李建华，袁 峰，王银辉

（长沙普罗科环境装备有限责任公司，湖南 长沙 410100）

2017年3月5日，李克强总理在两会政府报告中提出“强化机动车尾气处理，鼓励使用新能源汽车”。纯电动汽车随即在乘用车、商用车和专用车领域大力推广。电动环卫车辆穿梭在城市的大街小巷，助力城市的环境卫生保洁、垃圾收运、雾霾治理和绿化灌溉。

环卫车上装电机系统用来驱动风机、水泵和油泵，其主要组成部分有电动机、功率转换器、控制器及各种传感器等。由于永磁同步电机具有效率高、功率密度高和调速范围宽等优点，被广泛应用于电动车辆电机驱动系统中，在电动环卫车行业，上装亦采用永磁同步电机驱动，电能来自底盘动力电池。

环卫车作业工况恶劣，在复杂的工作环境下，动力及其控制系统可能会出现不同程度的故障，本文主要针对上装电机驱动系统故障模式进行研究，并结合工况制定合理的应对策略，保障上装功能的稳定性，对提升车辆的出勤率具有良好意义。

1 上装电机系统组成

上装电机系统主要由永磁同步电机 （以下简称电机） 和驱动器组成，其系统组成参见图1，驱动器输入端与直流母线相连，输出端与电机相连，以驱动电机的运转，其拓扑结构参见图2。

电机的结构比较简单，包括定子铁心、定子绕组、转子、转轴、轴承、散热水套、位置传感器 （旋转变压器）、机座等。参见图3。

图2 电机系统电气拓扑简图

图3 永磁同步电机组成简图

电机的转子结构可以根据永久磁体在转子上的位置不同划分为3大类：面贴式、内嵌式和内埋式。具体的转子结构如图4所示。本项目所使用电机均为内嵌式。

图4 永磁同步电机转子结构

在驱动电机工作时，需要采用专用电机控制器。电机控制器的组成包括电源模块、IGBT （或MOSFET）、稳压电容、驱动电路、微处理器、采样模块、PWM脉宽调制模块、CAN通信模块、电流电压传感器、温度传感器、位置传感器、水套、高低压连接器、铜排和机壳。电机控制器组成如图5所示。

图5 电机控制器组成简图

2 电机和电机控制器的工作原理

电机系统本身就是一个机电耦合系统，其涉及电机学、电磁学、电力电子、机械学、热学、信号处理技术和计算机科学等多学科技术。

2.1 电机工作原理

电机是一种以磁场为媒介、以电磁理论为基础的能量转换装置，其工作包含两种模式：电动模式和发电模式。

电机在工作时，电机的气隙里建立一个磁场，电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，这就是电动模式；反之，若从轴上输入机械能，同时从线圈取走电能，这就是发电模式。其工作原理图参见图6。

图6 永磁同步电机工作原理简图

2.2 电机控制器工作原理

电机控制器结构组成参见第1章节，主要功能便是将直流电源输出的直流电转化为永磁同步电机所需的交流电，因此其又被称作直流/交流 （DC/AC，逆变器） 变换器。电机控制器系统模块参见图7。

图7 电机控制器系统模块简图

电机控制器是电机系统的关键技术，其控制性能直接影响电动机的输出特性。因此其必须满足在不同的转速下，输出特定的转矩，该转矩即为需求转矩。为了实现这一要求便需要对永磁同步电机的输出转矩进行控制，这也是电机控制技术的核心任务。电机控制的核心部件为传感器、电机控制器，通过二者可时刻掌握转子的工作状态，并计算电机在各时刻的需求电压，从而实现电机输出转矩的控制。

由于电机具有交流三相绕组的结构，电机控制器一般都由6个电力半导体器件组成。IGBT是当今电驱系统中最常用的功率半导体开关器件，其综合了GTO电力晶体管和MOSFET电力场效应管的特性。电机控制器中最为核心的便是控制算法，其中最为常用的永磁同步电机控制技术为磁场定向矢量控制技术。

3 电机系统常见故障分析

在实际工程中，电动环卫车上装采用永磁同步电机驱动风机、水泵和油泵。电机系统长期工作在灰尘、水和油污环境下，环境恶劣；同时，电机系统被安装在上装动力平台上，外部有罩盖遮挡，空间密闭，不利于散热，出现故障在所难免。为了更好地归纳故障现象、种类和产生原因，文中对电机和控制器常见故障进行分类，分为电器故障、机械故障和电磁故障。更进一步地对故障种类的危机程度进行了定义，分为1级、2级、3级。

3.1 电机常见故障分析

电机的滚动轴承长时间高负荷运转或润滑不充分，会导致其故障发生的频率最高，定子绕组类故障次之。轴承故障会导致轴承彼此摩擦，异常振动，严重时会烧毁轴承；定子绕组故障，会导致电机输出转矩和平均输出功率下降，严重会造成搭铁故障，而烧毁电机。

大部分电机故障都是综合故障且相互影响，为了更好地描述电机的故障，文中把电机故障分为电器故障、电磁故障和机械故障。电机故障列表及分析参见表1。

表1 电机故障列表及分析

3.2 电机控制器常见故障分析

根据第2章描述，电机控制器涉及集成电路、半导体芯片、传感器、微处理器多门学科，考虑到集成电路、传感器、外围附件和电磁兼容等因素影响。在实际工程中，电机控制器出现故障的几率比电机要大。文中列举了部分常见故障，参见表2。

表2 电机控制器故障列表及分析

3.3 故障归纳分析

由于现实工程项目中，随时都有可能发生故障，故障的监测必须具有实时性，所以故障诊断都是通过各种传感器采集所需的物理量，再通过分析采集到的物理量进行是否存在故障以及何种故障的判断。因此必须要对前文中所列举的电机和控制器故障进行归纳。归纳后的故障列表参见表3。

重要性反应了故障对系统造成的影响大小，危险等级会导致硬件损坏，系统功能丧失；危险等级状态下，电机处于故障状态，部分功能下降，达不到实际使用要求。

3.4 电机系统故障等级分析

在实际工程中，电机系统的电源为底盘动力电池提供的直流电源，电池的电压受单体电芯电压影响，如磷酸铁锂电池，电压在2.6～3.6V，系统标称电压为537.6V，其电压范围为436.8～604.8V，最高和最低相差168V，幅差较大。同时，因为动力电池的电压检测方法原因，在电池放电时，其电压平台会拉低，电流越大，拉低效果越明显；在电池充电过程中，电池被施加一个较大的电压去给动力电池充电，在充电末段，电压上升非常缓慢，直至电池达到充电截止电压，考虑到电压采集误差和电池过充导致电池组电压升高情况。对于过压、欠压、过流类故障，应按照硬件特性进行细化，不能单一地按照有无故障去衡量，还应根据实际情况制定不同等级。MCU母线过压设置为2个级别。其它电流、温度均采用相同方法设置两个级别。电机系统故障分级参见表4。

表3 电机系统故障归纳

需要特别指出的是表4中所列举的参数阈值均为作者所研发项目定义值。

表4 电机系统故障分级列表

在车辆使用过程中，上装受到猛烈撞击、振动或接插件存在品质缺陷情况下，CAN总线会存在通信故障。这种故障下，MCU收不到上装控制器发送的指令，会立即停机，可能导致IGBT损坏，高压接触器粘连，使得硬件损坏。对于此类情况，只存在两种状态，有故障和无故障。其故障对系统的影响程度不同，又分为2级故障和3级故障。电机系统故障参见表5。

表5 电机系统故障列表

4 电机系统故障处理策略

基于第3章节中描述的永磁同步电机和控制系统的各种故障现象、故障造成的结果及故障原因，从上装控制层面做出相应控制，避免电机系统带故障作业。进一步地，对于一些不严重的故障，如系统1级故障采用仪表显示，辅以语音提示，部分功能不受影响 （如卸料等）。上装控制器主动降低使用功率，使得负载不至于突然中断；如系统2级故障，上装控制器主动请求功率置零，以避免电机和控制器进一步受损。对于系统3级故障，上装控制器主动请求断开电机控制器高压电源。制定的故障处理机制参见图8。

在实际工程中，电机和电机控制器系统所涉及的1、2、3级故障众多，为了更好地将故障等级和电机系统故障对应起来，有必要将电机和控制器所产生的故障和系统故障对应起来，这样就形成了总的故障等级。故障分级对应关系参见图9、图10、图11。

图8 故障处理机制图

5 结论

文中首先介绍了电机和电机控制器的结构组成和工作原理，分析了电机系统存在的机械故障、电器故障和电磁故障，进一步从故障现象分析出电机和电机控制器的故障类别和重要等级，推导出在工程应用中适用的电机和电机控制器故障列表，最终构建出电机系统故障列表，并制定了相应的处理策略。

图9 1级故障列表

图10 2级故障列表

在环卫车上装电动化的进程中，永磁同步电机受到广泛使用，制定完善的处理机制对电机系统的稳定性和上装功能的稳定性具有良好的促进作用。

图11 3级故障列表