1、問題描述
起重電機專業生産廠家無錫宏達電機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，減速器與差速器爲整體式結構）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工况车内噪声声压级
圖2 WOT工况车内噪声频谱圖
由圖1可以看出在，在電機转速350 r/min附近，车内出现较高的噪声峰值，车内产生强烈的轰鸣声，这与主观感受相同，并伴随有整车振动冲击较大现象。
结合圖1产生异常噪声的電機转速并根据圖2车内噪声频谱圖可知，该异常轰鸣噪声频率主要在120Hz附近，且存在撞击现象。通过对该噪声频谱进行阶次分析，发现该问题发生的阶次频率与减速器输入轴齿轮阶次（19阶）频率一致，故基本可以判断该峰值问题由电驱动总成引起。
2、原因分析
爲進一步確認該峰值問題發生的根源及産生的原因，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
在整车安装状态下，对WOT工况下电驱动总壳体表面进行了振动测试，测点位置见圖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 电驱动总表面振动测点位置示意
电驱动总表面振动加速度测试结果见圖4，从圖4可以看出，在WOT工况下减速器各齿轮轴端、主减速器及電機壳体表面振动加速度在350r/min附近均出现不同程度的峰值，其中整车坐标系下X、Z向振动峰值较为明显，Y向振动峰值相对较低，且与驱动電機直接通过花键连接的减速器输入轴端振动峰值最大，同时在電機壳体的端部也检测到较明显的振动峰值。由于产生轰鸣噪声的频率主要在120Hz附近，而电驱动总的弹性体模态频率（电驱动总弹性模态频率为347Hz）要远高于该频率，且存在撞击现象。因此，可以判断出因電機输入到减速器的转矩存在较大波动导致电驱动总产生强迫振动，通过结构传递到车身，产生轰鸣噪声。
圖4 电驱动总壳体表面振动加速度
2.2 軟件數據提取分析
通过上述振动测试分析，基本上确定了问题发生的根源为電機转矩波动较大，为证实電機转矩波动，在整车状态下，提取CAN总线协议中的電機转速、VCU指示转矩以及電機转矩信息，提取信号见圖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，在起步急加速工况，在電機转速200-500r/min区间，VCU输出转矩指令为最大恒定转矩，而電機输出转矩则产生较大波动，转矩波动达到±6Nm，超出一般波动水平。结合振动分析结果，确定峰值噪声问题产生的原因为電機转矩波动异常，导致电驱总成产生强迫振动并传递至车身引起。
3、方案驗證
3.1 電機转矩波动影响因素
具有空間正弦分布繞組的永磁同步電機理想情況下，三相電流通過後，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産生波動。另外，永磁同步電機永磁體轉子和定子齒槽相互作用會産生齒槽轉矩，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爲以下幾點：
(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。
电动汽车用永磁同步電機驱动系统普遍采用矢量控制技术和直接转矩控制技术。矢量控制通过转子磁场定向，实现了电流励磁分量与转矩分量的解耦，将交流電機控制等效于直流電機调速控制。为提高转矩输出能力，降低损耗，在低速行驶工况基本采用MTPA矢量控制技术，通过增加id电流来提高磁阻转矩。在转子磁链旋转dq 坐标系下，转矩可以表示为
 (1)
式中: Te为電機转矩; p 为電機极对数; ψf为永磁体磁链; Ld、Lq分别为d轴和q轴电感; id、iq分别为d轴和q轴电流分量。由式(1)可知，如果d轴励磁电流分量恒定，则永磁同步電機转矩与q轴转矩电流分量成正比。
電機調速控制實際是對電磁轉矩的控制，爲取得恒定電磁轉矩，電機的反電動勢和定子電流就需爲正弦波，以産生圓形旋轉磁場；實際上由于調制原理和逆變器死區效應的存在，反電勢波形便會産生畸變，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，産生轉矩波動。
3.2 電機转矩波动的控制优化
爲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，並排除了電機制造工藝的影響，對電機控制程序實施了優化，主要實施優化方案爲：
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。
电流波形优化前后通过示波器进行观察，波形对比见圖6所示。从对比圖中可以看出優化後電流波形更平滑且削顶现象消除。
(a)優化前電流波形
(b)優化後電流波形
圖6 优化前后电流波形对比
在整车工况状态下，提取CAN总线协议中的電機转速、VCU指示转矩以及電機反馈转矩信息，提取信息见圖7所示。
圖7 CAN总线提取优化后電機转速、转矩相关信号
从圖7可以看出，对電機转矩波动进行控制优化后，急加速过程中，電機反馈转矩波动减小，曲线平滑。对電機转矩波动进行控制优化后，同时测得车内噪声，测试结果见圖8所示，车内噪声异常峰值消失。
圖8 优化前后WOT工况车内噪声声压级对比
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産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。旨在爲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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