新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制可靠性分析

張維威

（廣東環境保護工程職業學院，佛山 528216）

引言

當前，應用于新能源汽車的驅動電機主要有四類，分別為開關磁阻電機、直流無刷電機、交流感應電機、永磁同步電機。其中，開關磁阻電機控制簡單、成本較低，然而存在輸出轉矩脈動大、噪聲大等問題，被應用于商業車；直流無刷電機質量輕、體積小、控制換相簡單、成本低，但同樣存在主要工作在低速范圍、弱磁困難、噪聲較大、輸出轉矩脈動大等問題，主要應用于小功率的低速車[1]。早期乘用車采用交流感應電機，相比同步電機，其效率較低，為確保續航里程必須增加電池成本，使新能源汽車整個系統在經濟上有所下降，因此目前新能源乘用車已經逐漸以內置式永磁同步電機為主[2]。內置式永磁同步電機在運行時會發生低頻振動，從而產生電磁噪聲，當噪聲較大，不僅會對工程技術人員的健康造成影響，還會損傷電機本身結構，對其壽命造成影響，尤其是對于車用電機，其低頻振動問題會直接影響汽車銷售量，因此新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制問題受到汽車廠家的重視，成為新能源汽車領域的一個重要研究課題。而對其低頻振動抑制問題，為評估其抑制效果，需要對其實施可靠性分析。

對于低頻振動抑制可靠性分析問題，由于低頻振動問題早已受到關注，因此其振動抑制可靠性分析問題在長期研究下也已經獲得了長足的發展，取得了一定研究成果。其中文獻[3]中提出了一種采用超調量M 與可信性的比較標準阻尼比ξ 的評估方法，評估結果表明，前文設計方案對于電機的平穩啟動是可行、有效的。文獻[4]中提出了一種星載大型反射面天線主動振動抑制建模分析方法，能夠獲知反射面天線臂主動振動抑制效果。以上低頻振動抑制可靠性分析方法存在評估準確率較低的問題，設計一種針對新能源汽車永磁同步電機的低頻振動抑制可靠性分析方法。

1 新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制可靠性分析方法設計

1.1 基于加速度傳感器與數據采集卡的低頻振動抑制信號采集

基于加速度傳感器與數據采集卡采集新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制信號即永磁同步電機的位移跟隨誤差離散信號。其中數據采集卡的設計具體如下：設計一種雙ADC 數據采集卡，由母板和子板構成[5]。

通過子板能夠實現數據的接收緩存、采集轉換功能，子板主要由電源模塊、ADC 高速采樣模塊、時鐘產生與扇出模塊、模擬信號調理模塊等構成，具體結構如圖1 所示。

其中信號調理是前端部分，由單端轉差分電路、低通濾波電路與功率分配幅度衰減電路組成。其中通過功率分配幅度衰減電路能夠對一個通道的信號實施等功率地劃分，使其分成兩路，并使輸入信號獲得幅度衰減，滿足ADC 的電壓輸入范圍[6]。選用的功率分配幅度衰減器是Y 型三電阻網絡。

通過低通濾波電路能夠避免發生噪聲混頻問題，選用的是無反射低通濾波器XLF-861+，滿足設計要求。

單端轉差分電路用于實施濾波后信號的單端轉差分處理，采用的是抗干擾強、低噪聲的巴倫型高速射頻變壓器ETC1-1-13。經單端轉差分轉換后，通過交流耦合方式將信號輸入至ADC 的模擬輸入通道[7]。

選用的ADC 芯片為EV10AQ190，內置四個ADC核，各核采樣率最高可達1.25 Gsps，通過SPI 總線能夠對其采樣模式進行配置。

選用的FPGA 芯片為XC6VLX240T，負責時鐘發生器與兩片ADC 的SPI 總線配置以及數據接收緩存。其面向兩個ADC 的引腳分配方案設計如表1 所示。

表1 FPGA 面向兩個ADC 的引腳分配方案設計

在電源模塊1 中，采用的供電電源為LDO 線性電源與LDO 線性穩壓器，向FPGA 芯片供電。在電源模塊2中，通過兩片LT1764 向兩片ADC 的模擬部分供電[8]。

各芯片的控制信號與數據需要分配至連接器引腳上，選用的FMC 高速接口總線型號為HPC FMC 連接器。

在時鐘產生與扇出模塊中，通過時鐘發生器與時鐘扇出芯片分別向兩路ADC 提供采樣時鐘，并向FPGA 提供測試時鐘。通過同步信號電路與兩路向ADC 提供的采樣時鐘產生高速同步信號，使兩路ADC 實現片間同步。利用SPI 總線配置時鐘發生器的引腳。

通過母板能夠實現數據處理，母板由千兆網數據傳輸接口模塊、DDR3 存儲模塊與FPGA 模塊構成。

其中母板FPGA 主要負責接收子板HPC FMC 連接器的數據，控制千兆以太網與DDR3 的接口。選用的FPGA 芯片型號為EP4CE6E22C8N[9]。

在DDR3 存儲模塊中，選用的DDR3 內存條型號為MT8JSF25664HZ，其內存條容量為2 GB。

在千兆網數據傳輸接口模塊中，選用的傳輸接口為GMII 接口，可達1 000 Mbps 的傳輸速率。

通過供電芯片TPS51200 為母板供電。

設計一種壓電加速度傳感器，其結構設計如圖2 所示。

圖2 壓電加速度傳感器結構設計

所選用的材料為鎳鉻鐵合金材料Inconel600，是一種耐高溫材料，適用于制作各部分零件。

將壓電加速度傳感器安裝在永磁同步電機低頻振動控制器上，實施位移跟隨誤差離散信號采集，通過數據采集卡向PC 端傳遞采集信號。

1.2 基于CEEMDAN-SG 聯合去噪算法的低頻振動抑制信號去噪處理

在位移跟隨誤差離散信號的采集中，由于高溫環境與傳感器精度的干擾，存在一定噪聲。為實現更加準確的低頻振動抑制可靠性分析，需要對采集信號實施降噪處理[10]。

采用的降噪處理算法為CEEMDAN-SG 聯合去噪算法，具體去噪流程如下：

1）信號分解

通過CEEMDAN 算法將采集信號分解為 個由高頻到低頻IMF 信號與一個殘差信號，其中殘差信號用u(r)來表示，IMF 信號用下式來表示：

式中：

IMFn—第n個IMF 信號[11]。

2）IMF 劃分

通過能量貢獻率與自相關函數分析實施IMF 的劃分，將其劃分為由有用信號主導的分量與由噪聲主導的分量兩部分。

則采集信號可以用下式來表示：

式中：

l—噪聲主導分量與有效信號主導分量的界限值；

IMFi j(r)—指噪聲主導分量；

b—低于0.05 %的能量貢獻率界限值；

IMFi j(r)—有效信號主導分量。

3）信號重構

將能量貢獻率低于0.05 %的那些信號剔除，實施處理后噪聲主導分量與有效信號主導分量的重構。

用表示重構信號，其數學表達式具體如下：

式中：

處理后的噪聲主導分量[12]。

就此完成采集的位移跟隨誤差離散信號的降噪處理。

1.3 低頻振動抑制可靠性分析

設計一種低頻振動抑制可靠性分析方法，實施新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制可靠性分析與評估。該方法的具體流程如下：

1）對于經過去噪處理的，將其視為一個i維向量，用下式表示其采樣周期：

2）利用多個構造位移誤差樣本空間，具體如下式：

3）應用平穩區間過程模型E K(r)實施樣本空間δ的描述。利用包絡法確定E K(r)的相位滯后時間tε、相位超前時間tφ、以及半徑函數R(E K(r))[13]。

4）對E K(r)實施離散處理，使其成為含有q個元素的區間序列，具體如下式：

5）依據自相關系數函數定義獲取E(r)'的自協方差函數矩陣，用CfK fK(ri,rj)來表示。其中i,j= 1,2, … ,q[14]。

6）獲取CfK fK(ri,rj)的區間過程模型特征參數。

7）獲取等效激勵f K(r)的區間過程模型特征參數。

8）根據兩個區間過程模型特征參數計算柔性末端在r=re'時刻的速度響應區間與位移響應區間[15]。

9）計算永磁同步電機低頻振動抑制可靠性評估指標FP。FP是低頻振動抑制魯棒性的對應量化模型可靠度，計算公式具體如下：

式中：

γn—永磁同步電機低頻振動抑制的固有頻率；

—位移響應區間中的最大值；

—速度響應區間中的最大值[16]。

就此完成永磁同步電機低頻振動抑制可靠性的評估。

2 實驗測試

2.1 實驗平臺設計與實驗流程

對于設計的新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制可靠性分析方法，利用其對某新能源汽車永磁同步電機實施低頻振動抑制可靠性評估，測試設計方法的可靠性評估表現性能。

實驗對象為一款新能源車用48 槽8 極內置式永磁同步電機，設計一個樣機實驗平臺，用于實施試樣對象的低頻振動抑制，從而實施其可靠性評估。

設計的樣機實驗平臺具體如圖3 所示。

圖3 樣機實驗平臺設計

將壓電加速度傳感器安裝在控制器上，實施位移跟隨誤差離散信號采集，通過數據采集卡向PC 端傳遞采集信號。將采集的信號作為實驗信號數據集。

采用CEEMDAN-SG 聯合去噪算法，對采集信號實施降噪處理，降噪前后的采集信號對比情況如圖4 所示。

利用設計的低頻振動抑制可靠性分析方法，實施新實驗樣機的低頻振動抑制可靠性分析與評估。PF的計算結果如下式：

也就是實驗樣機的低頻振動抑制可靠性在0.480~0.990 這一區間之間，整體低頻振動抑制可靠性較高。

改變實驗樣機的運行頻率，測試設計方法在不同頻率下的PF誤差曲線，包括誤差最大值曲線與誤差最小值曲線。在測試中，將采用超調量M 與可信性的比較標準阻尼比ξ的評估方法與星載大型反射面天線主動振動抑制建模分析方法作為對比方法，同樣測試兩種方法在不同頻率下的PF誤差曲線，并分別用方法1、方法2 來表示這兩種方法。

2.2 FP 誤差曲線測試與分析

分別測試三種實驗方法的PF誤差曲線，誤差最大值曲線與誤差最小值曲線測試結果如圖5 所示。

圖5 誤差曲線

根據上圖，設計方法在低頻振動抑制可靠性評估中的PF誤差最小值低于兩種對比方法，其PF誤差最大值也始終低于方法1、方法2，說明設計方法的低頻振動抑制可靠性分析準確性明顯更高，評估性能明顯更好。

3 結束語

新能源汽車永磁同步電機的主要工作區位于中低速區，使其在運行不可避免地會產生低頻振動，帶來電磁噪聲問題，因此永磁同步電機低頻振動抑制是一項很有必要的工作，對于擴大永磁同步電機的使用范圍以及提高電機壽命都有良好的工程意義。現設計一種新能源汽車永磁同步電機低頻振動抑制可靠性分析方法，能夠準確評估低頻振動抑制的可靠性，為采取合適的永磁同步電機抑振策略奠定基礎。