利用旋变软解码研究分析车用永磁同步电机定转子同心度

李辉LI Hui

（创驱（上海）新能源科技有限公司，上海 202612）

0 引言

背景介绍：

近些年来，新能源汽车在我国高速发展，并逐步替代传统燃油车成为市场主流。与之相配套的，电驱动系统也逐步替代传统燃油发动机系统，成为新能源汽车动力总成的核心系统。新能源汽车的迅猛发展促进了电驱动系统，特别是永磁同步电机的广泛应用。然而，电机定转子同心度的精确测量对于电机性能乃至整个电驱动系统的性能至关重要，因此成为了本研究的重点。

研究目的：

永磁同步电机由于制造、安装等原因，电机定转子的同心度往往存在一定的偏差，这种偏差会导致电机内部的气隙空间分布不均匀，进而影响电机的磁场分布、电磁特性和机械运行，最终影响电机的性能和寿命。因此，研究车用永磁同步电机定转子同心度的测量和评估方法具有重要的理论和实际意义。本文提出的基于旋变软解码技术的同心度检测方法，不仅提高了测量的精准度，还简化了检测流程，具有更广泛的适用性和更高的效率。

1 文献综述

1.1 国内研究现状

国内目前对车用永磁同步电机定转子同心度的检测方法比较有限，主流采用的检测技术手段基本都是直接检测，即通过测量仪器或者视觉检测等手段直接检测定转子中心差。总体而言，可以分为以下几种：

1.1.1 采用机器视觉检测

该方法主要采用光学成像原理，对转子运动过程进行自动图像采集和处理，通过观察电机转子与定子之间的轴向位置偏差，自动判断检测结果。该方案自动化程度高，能够满足电机下线检测例如测量精度和过程节拍等要求。缺点是，由于高精度视觉检测系统对成像、照明、图像处理及检测等过程控制要求高，设备价格昂贵而且维护成本高，目前主要依靠进口。

1.1.2 采用专业测量仪器检测

该方法使用专业的测量仪器对电机转子与定子之间的轴向位置偏差进行精确测量，以确定是否符合电机同心度标准。该方案同样可以满足高精度要求，缺点是，需要进行人工目视检测及判断，同时根据不同测量位置对电机转速也有不同要求，用于下线检测存在检测节拍、检测一致性等缺点，同时高精度检测设备同样价格昂贵而且维护成本高。

1.1.3 采用功能性检测

该方法通过对电机的运行性能进行测试，如振动测试、噪音测试等，来评估电机的同心度是否符合标准要求。该方法以结果为导向，间接反馈电机同心度水平，更适合定性分析，当产生的结果有多个原因时，可能得出错误结论。

综合来看，虽然机器视觉检测和专业测量仪器检测具有较高的精度，但成本高昂，维护困难。功能性检测虽然操作简便，但容易产生误判。相比之下，本文提出的基于旋变软解码的方法，在保持高精度的同时，大大降低了成本和维护难度。

1.2 旋变软解码技术的研究进展

旋转变压器是新能源汽车电驱动系统最主要使用的角度传感器，简称旋变，通常安装在驱动电机侧，由电机控制器进行信号采集和解码。由于该解码技术复杂且关键，以往大多数电机控制器都会采用专用的解码芯片，俗称硬解码芯片。此类芯片虽然体积小、结构简单、可靠性强，但其规格有限，同时价格昂贵，主要被美国ADI 和日本多摩川等公司所垄断，很大程度上限制了其使用推广。与之相对应的，近些年来，随着电机控制器主控芯片计算能力的日益增强和系统功能的推陈出新，英飞凌、NXP 和TI 等公司已经推出了集成软解码技术方案的新一代单片机，并迅速为各家电机控制器零部件厂商所投入应用。经过重重测试验证，如今，旋变软解码技术方案已经日趋成熟，其在永磁同步电机同心度检测方面展示了显著的优势，比如更高的测量精度和更低的成本，特别适合于大规模生产和在线检测的需求。

1.3 文献评述

综上所述，传统的电机定转子同心度测量方法虽然精度高，但操作复杂、价格昂贵，不适用于大规模生产和在线检测。本文提出的方法，采用了旋变软解码的技术，利用电机控制器主控芯片的有利条件，通过嵌入式软件来实现整个传感器的解码过程。并以此为基础，通过具有软解码功能的电机控制器向永磁同步电机转子侧安装的旋变转子注入高频低压励磁信号，然后采集并解调从旋变定子返回的感应电压信号，通过对解调后正余弦信号波形的幅值进行处理和比较，来检测电机定转子同心度。本研究不仅弥补了现有检测技术在成本和效率上的不足，也为未来高效、低成本的电机同心度检测提供了新的思路。

尽管旋变软解码技术在同心度检测中表现出色，但仍需进一步提高其抗干扰能力和适应性。未来的研究应着重于提升技术的稳定性和适用范围，以满足更广泛的应用需求。

2 旋变软解码原理与方案

2.1 旋转变压器介绍

旋转变压器是一种电磁式传感器，具有误差小、精度高、耐污耐尘、抗震动、抗干扰、温度范围大等优点，非常适合用来采集电动汽车永磁同步电机的转子角度和速度。旋变是一种特殊的变压器，也是一种电机，由定子和转子组成，参见图1。一方面它具有变压器的特性，但和普通变压器不一样的是，旋变定子侧电压除了和绕组匝数相关，还和转子所呈现的角度有关。另一方面，旋变又具备电机转子可以旋转的特点，参见图2。常见的旋变安装方式是把磁阻式旋转变压器的定子和转子分别固定在电机对应的定子和转子上。

图1 旋转变压器

图2 旋转变压器电气原理

2.2 旋变软解码基本原理

旋变解码原理是向旋变转子注入励磁电流，假设施加于转子上励磁绕组的励磁电压为：

其中，ω 为励磁信号的角频率，Um为绕组端电压幅值；此时在定子的正余弦输出绕组上感应出的电压分别为：

其中，K 为旋转变压器的变比，θ 为旋转变压器转子角度；

最后对感应电压及载波信号进行解调，利用公式计算出旋变转子的角度：

所谓旋变软解码，即根据上述原理，通过嵌入式软件来控制生成励磁电流，并采集载波信号进行处理与解调，最终得出旋变转子角度及速度的过程。整个过程的波形信号参见图3 和图4。

图3 旋变励磁和载波信号

2.3 基于英飞凌单片机的软解码方案

利用英飞凌第二代TriCore 单片机Aurix 系列的DSADC（Delta Sigma ADC）模块可以帮助实现旋变软解码功能。整个方案主要分为生成励磁信号、采集和处理返回信号，具体实现参见图5。

图5 基于英飞凌Aurix 芯片的旋变软解码框图

首先通过集成在DSADC 模块中的载波生成器生成PWM 基波，再将基波时钟进行分频获得类似矩形波的初级励磁信号，然后由外部激励电路实现信号调理得到最终的正弦励磁信号。在给旋变注入励磁信号后，继续利用模块提供的DSADC 通道对从旋变返回经过缓冲后的高频正、余弦模拟信号进行数据采集，并通过反向整形和积分运算实现对载波信号的解调。

3 实验装置与方法原理

3.1 实验装置

整个实验装置包括被测永磁同步电机、电机控制器、高压直流电源和低压直流电源。其中，永磁同步电机和电机控制器内部通过高压连接U、V、W 三相，通过低压连接旋变线束包括旋变励磁信号和旋变返回信号；并通过高压直流电源和低压直流电源给电机控制器提供高压和低压，电机控制器把高压直流电逆变成交流电并以U、V、W 三相输出到永磁同步电机来驱动电机运行，具体实验平台设计框架参见图6，实际搭建的实验平台参见图7。

图6 实验平台设计框架

图7 实验平台搭建

控制器内部通过上述英飞凌单片机实现了旋变信号采集后的软解码方案，同时采集三相电流和母线电压，并最终输出六路PWM 波驱动信号控制IGBT 开关来逆变直流电源为交流电源。整个系统实现了对永磁同步电机基于磁场定向的电流闭环控制，以及基于转矩响应的转速闭环控制。

3.2 实验方法

①启动低压直流电源给电机控制器供电，使电机控制器完成低压上电初始化检查，并通过旋变低压线束向永磁同步电机注入高频励磁信号。②启动高压直流电源给电机控制器供电，使电机控制器完成高压上电初始化检查，进入等待状态。③利用调试CAN 对电机控制器进行在线测量标定，使电机控制器进入工作模式，控制电机进入转速闭环，使电机稳定在某一转速（例如1000rpm）。④使用示波器采集旋变返回信号，实时记录并分析单路sin/cos 载波波形。⑤利用调试CAN 对电机控制器进行在线测量标定，观察并记录电机控制器采集的对旋变返回信号进行解调后最终得到的包络信号。

3.3 检测原理

上述实验方法并不需要计算旋变软解码的最终结果，即旋变转子角度及速度，而是利用旋变软解码的激励生成和返回信号采集过程，通过对旋变返回信号的实时分析以及对旋变解调后的包络信号的非实时分析，来检测被测永磁同步电机定转子的同心度。

永磁同步电机定转子偏心是指电机内部定子电枢的绕线分布中心（静止部分）与转子旋转中心（旋转部分）未对准的情况。当电机正常运行时，转子旋转的轴心应该与定子的几何轴心相重合。假设通过过盈配合使得固定在电机内部的定子已居中安装，能够保证气隙间的磁密分布均匀，此时电机定转子同心度偏差通常是由电机内部转子偏心导致的。

转子偏心按照偏心方向可以分为径向偏心和轴向偏心，以径向偏心为例，参见图8，定转子间气隙的固定变化将导致电机出现电气零位误差，表现为电机输出的正弦电流信号具有周期性大小波特性。假设使用磁阻式旋转变压器的永磁同步电机，不存在旋变定转子安装误差和制造误差。当电机旋转时，电机定转子偏心导致的电气零位误差导致的大小波特性，将通过旋转变压器的返回信号表现出来，通过信号解调可以得到：

图8 转子径向偏心示意图

其中，D 为信号解调过程中产生的幅值变化系数，k1为正弦信号由于定转子偏心导致电气零位误差而产生的幅值偏移系数，k2为余弦信号由于定转子偏心导致电气零位误差而产生的幅值偏移系数。

4 实验结果与分析

4.1 实验结果

选择一台额定电压350V 峰值功率35kW 峰值扭矩105NM 的六对极永磁同步电机，该电机属于工厂售后返修件，经拆解发现存在定转子偏心问题，电机转子明显偏向左侧，参见图9。

图9 存在转子径向偏心的电机问题件

对该电机按照上述实验方法进行定转子同心度检测，完成低压和高压上电后进入工作模式，控制电机转速闭环稳定在2000 转/分钟，使用示波器实时采集到的旋变返回电压sin 信号如图10、图11。

图10 转子径向偏心导致的旋变返回信号大小波——5 个波形周期

图11 转子径向偏心导致的旋变返回信号大小波——2 个波形周期

4.2 结果分析

上述旋变返回sin 信号未进行解调，但其外包络已稳定地呈现出周期性大小波特性，参见图10，在截取到的5个连续波形周期内，在每个周期的上半周期稳定地出现大波，下半周期稳定地出现小波。在图11 中把波形范围缩小到2 个周期进一步观察发现，每个周期大波和小波峰峰值的差异基本相同，即整个正弦波形的零位由于定转子偏心出现了上移，即公式6 中的幅值偏移系数k1为正值。由此，说明当前被测电机存在的转子径向偏心问题。

5 结论与展望

本研究提供的检测方法不仅提高了永磁同步电机同心度检测的准确性和效率，也为电机制造业的质量控制提供了重要的技术支持，有助于提升电机性能和可靠性。后续研究方向应着重开发自动化的信号分析和判断算法，以实现同心度偏差的全自动化检测和对同心度计算的进一步精度量化。此外，对于转子轴向偏心和其他复杂情况的研究，应开发更高级的信号处理技术来识别和分析这些偏差。具体的研究内容还包括：

①建立电机定转子同心度与旋变返回信号之间的关联模型，解析信号零位偏差、幅值偏差等波形特征与同心度的线性或非线性关系，并通过机器学习等方法训练出全自动化检测的判断阈值。

②利用高速测量标定协议例如XCP 协议进行在线实时测量，把软解码解析后的包络信号的数字波形先通过数组高速缓存，再离线进行记录保存，这样便于后期的非实时分析和研究。

③本文所研究的定转子偏心以转子径向偏心为例，实际上，这只是电机定转子偏心的一个简化案例。进一步地，可以继续深入研究转子轴向偏心，包括更复杂的，出现转子倾斜以及同时考虑定子偏心等情况。总之，以本文提供的方法为基础，可以继续通过对旋变返回信号特征的提取和分析，来一一识别出不同原因的电机定转子同心度问题。