电动汽车电机控制器的故障注入测试系统研究
文|稻述
编辑|稻述
介绍
电动汽车在中国市场逐渐占据主要地位，各厂商对于整车配置的升级也在不断加快。电机驱动系统作为电动汽车的主要动力核心。
电机控制器功能性和安全性非常值得考量，随着时间的推移，针对功能和安全性的汽车行业标准也在逐步完善。
近年来，各大主机厂及造车新势力车型更新换代迅速，对产品要求也越来越严格，缩短研发周期、提高研发效率是主要目标，相应地，对于研发机构来说，更高效、安全的测试方法和系统是必要的。
本文主要介绍试验室使用的电机控制器故障注入测试系统及使用总结，拓宽从业者对电机控制器测试的方法渠道及试验思路。
试现状分析
经过多年发展，国内外试验研发机构比较成熟的电机控制器的功能验证测试方法主要基于3个等级。
信号级测试：基于DSPACE、NIPXI等平台的硬件在环测试系统，测试系统输人输出均为低电压信号，该测试系统对大多数测试部件利用仿真建模软件模拟，主要应用在控制器板卡的前期设计、功能基础测试，可以快速地对相关参数进行实时编辑和修改。
机械级测试：基于总成测试设备，需要实体电机以及对拖测功机连接，主要应用在电驱系统开发完成后，对控制器和实体电机的配合及性能的验证。
功率级测试：对控制器实体进行测试，测试系统需要提供控制器下端输出高电流和大电压的负载吸收装置，该测试存在一定危险性，并且成本较高，主要应用于控制器功率器件的特性测试。
测试系统介绍
本测试系统是基于电机控制器功率级测试所建设的，由于电动汽车动力回路具有高电压、大电流的特点，此测试台架主要由控制器供电模块、环境模拟及被测件冷却系统、电机模拟器、上位控制机等通信控制测量设备组成。
电机控制器的直流母线端可在整车实体动力电池包与电池模拟器中自行切换，下端连接电机模拟器，温湿度环境舱作为环境模拟及测试隔离空间，充分保护测试人员的安全。
相较于其他研发机构传统的功率级测试，该测试系统能降低操作及运行风险，通过增加断路器及控制切换板卡，可以实现高压端故障模拟及旋变信号故障模拟等功能。
电机模型
永磁同步电机模型的常规方法有线性模型和考虑饱和谐波的有限元模型，其中传统电机线性模型又分为基于三相静止坐标、两相静止坐标系(α-β)和两相旋转坐标系(d-q)建模。
由于永磁同步电机的转子在磁场和电气结构中会因为三相定子耦合具有不对称性，而由三相坐标系建立的模型是一组与转子瞬时位置有关的随动方程，使得运算难度增大，因此一般会转换为d-q轴模型。
参照d-q轴坐标系建立的永磁同步电机数学方程，比三相坐标系下的永磁同步电机方程简单，易于电机模型的建立与应用。
实验准备及总结
电机模型参数导认，在进行电机故障注入测试系统使用前，核对被测电机控制器下端电机模型参数是否正确。
首先对真实电机120℃下的电感磁链矩阵数据进行预处理后导入MATLAB中进行仿真，确保图形曲线平滑且效率区间无损失。
测试线束及隔离环境确认，按照控制器线束原理正确连接被测控制器与台架，按照：直流母线正、负级接线；交流输出端接线；旋转变压器激励正负信号、sin+/-信号、cos+/-信号依次核对无误后，清理环境舱内遗落的工具螺栓等，检查搭铁线束后关闭并锁定环境舱的舱门。
测试系统参数及限值设定，清空测试间内无关人员后，在测试开始前还需要对被测件、环境温湿度等参数进行限值设定，如使用供电单元，输人电压不能高于被测控制器的峰值电压。
控制器匹配调试，启动测试系统，按照真实电机的初始角及效率图谱对被测电机控制器进行匹配调试，通过设定不同的电机转速及扭矩。
通过比对CAN报文读取的被测控制器与电机模拟器反馈的i、i值，逐步调整修正模拟器的角度偏差，使模拟器反馈的转速、扭矩及功率与被测控制器采集数据接近。
总结
即控制器匹配调试完成，由此可以开始进行故障注入测试。经多次使用及结果分析，该测试系统的功率输出结果的准确度会依赖于电机模型的精度。
而对于电机控制器的功能验证及安全性能验证具有较为良好的表现，同时通过增加环境隔离舱和控制切换板，能有效降低研发人员受到触电伤害的风险。
在后续试验过程中，如要提高试验准确性，应在获取电机电感磁链矩阵的数据上要求精度更为严格，这样才能保证功率测试精度。
参考文献
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