環衛車上裝電機及控制器故障模式研究

李建華，袁 峰，王銀輝

（長沙普羅科環境裝備有限責任公司，湖南 長沙 410100）

2017年3月5日，李克強總理在兩會政府報告中提出“強化機動車尾氣處理，鼓勵使用新能源汽車”。純電動汽車隨即在乘用車、商用車和專用車領域大力推廣。電動環衛車輛穿梭在城市的大街小巷，助力城市的環境衛生保潔、垃圾收運、霧霾治理和綠化灌溉。

環衛車上裝電機系統用來驅動風機、水泵和油泵，其主要組成部分有電動機、功率轉換器、控制器及各種傳感器等。由于永磁同步電機具有效率高、功率密度高和調速范圍寬等優點，被廣泛應用于電動車輛電機驅動系統中，在電動環衛車行業，上裝亦采用永磁同步電機驅動，電能來自底盤動力電池。

環衛車作業工況惡劣，在復雜的工作環境下，動力及其控制系統可能會出現不同程度的故障，本文主要針對上裝電機驅動系統故障模式進行研究，并結合工況制定合理的應對策略，保障上裝功能的穩定性，對提升車輛的出勤率具有良好意義。

1 上裝電機系統組成

上裝電機系統主要由永磁同步電機 （以下簡稱電機） 和驅動器組成，其系統組成參見圖1，驅動器輸入端與直流母線相連，輸出端與電機相連，以驅動電機的運轉，其拓撲結構參見圖2。

電機的結構比較簡單，包括定子鐵心、定子繞組、轉子、轉軸、軸承、散熱水套、位置傳感器 （旋轉變壓器）、機座等。參見圖3。

圖2 電機系統電氣拓撲簡圖

圖3 永磁同步電機組成簡圖

電機的轉子結構可以根據永久磁體在轉子上的位置不同劃分為3大類：面貼式、內嵌式和內埋式。具體的轉子結構如圖4所示。本項目所使用電機均為內嵌式。

圖4 永磁同步電機轉子結構

在驅動電機工作時，需要采用專用電機控制器。電機控制器的組成包括電源模塊、IGBT （或MOSFET）、穩壓電容、驅動電路、微處理器、采樣模塊、PWM脈寬調制模塊、CAN通信模塊、電流電壓傳感器、溫度傳感器、位置傳感器、水套、高低壓連接器、銅排和機殼。電機控制器組成如圖5所示。

圖5 電機控制器組成簡圖

2 電機和電機控制器的工作原理

電機系統本身就是一個機電耦合系統，其涉及電機學、電磁學、電力電子、機械學、熱學、信號處理技術和計算機科學等多學科技術。

2.1 電機工作原理

電機是一種以磁場為媒介、以電磁理論為基礎的能量轉換裝置，其工作包含兩種模式：電動模式和發電模式。

電機在工作時，電機的氣隙里建立一個磁場，電動機的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉磁場，由于在轉子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉，最終達到轉子的旋轉速度與定子中產生的旋轉磁極的轉速相等，這就是電動模式；反之，若從軸上輸入機械能，同時從線圈取走電能，這就是發電模式。其工作原理圖參見圖6。

圖6 永磁同步電機工作原理簡圖

2.2 電機控制器工作原理

電機控制器結構組成參見第1章節，主要功能便是將直流電源輸出的直流電轉化為永磁同步電機所需的交流電，因此其又被稱作直流/交流 （DC/AC，逆變器） 變換器。電機控制器系統模塊參見圖7。

圖7 電機控制器系統模塊簡圖

電機控制器是電機系統的關鍵技術，其控制性能直接影響電動機的輸出特性。因此其必須滿足在不同的轉速下，輸出特定的轉矩，該轉矩即為需求轉矩。為了實現這一要求便需要對永磁同步電機的輸出轉矩進行控制，這也是電機控制技術的核心任務。電機控制的核心部件為傳感器、電機控制器，通過二者可時刻掌握轉子的工作狀態，并計算電機在各時刻的需求電壓，從而實現電機輸出轉矩的控制。

由于電機具有交流三相繞組的結構，電機控制器一般都由6個電力半導體器件組成。IGBT是當今電驅系統中最常用的功率半導體開關器件，其綜合了GTO電力晶體管和MOSFET電力場效應管的特性。電機控制器中最為核心的便是控制算法，其中最為常用的永磁同步電機控制技術為磁場定向矢量控制技術。

3 電機系統常見故障分析

在實際工程中，電動環衛車上裝采用永磁同步電機驅動風機、水泵和油泵。電機系統長期工作在灰塵、水和油污環境下，環境惡劣；同時，電機系統被安裝在上裝動力平臺上，外部有罩蓋遮擋，空間密閉，不利于散熱，出現故障在所難免。為了更好地歸納故障現象、種類和產生原因，文中對電機和控制器常見故障進行分類，分為電器故障、機械故障和電磁故障。更進一步地對故障種類的危機程度進行了定義，分為1級、2級、3級。

3.1 電機常見故障分析

電機的滾動軸承長時間高負荷運轉或潤滑不充分，會導致其故障發生的頻率最高，定子繞組類故障次之。軸承故障會導致軸承彼此摩擦，異常振動，嚴重時會燒毀軸承；定子繞組故障，會導致電機輸出轉矩和平均輸出功率下降，嚴重會造成搭鐵故障，而燒毀電機。

大部分電機故障都是綜合故障且相互影響，為了更好地描述電機的故障，文中把電機故障分為電器故障、電磁故障和機械故障。電機故障列表及分析參見表1。

表1 電機故障列表及分析

3.2 電機控制器常見故障分析

根據第2章描述，電機控制器涉及集成電路、半導體芯片、傳感器、微處理器多門學科，考慮到集成電路、傳感器、外圍附件和電磁兼容等因素影響。在實際工程中，電機控制器出現故障的幾率比電機要大。文中列舉了部分常見故障，參見表2。

表2 電機控制器故障列表及分析

3.3 故障歸納分析

由于現實工程項目中，隨時都有可能發生故障，故障的監測必須具有實時性，所以故障診斷都是通過各種傳感器采集所需的物理量，再通過分析采集到的物理量進行是否存在故障以及何種故障的判斷。因此必須要對前文中所列舉的電機和控制器故障進行歸納。歸納后的故障列表參見表3。

重要性反應了故障對系統造成的影響大小，危險等級會導致硬件損壞，系統功能喪失；危險等級狀態下，電機處于故障狀態，部分功能下降，達不到實際使用要求。

3.4 電機系統故障等級分析

在實際工程中，電機系統的電源為底盤動力電池提供的直流電源，電池的電壓受單體電芯電壓影響，如磷酸鐵鋰電池，電壓在2.6～3.6V，系統標稱電壓為537.6V，其電壓范圍為436.8～604.8V，最高和最低相差168V，幅差較大。同時，因為動力電池的電壓檢測方法原因，在電池放電時，其電壓平臺會拉低，電流越大，拉低效果越明顯；在電池充電過程中，電池被施加一個較大的電壓去給動力電池充電，在充電末段，電壓上升非常緩慢，直至電池達到充電截止電壓，考慮到電壓采集誤差和電池過充導致電池組電壓升高情況。對于過壓、欠壓、過流類故障，應按照硬件特性進行細化，不能單一地按照有無故障去衡量，還應根據實際情況制定不同等級。MCU母線過壓設置為2個級別。其它電流、溫度均采用相同方法設置兩個級別。電機系統故障分級參見表4。

表3 電機系統故障歸納

需要特別指出的是表4中所列舉的參數閾值均為作者所研發項目定義值。

表4 電機系統故障分級列表

在車輛使用過程中，上裝受到猛烈撞擊、振動或接插件存在品質缺陷情況下，CAN總線會存在通信故障。這種故障下，MCU收不到上裝控制器發送的指令，會立即停機，可能導致IGBT損壞，高壓接觸器粘連，使得硬件損壞。對于此類情況，只存在兩種狀態，有故障和無故障。其故障對系統的影響程度不同，又分為2級故障和3級故障。電機系統故障參見表5。

表5 電機系統故障列表

4 電機系統故障處理策略

基于第3章節中描述的永磁同步電機和控制系統的各種故障現象、故障造成的結果及故障原因，從上裝控制層面做出相應控制，避免電機系統帶故障作業。進一步地，對于一些不嚴重的故障，如系統1級故障采用儀表顯示，輔以語音提示，部分功能不受影響 （如卸料等）。上裝控制器主動降低使用功率，使得負載不至于突然中斷；如系統2級故障，上裝控制器主動請求功率置零，以避免電機和控制器進一步受損。對于系統3級故障，上裝控制器主動請求斷開電機控制器高壓電源。制定的故障處理機制參見圖8。

在實際工程中，電機和電機控制器系統所涉及的1、2、3級故障眾多，為了更好地將故障等級和電機系統故障對應起來，有必要將電機和控制器所產生的故障和系統故障對應起來，這樣就形成了總的故障等級。故障分級對應關系參見圖9、圖10、圖11。

圖8 故障處理機制圖

5 結論

文中首先介紹了電機和電機控制器的結構組成和工作原理，分析了電機系統存在的機械故障、電器故障和電磁故障，進一步從故障現象分析出電機和電機控制器的故障類別和重要等級，推導出在工程應用中適用的電機和電機控制器故障列表，最終構建出電機系統故障列表，并制定了相應的處理策略。

圖9 1級故障列表

圖10 2級故障列表

在環衛車上裝電動化的進程中，永磁同步電機受到廣泛使用，制定完善的處理機制對電機系統的穩定性和上裝功能的穩定性具有良好的促進作用。

圖11 3級故障列表