PMSM电机输出扭矩波动和扭矩偏差的现象介绍

电驱产品前期开发阶段，时常遇到电机输出扭矩波动或扭矩偏差的现象，甚至在后期客户装车时也会出现这现象，这就要求现场调试人员快速锁定问题点，减少项目技术风险。然而，现场调试的工程师往往并不是开发和熟悉控制模型的算法工程师，可能是系统工程师、测试工程师、标定工程师或现场调试工程师，因此，电驱输出扭矩波动、扭矩偏差等问题将带给现场调试人员不小的压力，如何快速切入问题点的分析就显得尤为重要。

下面将介绍如何入手分析PMSM电机输出扭矩波动和扭矩偏差的现象。

1.     扭矩控制的要求

为了分析扭矩波动和扭矩偏差问题，首先我们需要了解扭矩控制精度和扭矩阶跃响应要求：

1).扭矩精度要求

在《GB/T18488.1-2015-电动汽车用电机及其控制器第1部分-技术条件》3.11中给出了转矩控制精度的定义。某OEM提出扭矩精度要求：电机输出扭矩在0~100Nm范围内，精度控制在±3Nm内；而大于100Nm时，精度控制在±3%内。

2).扭矩阶跃相应要求

扭矩阶跃相应要求主要是关注“电机输出扭矩”跟随“车辆请求扭矩”的动态性能，例如：整车的Tip in工况，主要考核指标为“扭矩阶跃相应时间”、“扭矩阶跃相应的过冲量”，如图1 所示，为某OEM对扭矩阶跃响应的要求。

图1. 扭矩阶跃相应示意图

另外，扭矩控制还有其他需求，如：堵转以及功能安全对扭矩的限制要求等，这些都属于电驱系统安全保护范畴，在此不作分析，后期另起篇幅来阐述。

2.     影响PMSM电机输出扭矩的因数

根据PMSM电机的FOC控制方法，如图2所示，可知电机输出扭矩的计算：

图2.电机控制示意图

其中，

λpm---为PSM电机转子永磁体磁链；

id,iq---为根据参考扭矩T查表得出d轴和q轴等效参考电流，

Ld,Lq---为d轴q轴等效电感；

θ---电机转子的电角度；

iu,iv,iw---电流传感器采集的三相电流；

Udc---直流母线电压；

TLoss---电机机械摩擦阻力；

根据上述扭矩的计算公式，可知与电机输出扭矩的相关因数。

1). 转子永磁体磁链λpm：

因转子制造的误差差，磁钢的分布误差，转子上磁链的分布不均匀对称，则导致电机输出扭矩存在波动。另外，因永磁体是个热敏感型材料，不同温度下，转子磁链的大小也不同，则导致电机输出扭矩存在偏差。

2). d轴和q轴等效参考电流id,iq：

根据参考扭矩查表得出对应的参考电流id,iq，其给定值存在偏差，则导致电机的输出扭矩存在偏差。另外，Id,Iq在进入电流环进行PID调节和解耦处理不当时，则导致电机输出扭矩存在波动，特别是扭矩阶跃响应的动态特性，如图1所示。

3). 转子电角度θ：

转子电角度θ存在偏差，例如：位置传感器输出幅值不平衡，零位偏角误差，正交误差，以及运算处理延时误差等，则导致电机输出扭矩存在波动及偏差。

4). 定子电感Ld,Lq：

因电机制造和安装偏差，定转子不同轴，气隙存在不均衡等，引起定子电感的偏差，则导致电机输出扭矩存在波动及偏差。

5).三相电流iu,iv,iw:

因逆变器死区和IGBT开关管导通压降等非理想因素影响的存在，同时在高速区为了提高电压利用率而采用不同的SVPWM方法等，引起三相电流输出存在许多高阶次电流谐波，则导致电机输出扭矩存在许多高阶次波动；同时，三相电流传感器采样误差以及反馈中id,iq运算延时误差的存在，则导致电机输出扭矩存在偏差。

6). 直流母线电压Udc:

因母线电压Udc未直接参与扭矩的计算过程，只是在参考电流id,iq查表时使用到参考量Udc, 相对而言，只要Udc偏差不离谱，则母线电压纹波和测量误差对电机输出扭矩的影响甚微。

7). 电机机械摩擦力TLoss:

因电机轴承的摩擦而存在摩擦阻力，则导致电机输出扭矩存在偏差。

3.     整车运行环境对电机输出扭矩的影响

图2.整车动态控制示意图

当整车出现非严重性故障时，车辆需要跛行回家维修，则要求车辆驱动系统进入跛行模式，限制最大车速和驱动系统输出的最大扭矩。

当TCS功能被触发，例如：打滑工况，则要求限制驱动系统最大或最小输出扭矩。

为了消除车速抖动，例如：tip in、tip out工况等，需要在现有请求扭矩的基础上叠加一个消抖扭矩。

为了确保整车控制器请求扭矩与电驱动系统输出扭矩的一致性，需要要补偿电机或减速箱内摩擦力矩。

上述前三点功能部分主机厂要求在整车控制器内部实施，也有部分主机厂会要求在电机控制器内部实施，同样还有防滑控制、防腾空控制等要；后两点基本电机控制软件内部都要求实现。

为了快速锁定电机输出扭矩的波动和偏差的问题点，我们可以对比“整车控制器请求扭矩”、“电机参考扭矩Te_ref”和“电机实际输出扭矩”来确定扭矩波动和偏差发生的大致方向，然后，结合车辆运行环境（例如：冷却液流量、电驱系统温度、电压、电流、速度、故障灯等因素）以及第2节提到的电机控制来进一步确定问题点。