基于電機轉矩波動控制的車內噪聲優化研究

崔華閣，閆曉曉，江克峰

(1.中國汽車技術研究中心有限公司， 天津 300300; 2.上海知豆電動汽車有限公司, 上海 201800)

目前，新能源汽車已成為全球汽車工業發展的重點。新能源汽車的核心是驅動力的新能源化。我國新能源汽車發展的技術路線以“純電驅動”為戰略取向，與全球汽車動力系統電動化技術變革趨勢相適應[1-2]。

永磁同步電機由于具有轉矩密度較高、調速范圍較寬等優勢，被作為動力驅動電機廣泛應用于純電動汽車[3-4]。與傳統燃油汽車動力傳動系統相比，由于電機轉矩輸出軸直接與減速器通過花鍵相連接，缺少液力變矩器等阻尼裝置，且在起步加速階段電機輸出扭矩為大扭矩輸出，因此，電機的轉矩波動對整車的影響較為明顯，往往會引起整車低速行駛時的抖動現象，降低駕乘舒適性。

國內外研究人員對永磁同步電機轉矩波動產生的機理和控制方法進行了廣泛的研究，何呂昌[5]、伍先俊等[6]對電動汽車用電機噪聲產生的機理和降噪方案進行了研究。李耀華等[7]、 韓建群等[8]、Jung W P等[9]對汽車用永磁同步電機轉矩波動控制策略進行了研究，提出可以通過優化控制策略降低電機轉矩波動。

本文以某純電動汽車在起步全油門加速工況(WOT)下車內轟鳴聲的解決過程為例，考慮引起電機轉矩波動的影響因素，并對電機轉矩波動控制策略進行優化，進而達到消除車內異常噪聲的效果，旨在為汽車研發人員解決類似問題時提供一定的參考。

1 問題描述

該車搭載的電驅動總成采用前置前驅布置型式，電機采用永磁同步無刷電機，減速器與差速器采用整體式結構。在WOT工況時，車內駕駛位置在電機轉速350 r/min附近出現轟鳴噪聲，主觀感覺車內聲壓級較大且存在整車振動沖擊現象。通過測試得到駕駛位置在該工況下噪聲聲壓級及頻譜圖，如圖1～ 2所示。

圖1 WOT工況車內噪聲聲壓級

由圖1可以看出：在電機轉速350 r/min附近，車內出現較高的噪聲峰值，產生強烈的轟鳴聲，這與主觀感受相同，并伴隨有較大的整車振動沖擊。

結合圖1產生異常噪聲的電機轉速并根據圖2車內噪聲頻譜圖可知：該異常轟鳴噪聲頻率主要在120 Hz附近，且存在撞擊現象。通過對該噪聲頻譜進行階次分析，發現該問題發生的階次頻率與減速器輸入軸齒輪階次(19階)頻率一致，故基本可以判斷該峰值問題由電驅動總成引起。

圖2 WOT工況車內噪聲頻譜圖

2 問題診斷

為進一步確認該峰值問題發生的根源，對電驅動總成殼體進行振動測試分析及基于CAN總線的故障診斷數據分析。

2.1 WOT工況下電驅動總成殼體表面振動特性

在整車安裝狀態下，對WOT工況下電驅動總成殼體表面進行振動測試，測點位置見圖3。

電驅動總成表面振動加速度測試結果見圖4。從圖4可以看出：在WOT工況下減速器各齒輪軸端、主減速器及電機殼體表面振動加速度在350 r/min附近均出現不同程度的峰值，其中整車坐標系下X、Z向振動峰值較為明顯，Y向振動峰值相對較低，且與驅動電機直接通過花鍵連接的減速器輸入軸端振動峰值最大，同時在電機殼體的端部也檢測到較明顯的振動峰值。由于產生轟鳴噪聲的頻率主要在120 Hz附近，而電驅動總成的彈性體模態頻率(347 Hz)要遠高于該頻率，且存在撞擊現象。因此，可以判斷出因電機輸入到減速器的轉矩存在較大波動導致電驅動總成產生強迫振動，通過結構傳遞到車身，產生轟鳴噪聲。

圖3 電驅動總成表面振動測點位置示意

圖4 電驅動總成殼體表面振動加速度

2.2 基于CAN總線的故障診斷數據提取分析

通過上述振動測試分析，基本上確定了問題發生的根源為電機轉矩波動較大。為證實電機轉矩波動，在整車狀態下，提取CAN總線協議中的電機轉速、VCU指示轉矩以及電機轉矩信息進行分析，提取信號見圖5。由圖5可知：在起步急加速工況，在電機轉速200～500 r/min時，VCU輸出轉矩指令為最大恒定轉矩，而電機輸出轉矩則產生較大波動，轉矩波動達到±6 N·m，超出一般波動水平。結合振動分析結果，確定峰值噪聲問題產生的原因為電機轉矩波動異常，導致電驅總成產生強迫振動并傳遞至車身引起。

3 電機轉矩波動影響因素及控制

3.1 電機轉矩波動影響因素

具有空間正弦分布繞組的永磁同步電機在理想情況下，三相電流通過后，電磁轉矩保持恒定，不存在轉矩波動。但實際情況是反電勢諧波及電流時間諧波會導致電磁轉矩產生波動。另外，永磁同步電機永磁體轉子和定子齒槽相互作用會產生齒槽轉矩，這部分轉矩隨著轉子旋轉而周期變化，也是轉矩波動的組成成分[10]。一般來說，引起永磁同步電機轉矩波動的主要因素為以下幾點[11]：

1) 氣隙磁場諧波的影響；

2) 齒槽力矩的影響；

3) 定子電流時間諧波的影響；

4) 電機磁路飽和的影響；

5) 制造工藝的影響，如定子的動不平衡、偏心等。

圖5 CAN總線提取電機轉速、轉矩相關信號

電動汽車用永磁同步電機驅動系統普遍采用矢量控制技術和直接轉矩控制技術。矢量控制通過轉子磁場定向，實現了電流勵磁分量與轉矩分量的解耦[12]，將交流電機控制等效于直流電機調速控制。為提高轉矩輸出能力，降低損耗，在低速行駛工況時基本采用MTPA矢量控制技術，通過增加id電流來提高磁阻轉矩。在轉子磁鏈旋轉dq坐標系下，轉矩可以表示為

ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(1)

式中:Te為電機轉矩;p為電機極對數;ψf為永磁體磁鏈;Ld、Lq分別為d軸和q軸電感;id、iq分別為d軸和q軸電流分量。由式(1)可知，如果d軸勵磁電流分量恒定，則永磁同步電機轉矩與q軸轉矩電流分量成正比。

電機調速控制實際是對電磁轉矩的控制，為取得恒定電磁轉矩，電機的反電動勢和定子電流就需為正弦波，以產生圓形旋轉磁場。實際上由于調制原理和逆變器死區效應的存在，反電勢波形便會產生畸變，輸出電流帶有高次諧波[11]，反電動勢諧波和電流波形的非正弦性引發電磁轉矩波動。另外，定子齒槽與轉子相對離散結構也會導致電壓電流的畸變，產生轉矩波動。

3.2 電機轉矩波動的控制優化

為改善因轉矩波動導致的起步急加速工況車內異常噪聲問題，在排除了電機制造工藝的影響的情況下，對電機控制程序實施了優化，主要優化方案為：

方案1 在整車上標定電機轉矩變化梯度；

方案2 增加轉速反饋環節，對力矩給定進行補償，主動抑制轉矩波動；

方案3 優化電流波形。

優化方案1中，在整車狀態下標定電機轉矩的變化梯度，使電機輸出轉矩以最大轉矩 max[Te]輸出時轉矩波動量控制在±2% max[Te]的范圍內。方案2中對電機控制策略進行優化，增加了轉速閉環控制環節，在設定的周期內計算給定轉速與實際轉速的差值，并將其轉化為母線電壓值以控制電機的轉速值，起到穩定轉速和抗負載擾動的作用。方案3對電機相電流進行優化，改善了電流波形，優化前后通過示波器對電流波形進行觀察，電機轉速為500 r/min、輸出轉矩為60 N·m時波形對比見圖6。從圖6中可以看出：優化后電流波形更平滑且削頂現象已消除。

在整車工況狀態下，提取CAN總線協議中的電機轉速、VCU指示轉矩以及電機反饋轉矩信息進行分析，結果見圖7。從圖7可以看出：對電機轉矩波動進行控制優化后，急加速過程中，電機反饋轉矩波動減小，曲線平滑。

電機轉矩波動優化后，在整車安裝狀態下針對WOT工況對關注位置(減速器各齒輪軸端、主減速器及電機殼體表面)進行振動測試，同時測出駕駛員右耳位置噪聲，優化前后對比見圖8～10。

圖6 優化前后電流波形對比

圖7 CAN總線提取優化后電機轉速、轉矩相關信號

圖8 優化前后WOT工況車內噪聲聲壓級對比

通過對比減速器各齒輪軸端部、主減速器及電機殼體表面的振動可以看出：減速器輸入軸、減速器中間軸位置各方向振動在優化前后無明顯變化；主減速器殼體X向、Z向振動優化后350 r/min附近峰值基本消除，非主要受力方向Y向基本無變化；電機殼體X向振動優化后350 r/min附近峰值基本消除，Y向、Z向無明顯變化且在問題轉速附近無顯著峰值。這表明在對電機轉矩波動進行控制優化后，在350 r/min附近電機轉矩輸出變得平順，對傳動軸的沖擊消除。

圖9 駕駛員右耳位置噪聲-Colormap

圖10 駕駛員右耳位置噪聲聲壓級-Overall

由同步測試出的車內噪聲Colormap圖可知：優化后350 r/min附近對應的120 Hz區域噪聲明顯降低，這與噪聲聲壓級Overall曲線異常峰值消失相吻合。結合電機、主減速器殼體振動來看，正是由于在急加速過程中電機輸出轉矩波動較大，通過齒輪傳動結構將振動沖擊傳遞到主減速器并通過半軸傳遞至車身，進而引起車內轟鳴聲。

4 結束語

電機轉矩輸出的平順性取決于電機的轉矩波動大小，事實上，電機轉矩波動是無法消除的。如何在整車上抑制電機的轉矩波動，降低車內振動噪聲是目前各整車生產企業必須解決的問題。本文通過對驅動電機控制策略及程序進行優化，使其轉矩波動控制在合理水平，進而消除加速車內異常峰值噪聲。旨在為汽車開發過程中解決類似的問題時提供思路和方向。