電動汽車電機控制器的原理、故障診斷及定位思路

電動車電機控制器是電動汽車“三電”中的核心；電動汽車要實現加速、定速巡航、能量回收，都要依靠電機控制器；電機控制器可以說是電動汽車的“控制中心”，駕駛員下發的控制指令，都要通過電機控制器來執行。

電機控制器的組成

電機控制器（MCU）是純電動汽車驅動電機控制系統的重要組成部件，它主要起到調節電機運行狀態，使其滿足整車不同運行要求的目的。具體來說就是 MCU 從整車控制器獲得整車需求（擋位、加速、制動等指令），從動力電池獲得電能，經自身逆變器調制，獲得驅動電機所需電能，從而使電機的轉速和轉矩滿足整車的要求（啟動、加速、制動、減速、爬坡、能量回收等）。

電機控制器主要由如下幾部分組成：

1、電子控制模塊(ElectronicController)

電子控制模塊包括硬件電路和相應的控制軟件。硬件電路主要包括微處理器及其最小系統、對電機電流，電壓，轉速，溫度等狀態的監測電路、各種硬件保護電路，以及與整車控制器、電池管理系統等外部控制單元數據交互的通信電路。控制軟件根據不同類型電機的特點實現相應的控制算法。

2、驅動器(Driver)

驅動器將微控制器對電機的控制信號轉換為驅動功率變換器的驅動信號，并實現功率信號和控制信號的隔離。

3、功率變換模塊(PowerConverter )

功率變換模塊對電機電流進行控制。電動汽車經常使用的功率器件有大功率晶體管、門極可關斷晶閘管、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管以及智能功率模塊等。

逆變的基本原理

1.逆變

車輛工作過程中，動力電池輸出直流電，并輸入給電機控制器，電機控制器將直流電變成交流電，然后輸出給電機進而傳遞給車輛驅動裝置，在此過程中，將直流電變成交流電的過程，稱為逆變。

2.典型逆變電路

如圖下所示，以單相橋式逆變電路為例，S1~S4是橋式電路的 4 個臂，通過改變開關S1~S4的閉合狀態，即可改變負載的電壓電流方向。

按照一定頻率的開啟和關閉開關，可以實現負載電壓U0由正至負，即電流由直流變為交流。其中，可以使用 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）實現開關的開啟和關閉功能，使用 PWM（脈沖寬度調制）實現開關頻率控制。

電機控制器工作原理

在驅動電機系統中，電機控制器對所有的輸入信號進行處理，根據位置傳感器檢測到轉子位置信號，經處理后得到電機實際轉速信號；根據擋位、加速、制動踏板等信號，處理后得到電機的需求轉速；并通過矢量控制，得到 PWM 發生器的輸入信號，通過驅動電路產生控制逆變器功率元件（IGBT）導通和斷開的控制信號，輸入給逆變器，從而控制車輛的啟動運行、行駛速度、剎車等行駛狀態；同時，MCU將系統運行狀態通過CAN網絡進行信息共享發送，從而實現車輛行駛狀態的反饋。

驅動電機控制器對驅動電機的控制分為驅動控制、速度控制、方向控制和制動控制。

（1）驅動控制：MCU 內部的逆變器將動力電池提供的兩相直流電逆變為電壓、頻率可調的三相交流電，供給驅動電機并驅動汽車運行。

（2）速度控制：采用PWM控制改變逆變器輸出的三相交流電的電壓和頻率就可以改變電機的轉速轉矩，從而對汽車進行調速。

（3）方向控制：通過改變逆變器中IGBT的導通順序就可以改變輸出三相交流電的相序，實現電機反轉，從而改變汽車的運行方向。

（4）制動控制：驅動電機作為發電機運行將動能變為電能產生三相交流電，經逆變器變為直流電反饋回動力電池，進行再生制動。

電機控制器的故障

電動機驅動系統的故障主要分為電動機故障與電動機控制器故障。

電動機是電能和機械能轉換，實現車輛驅動的關鍵部件，是典型的機電混合體。電動機故障涉及因素較多，如電路系統、磁路系統、絕緣系統、機械系統以及通風散熱系統等。任何一個系統工作不良或其相互之間配合不好均會導致電動機出現故障，所以，電動機故障要比其他設備的故障更復雜，電動機故障診斷所涉及的技術范圍更廣。此外，電動機的運行還與其負載情況、環境因素有關。電動機在不同的狀態下運行，表現出的故障狀態各不相同，這進一步增加了電動機故障診斷難度。通常而言，電動機的故障可分為機械故障與電氣故障。

機械方面的主要故障有定子鐵芯損壞、轉子鐵芯損壞、軸承損壞和轉軸損壞，其故障原因為由振動、潤滑不充分、轉速過高、靜載過大、過熱而引起的磨損、壓痕、腐蝕、電蝕和開裂等；

電氣方面的故障則主要是定子繞組故障與轉子繞組故障，故障原因包括電動機繞組接地、短路、斷路、接觸不良和鼠籠斷條等。

因為器件本身的結構和物理特性以及相互間的電磁兼容性問題，電動機控制器故障也成為電動機驅動系統發生故障的主要原因。

電動機控制器的故障主要包括以下幾類：IGBT故障、輸入電源線和接地線故障、整流二極管短路、直流母線接地錯誤、直流側電容短路、晶閘管短路、溫度超限報警、相電流過流、過電壓以及欠電壓等高壓電氣系統故障。

電機的故障定位思路

電機控制器的故障定位思路

IGBT的檢測及故障定位

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，隨著節能環保等理念的推進，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣，此類產品在市場上將越來越多見。

1.IGBT模塊檢測

把萬用表調到二極管測量檔，萬能表的正極測針（紅筆）測量鏈接IGBT上鏈接UVW三相輸出，然后測量上面的正負，類似二級管的測量兩測針互換，正常的IGBT會有一個方向的測量是無窮大，另一個方向則有電阻值顯示，但不同于二極管特性，這個單向電阻值只是一個壓降，就是量到阻值后，它會快速歸零（道通）。只要量到這樣的IGBT，大概率都是正常的，反之，如果雙向測量都是無窮大或者雙向測量都是道通的，那就基本可以判斷就是99%是壞的。

測量例子：以六相模塊為例。取下負載側U、V、W相的導線，使用二極管測試檔位，將黑色手寫筆接P(集電極c1)，用紅色手寫筆依次測量U、V、W，萬用表顯示無窮大值；將探頭倒置，紅色探頭接P，黑色探頭測量U、V、W，萬用表顯示值約400(0.4v)。然后將黑色手寫筆連接到N(發射器e2)，用紅色手寫筆測量U、V和W，萬用表顯示值約為400(0.4v)。紅色手寫筆接P，黑色手寫筆測量U、V、W，萬用表顯示無限值。每個階段的正負特征應該是相同的。如果有差異，igbt模塊性能會變差，應該更換。

2.判斷極性

首先將萬用表撥在R×1KΩ擋，用萬用表測量時，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極(G )，其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極(C);黑表筆接地為發射極(E)。

3.判斷好壞

將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT的集電極(C)，紅表筆接IGBT 的發射極(E)，此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極(G)和集電極(C)，這時IGBT被觸發導通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時觸及一下柵極(G)和發射極(E)，這時IGBT被阻斷，萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT是好的。

旋變傳感器的檢測及故障定位

旋變傳感器主要是由三組信號線圈組成：勵磁線圈、正弦線圈、余弦線圈；傳感器線圈固定在殼體上（固定不動），信號齒圈固定在轉子上（隨轉子轉動）。

主要作用就是：主要監測電機轉子的轉速，并將轉子的位置反饋給電機控制器，是1種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。

其中2根線為勵磁線，2根正弦信號線，2根余弦信號線。如下圖

它的作用是把驅動電機的位置、轉速信號提供給電機控制器。

（1）旋變傳感器故障，用診斷儀一定能診斷出故障碼。第一步就是確定為旋變傳感器故障

（2）旋變傳感器檢測方法：因為旋變傳感器主要是由線圈構成，而測量的最好方法就是用電阻測量方法進行：

勵磁繞組參考電壓：打開點火開關ON檔測量插件端應有3—3.5V交流電壓

正弦繞組阻值：拔下插件測量傳感器端子應有60Ω電阻±10Ω

余弦繞組阻值：拔下插件測量傳感器端子應有60Ω電阻±10Ω

勵磁繞組阻值：拔下插件測量傳感器端子應有30Ω電阻±10Ω

電壓測量方法：

勵磁繞組參考電壓：打開點火開關ON檔測量

DCV測量自檢補充電壓應該有電壓，不應該為0.

示波器測量方法：

通過波形判別是否異常。

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