1、問題描述
起重電機專業生產廠家無錫宏達電機2022年7月28日訊 某電動汽車（電驅總成采用前置前驅，電機采用永磁同步電機，減速器與差速器為整體式結構）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~圖2所示。
圖1 WOT工況車內噪聲聲壓級
圖2 WOT工況車內噪聲頻譜圖
由圖1可以看出在，在電機轉速350 r/min附近，車內出現較高的噪聲峰值，車內產生強烈的轟鳴聲，這與主觀感受相同，并伴隨有整車振動沖擊較大現象。
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120Hz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。
2、原因分析
為進一步確認該峰值問題發生的根源及產生的原因，對電驅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提取分析。
2.1 整車測試
在整車安裝狀態下，對WOT工況下電驅動總殼體表面進行了振動測試，測點位置見圖3所示。
（a）減速器殼體表面振動測點位置
（b）電機殼體表面振動測點位置
圖3 電驅動總表面振動測點位置示意
電驅動總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350r/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120Hz附近，而電驅動總的彈性體模態頻率（電驅動總彈性模態頻率為347Hz）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產生強迫振動，通過結構傳遞到車身，產生轟鳴噪聲。
圖4 電驅動總殼體表面振動加速度
2.2 軟件數據提取分析
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，提取信號見圖5所示。
圖5 CAN總線提取電機轉速、轉矩相關信號
由圖5可知，在起步急加速工況，在電機轉速200-500r/min區間，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±6Nm，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、方案驗證
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。一般來說，引起永磁同步電機轉矩波動的主要因素分為以下幾點：
(1)氣隙磁場諧波；
(2)齒槽力矩；
(3)定子電流時間諧波；
(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。
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，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
 (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，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，并排除了電機制造工藝的影響，對電機控制程序實施了優化，主要實施優化方案為：
a.在整車上標定電機轉矩變化梯度；
b.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；
c.優化電流波形。
電流波形優化前后通過示波器進行觀察，波形對比見圖6所示。從對比圖中可以看出優化后電流波形更平滑且削頂現象消除。
(a)優化前電流波形
(b)優化后電流波形
圖6 優化前后電流波形對比
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，提取信息見圖7所示。
圖7 CAN總線提取優化后電機轉速、轉矩相關信號
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。對電機轉矩波動進行控制優化后，同時測得車內噪聲，測試結果見圖8所示，車內噪聲異常峰值消失。
圖8 優化前后WOT工況車內噪聲聲壓級對比
4、優化建議
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。
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