号用下式来表示：

式中：

IMFn—第n个IMF 信号[11]。

2）IMF 划分

通过能量贡献率与自相关函数分析实施IMF 的划分，将其划分为由有用信号主导的分量与由噪声主导的分量两部分。

则采集信号可以用下式来表示：

式中：

l—噪声主导分量与有效信号主导分量的界限值；

IMFi j(r)—指噪声主导分量；

b—低于0.05 %的能量贡献率界限值；

IMFi j(r)—有效信号主导分量。

3）信号重构

将能量贡献率低于0.05 %的那些信号剔除，实施处理后噪声主导分量与有效信号主导分量的重构。

用表示重构信号，其数学表达式具体如下：

式中：

处理后的噪声主导分量[12]。

就此完成采集的位移跟随误差离散信号的降噪处理。

1.3 低频振动抑制可靠性分析

设计一种低频振动抑制可靠性分析方法，实施新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制可靠性分析与评估。该方法的具体流程如下：

1）对于经过去噪处理的，将其视为一个i维向量，用下式表示其采样周期：

2）利用多个构造位移误差样本空间，具体如下式：

3）应用平稳区间过程模型E K(r)实施样本空间δ的描述。利用包络法确定E K(r)的相位滞后时间tε、相位超前时间tφ、以及半径函数R(E K(r))[13]。

4）对E K(r)实施离散处理，使其成为含有q个元素的区间序列，具体如下式：

5）依据自相关系数函数定义获取E(r)'的自协方差函数矩阵，用CfK fK(ri,rj)来表示。其中i,j= 1,2, … ,q[14]。

6）获取CfK fK(ri,rj)的区间过程模型特征参数。

7）获取等效激励f K(r)的区间过程模型特征参数。

8）根据两个区间过程模型特征参数计算柔性末端在r=re'时刻的速度响应区间与位移响应区间[15]。

9）计算永磁同步电机低频振动抑制可靠性评估指标FP。FP是低频振动抑制鲁棒性的对应量化模型可靠度，计算公式具体如下：

式中：

γn—永磁同步电机低频振动抑制的固有频率；

—位移响应区间中的最大值；

—速度响应区间中的最大值[16]。

就此完成永磁同步电机低频振动抑制可靠性的评估。

2 实验测试

2.1 实验平台设计与实验流程

对于设计的新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制可靠性分析方法，利用其对某新能源汽车永磁同步电机实施低频振动抑制可靠性评估，测试设计方法的可靠性评估表现性能。

实验对象为一款新能源车用48 槽8 极内置式永磁同步电机，设计一个样机实验平台，用于实施试样对象的低频振动抑制，从而实施其可靠性评估。

设计的样机实验平台具体如图3 所示。

图3 样机实验平台设计

将压电加速度传感器安装在控制器上，实施位移跟随误差离散信号采集，通过数据采集卡向PC 端传递采集信号。将采集的信号作为实验信号数据集。

采用CEEMDAN-SG 联合去噪算法，对采集信号实施降噪处理，降噪前后的采集信号对比情况如图4 所示。

利用设计的低频振动抑制可靠性分析方法，实施新实验样机的低频振动抑制可靠性分析与评估。PF的计算结果如下式：

也就是实验样机的低频振动抑制可靠性在0.480~0.990 这一区间之间，整体低频振动抑制可靠性较高。

改变实验样机的运行频率，测试设计方法在不同频率下的PF误差曲线，包括误差最大值曲线与误差最小值曲线。在测试中，将采用超调量M 与可信性的比较标准阻尼比ξ的评估方法与星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法作为对比方法，同样测试两种方法在不同频率下的PF误差曲线，并分别用方法1、方法2 来表示这两种方法。

2.2 FP 误差曲线测试与分析

分别测试三种实验方法的PF误差曲线，误差最大值曲线与误差最小值曲线测试结果如图5 所示。

图5 误差曲线

根据上图，设计方法在低频振动抑制可靠性评估中的PF误差最小值低于两种对比方法，其PF误差最大值也始终低于方法1、方法2，说明设计方法的低频振动抑制可靠性分析准确性明显更高，评估性能明显更好。

3 结束语

新能源汽车永磁同步电机的主要工作区位于中低速区，使其在运行不可避免地会产生低频振动，带来电磁噪声问题，因此永磁同步电机低频振动抑制是一项很有必要的工作，对于扩大永磁同步电机的使用范围以及提高电机寿命都有良好的工程意义。现设计一种新能源汽车永磁同步电机低频振动抑制可靠性分析方法，能够准确评估低频振动抑制的可靠性，为采取合适的永磁同步电机抑振策略奠定基础。