永磁同步電機運作

主要對于裝載在大眾E-Golf使用的三相永磁同步電機/充電機(MG)進(jìn)行其運作進(jìn)行研究探討，沿著典型的運作原理及電路特性提出一些問題，我想分享和討論這些問題這些問題與研究結(jié)果。在我們開始進(jìn)行之前，請記住安全、認(rèn)證、訓(xùn)練及系統(tǒng)知識都是缺一不可的，因為以下內(nèi)容包含包含活電工作。關(guān)于系統(tǒng)知識，以下自學(xué)課程(SSP-530 & SSP-527)是VAG對于裝載在E-Golf上的高電壓系統(tǒng)運行原理提供珍貴見解的說明。 備注: SSPs無法替代EV培訓(xùn)
讓我從我所量測的電路概述開始。以下之波型截圖表示我們的E-Golf從靜止?fàn)顟B(tài)加速并由第三級的剎車動能回充減速(可供駕駛者選擇)達(dá)到停止。也就是說車輛能夠減速是藉由轉(zhuǎn)子承受負(fù)載導(dǎo)致，此時轉(zhuǎn)子為充電機的作用。(轉(zhuǎn)子經(jīng)傳動系統(tǒng)與車輪連接)在以上的測試期間，我們有一個關(guān)于MG狀態(tài)切換的問題: 我們?nèi)绾螐牟东@到的數(shù)據(jù)判斷MG何時為電機或充電機運行狀態(tài)?我想最簡單的答案就在通道F捕獲到的高壓電池直流電流波型。我們精確捕獲了高壓電池電流從正值(為電機供電)變?yōu)樨?fù)值(MG轉(zhuǎn)為充電機回充電流)的轉(zhuǎn)折點。(見下文)注意高壓電池直流正電流的峰值大約位置。上方截圖畫面顯示+91A。這用來提供電機馬達(dá)電力并驅(qū)動車輛。而在減速期間，由于MG此時為充電機，電流是相反過來的，導(dǎo)致負(fù)峰值電流大約在-50A。在波型紀(jì)錄中約12.5秒時，另一個額外的-16A電流被傳輸?shù)礁邏弘姵?總共-66.85A)，這是由于剎車踏板的踩踏進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子速度并產(chǎn)生額外的充電電流。小提示：注意通道F的信號測量標(biāo)尺為4個而不是2個!為了在一個波型上使用4個信號測量標(biāo)尺，你必須建立一個自動隱藏在你欲量測波型后方的參考波型。復(fù)制波型的好處是額外有2個標(biāo)尺可供同一波型進(jìn)行多重測量。有關(guān)參考波形的更多信息，我建議您參閱下方視頻。


為了了解MG作為充電機時的性能，可以從上方PicoScope的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和下面的理論更深入探討三相永磁同步電機的運作特性。 關(guān)于三相無刷直流電機的討論(為了有更好的概述)，可點擊文章末尾“閱讀原文”了解，這正是我們在車輛中也有的問題討論。 與其我試圖解釋三相無刷直流電機的功能，不如看看下面的精彩動畫。請注意，在動畫中，轉(zhuǎn)子位于定子外側(cè)。 而 EV 應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子放置在定子內(nèi)部并最終與車輪連接。
總結(jié)以上動畫中描述的運行，我們的 MG 定子中會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場 (RMF)，簡稱為”電子換向”或“EC”。 RMF 的速度藉由 PWM 控制信號的多個功率晶體管精確控制開關(guān)。高壓直流電流的精確開關(guān)控制(PWM控制)也造成了三相高壓交流電流之產(chǎn)生。以下視頻更詳細(xì)地介紹直流到交流的轉(zhuǎn)換原理。
藉由使用下圖中通道 E 的正占空比波型，我們可以看到我們其中一個 MG 相位（W 相位）的高壓如何被控制用以產(chǎn)生交流電流的。請注意，以上的數(shù)學(xué)通道“posduty(E)”顯示了 MG W 相電壓的峰值正占空比控制（約 58%）對應(yīng)到流經(jīng)相位繞組的峰值正電流（約 171 A）。同樣，我們較低的正占空比(42%)對應(yīng)到我們的峰值負(fù)電流 -177 A 相近。請注意，下面屏幕截圖中的正占空比數(shù)學(xué)通道也顯示了電壓如何領(lǐng)先超前于電流（約 470 μs），這是典型的電感特征，并凸顯了線圈（W 相）由于感抗產(chǎn)生而與交流電流相反的固有特性。現(xiàn)在我們有了 RMF（其轉(zhuǎn)速稱為同步速度），我們現(xiàn)在可以藉由定子的感應(yīng)磁場與永磁轉(zhuǎn)子的交互作用來作用啟動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。若要再次參閱請點及上方動畫視頻。同步電機內(nèi)的轉(zhuǎn)子之理論速度應(yīng)該與定子的RMF完全相同。(畢竟這是一臺同步電機) 我們可以使用數(shù)學(xué)和下面的公式來證明這個理論，并發(fā)現(xiàn)關(guān)于 MG 狀態(tài)的線索。它是根據(jù)轉(zhuǎn)子速度決定擔(dān)任電動機還是擔(dān)任充電機嗎？ 那我們該如何計算RMF及轉(zhuǎn)子速度?讓我們從RMF速度計算開始。我們可以使用以下公式: 120*Freq(C) / Number of poles120代表我們的三相中每個相位相距的角度(120°)Frequency (C)代表通過相位的交流電流的頻率。Number of poles代表磁鐵的數(shù)量X2以得出極數(shù)(每一個磁鐵都有北極與南極)再次參閱我們的SSPs后，它表示轉(zhuǎn)子有5對磁組(10個磁極)，我認(rèn)為定子也是如此!在下方畫面我們使用數(shù)學(xué)通道“120*freq(C)/10”來顯示出我們的RMF速度(同步速度)。我們有幾種選擇來定義轉(zhuǎn)子速度，而我一開始選擇用輪速乘上傳動比。這就是我們的光學(xué)拾取器（通道B上）瞄準(zhǔn)到左驅(qū)動軸的一塊反光帶之處，它會在車輪每轉(zhuǎn)一圈時產(chǎn)生一個脈沖。為了提高分辨率與精準(zhǔn)率，我在通道A增加了左驅(qū)動輪的輪速傳感器信號。藉由使用來自驅(qū)動輪的單一脈沖，我們現(xiàn)在可以計算輪速傳感器相對于車輪轉(zhuǎn)動一圈的脈沖數(shù)，我們以前使用過這種技術(shù)，您可以在此（https://www.picoauto.com/library/case-studies/subaru-with-incorrect-abs-operation）閱讀有關(guān)它的信息。藉由使用PicoScope 7 Automotive中的“下降邊緣計數(shù)”測量功能(在上方畫面截圖中的時間標(biāo)尺之間)，我們可以結(jié)論ABS輪速傳感器在每圈旋轉(zhuǎn)時拾取44個脈沖。因為我們知道E-Golf的傳動系統(tǒng)包含2.704:1的單齒輪比與3.608的最終傳動比，我們統(tǒng)計全部的齒輪比等于2.704 x 3.608 = 9.756 :1我們現(xiàn)在可以藉由以下數(shù)學(xué)通道計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速: (60/44*freq(A)/60)*9.756*6060/44*freq(A)表示輪胎的RPM，因為輪速傳感器在每一轉(zhuǎn)有44個脈沖。/60代表將RPM轉(zhuǎn)換成頻率(Hz)*9.756 代表透過傳動比回算轉(zhuǎn)子的頻率*60 代表將轉(zhuǎn)子頻率轉(zhuǎn)換成RPM你可以看到上圖的畫面波型，我們從ABS輪速傳感器與總齒輪比計算的轉(zhuǎn)子速度明顯低于同步速度! 這與同步電機的特性形成反差并顯示了我們用此方式計算轉(zhuǎn)子速度需要考慮此變量。 通常此變量包含整體傳動系統(tǒng)的公差累積與轉(zhuǎn)向誤差等等。
另一個測量轉(zhuǎn)子速度方式是使用集成式的轉(zhuǎn)子速度傳感器(VAG將其稱為”G713”)為此我們必須確定轉(zhuǎn)子速度傳感器相應(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈時的電循環(huán)數(shù)，但如何確定?這需要了解在SSPs530和527中描述的轉(zhuǎn)子磁極數(shù)的知識，在此情況向如我先前提到的是十個，并將極數(shù)除以2來確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈的電循環(huán)數(shù)，但為什么是除以2?這十個轉(zhuǎn)子磁極交替排列:北極，南極，北極，南極……。當(dāng)每個磁極被速度傳感器偵測(例如一個北極)，它產(chǎn)生一個電壓輸出到個別的方向，造成我們一半的正弦波型。當(dāng)下一個交替的磁極(例如一個南極)被速度傳感器偵測時，它產(chǎn)生一個相反方向的電壓輸出，造成另一半的正弦波型產(chǎn)生并完成一次電循環(huán)。因此每一個完整的電循環(huán)都必須藉由轉(zhuǎn)子傳感器通過兩個交替磁極來產(chǎn)生。因此，轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)的電循環(huán)數(shù)會等于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)除以二(10)/2=5下圖的波型能幫助理解上方的敘述。注意，對這臺車輛，轉(zhuǎn)子速度傳感器的電循環(huán)與轉(zhuǎn)子總成是一致的。基于上述所說：如果我們知道轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)，我們可以使用該公式: 60/5*freq(H)。通道H是連接轉(zhuǎn)子速度傳感器。我想我們都能認(rèn)同上方數(shù)學(xué)通道的綠色波型，我們的轉(zhuǎn)子速度在加減速的期間確實等于我們的RMF速度。我們現(xiàn)在已經(jīng)確定這個電機確實是同步電機。繪制所有轉(zhuǎn)速和負(fù)載范圍內(nèi)的RMF與轉(zhuǎn)子速度(使用同步MG)將在談?wù)摰侥孀兤餍阅茉u估、定子完整性、轉(zhuǎn)子平衡與傳動系統(tǒng)狀況時提供珍貴的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。在這里我們正找尋在兩個數(shù)學(xué)通道間的一致性與同步性，任何〝丟失〞或循環(huán)誤差都將明顯影響關(guān)注的區(qū)域。關(guān)于循環(huán)誤差參閱Ben’s的“Martins’ Method（https://www.picoauto.com/library/training/the-martins-method）”文章。如果這是一個感應(yīng)異步電機，在加速期間RMF速度將高于轉(zhuǎn)子速度，但在減速期間會低于轉(zhuǎn)子速度(一種稱為〝滑差〞的現(xiàn)象)。這個現(xiàn)象與特性可以被用來做為感應(yīng)異步電機MG狀態(tài)的指示(電機狀態(tài)或充電機狀態(tài))，但這并不適用于我們的同步電機。讓我們拉回原先的問題:”我們?nèi)绾螐牟东@到的信息判斷MG現(xiàn)在是以電機運行還是充電機運行?” 假設(shè)你在高壓電池端的直流電纜沒有接電流鉗(上圖2)且你正在量測帶電流的單相電壓(參考高壓負(fù)極)，那可以用〝相位〞來判斷。注意下面畫面截圖中的相電壓與電流的正占空比兩者間的關(guān)系，對比上圖3、4。注意，數(shù)學(xué)通道“posduty(E)”顯示MG相位W電壓(約64%)的正占空比峰值控制為何與流經(jīng)相位繞組的負(fù)電流峰值（約 -143 A）相應(yīng)。相同的，我們的較低正占空比35%對應(yīng)到我們的電流峰值136A。這與我們的MG作為電機時的占空比情況完全相反，他們的相位已經(jīng)偏移了約180°!在以下的波型介紹了用相位標(biāo)尺將360°的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)分成五個區(qū)域，每一個磁極相距72°，我們可以清楚看到相電壓和電流在正占空比之間的相位變化。由于我們的相位繞組電壓與電流的正占空比之間的關(guān)系(相位)顯示了MG(電機與充電機)的運行狀態(tài)，如果我們可以簡單繪制相位移動而不是放大每個部分并量測相位，那就更好了。感謝我的同事Martyn準(zhǔn)備的數(shù)學(xué)通道。LowPass(Duty(((((atan(1/tan(pi*((posduty(E)-50)/10000)))/pi)+((posduty(E)-50)/10000))*-((atan(1/tan(pi*(C/10000)))/pi)+(C/10000)))+0.25))/0.555555555,10)我沒有打算解釋上述公式，它包含了ㄧ些低通濾波器、三角函數(shù)、正負(fù)載計算。 不幸的是當(dāng)這項數(shù)學(xué)通道套用到上方的捕獲數(shù)據(jù)后，由于通道C的錯誤它并沒有成功繪制出數(shù)據(jù)。眼尖的人會發(fā)現(xiàn)，在加減速過程中，會有電流超過 200 A 的“超出范圍”情況。在此情況下，數(shù)學(xué)通道無法執(zhí)行計算且導(dǎo)致數(shù)值無限大而無法繪制數(shù)據(jù)。 在對E-Golf的類似測試進(jìn)行搜尋時，“TEST 8”有另一個加減速事件的所有的相電流都在范圍內(nèi)且額外增加高壓電池直流電壓的效益。(注意減速期間的增加)現(xiàn)在調(diào)整數(shù)學(xué)通道，我們正在查看通道A(相位繞組U的電壓正占空比)與通道D(相位繞組U的電流)相位: LowPass(Duty(((((atan(1/tan(pi*((posduty(A)-50)/10000)))/pi)+((posduty(A)-50)/10000))*-((atan(1/tan(pi*(D/10000)))/pi)+(D/10000)))+0.25))/0.555555555,10)在以上畫面截圖可以看出相位繞組U的電壓正占空比(參考高壓負(fù)極)與相位繞組U的電流之間的相位移動來判斷我們MG的狀態(tài)。 在以下畫面截圖中，我遮蔽了一些波形并移除一些標(biāo)尺來更清楚顯示相位移動之值。我希望這有幫助，隨著我們之后深入探討感應(yīng)異步電機后將會比較相關(guān)的研究結(jié)果及更多的文章內(nèi)容，我們有很多內(nèi)容可以一起學(xué)習(xí)討論。