新能源汽车驱动电机及控制系统检修 课件 任务9、10 电机控制器逆变电路检测、电机控制器控制电路检测

驱动电机及控制系统检修任务九电机控制器逆变电路检测任务导入场景：广汽新能源汽车售后维修中心人物：维修技师小刘、客户王先生情节：王先生的广汽GE3纯电动汽车无法启动，仪表盘显示驱动电机故障，经维修技师小刘检查后，发现电机控制器无三相交流电输出，本任务大家和小刘一起对故障原因进行分析和进一步检测。提出问题如何检测电机控制器逆变电路？任务目标教学内容逆变电路定义、基本工作原理逆变器分类脉宽调制（PWM）基本理论逆变器控制信号测试任务目标能根据逆变原理，使用合适电路元件，正确搭建逆变电路，并进行检测能按照标准流程，使用专用工具，规范完成逆变器输入输出检测能按照标准流程，使用专用工具，规范完成逆变器控制信号测试任务实施——典型逆变电路搭建与检测知识讲解逆变电路定义

车辆工作过程中，动力蓄电池输出直流电，并输入给电机控制器，电机控制器将直流电变成交流电，然后输出给驱动电机进而传递给车辆驱动装置。在此过程中，将直流电变成交流电的过程，称为逆变。任务实施——典型逆变电路搭建与检测知识讲解逆变电路基本工作原理

S1～S4分别为电路四个桥臂的开关，通过改变开关S1～S4的开关状态，即可改变负载的电压和电流方向。任务实施——典型逆变电路搭建与检测知识讲解逆变电路基本工作原理序号开关状态电路图波形图1S1、S4闭合S2、S3断开2S2、S3闭合S1、S4断开技能操作操作准备任务实施——典型逆变电路搭建与检测新能源教学整车高压安全防护用品、绝缘工具、绝缘扭力扳手、举升机、冷却液回收装置、减速器齿轮油回收装置、制冷剂回收装置、DC/AC逆变实验卡、万用表、示波器、LN虚拟测量系统工具技能操作根据操作过程及结果，填写工作页典型逆变电路搭建与检测安全第一操作规范7S管理40分钟任务项目要求安全注意事项时间技能操作任务实施——典型逆变电路搭建与检测任务实施——逆变器输入输出检测知识讲解逆变器分类

按照储能元件的不同分为电压源型和电流源型逆变器。电压源型逆变器

由开关器件决定输出的交流电压波形是矩形波或者正弦波，被称为电压源型逆变器（VSI）。电压源型逆变器电路原理图任务实施——逆变器输入输出检测知识讲解逆变器分类

按照储能元件的不同分为电压源型和电流源型逆变器。电流源型逆变器

逆变器输出的交流电流是矩形波或正弦波，因而被称为电流源型逆变器（CSI）。电流源型逆变器电路原理图任务实施——逆变器输入输出检测知识讲解驱动电机用逆变器由6个IGBT组成，每一相输出线和正负直流母线之间各连接一只IGBT功率管，一般称连接正极母线的IGBT与输出端节点为“上桥臂”，称连接负极母线的IGBT与输出端节点为“下桥臂”，每一相的上、下桥臂统称为“半桥”。逆变器主回路电路原理图技能操作操作准备任务实施——逆变器输入输出检测新能源教学整车高压安全防护用品、绝缘工具、绝缘扭力扳手、举升机、冷却液回收装置、减速器齿轮油回收装置、制冷剂回收装置、DC/AC逆变实验卡、万用表、示波器、LN虚拟测量系统工具技能操作根据操作过程及结果，填写工作页逆变器输入输出检测安全第一操作规范7S管理40分钟任务项目要求安全注意事项时间技能操作任务实施——逆变器输入输出检测任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

脉宽调制，一般指脉冲宽度调制（Pulsewidthmodulation，PWM），一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来控制开关器件的导通时间。通过脉宽调制方法在输出电压的每一个周期中各开关器件通断转换多次，即可实现调节、控制输出电压的大小，并能够消除低次谐波，改善输出电压的波形。定

义任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。基础理论矩形脉冲三角形脉冲正弦半波脉冲单位脉冲函数任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

分别将电压窄脉冲加在一阶惯性环节电路上。基础理论一阶惯性环节电路单位脉冲函数任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，其宽度相等，但幅值不等；这些脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形与正弦波等效。面积等效原理面积等效原理图任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM。面积等效原理正弦波一个周期的等效PWM波任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图9-9中的PWM波，这种方式在实际应用中更为广泛。面积等效原理实际应用中的PWM波任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解脉宽调制（PWM）基本理论

脉宽调制的基本原理是对逆变电路功率开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等但宽度不一致的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率

。PWM控制原理任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解正弦波脉宽调制（SPWM）

在逆变器的控制器中，将逆变器输出电压中的正弦波称为期望波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，用相位（频率）、幅值和期望波相等的正弦波作为调制波。调制原理三相逆变电路的SPWM电压输出波形任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解正弦波脉宽调制（SPWM）

可以输出的线电压最大值。三相电压VAO、VBO、VCO为独立调制，各相输出的最大电压幅值为：SPWM方法的特点采用SPWM调制方法时，对直流电压的有效利用率为88.67%。

根据线电压的幅值是相电压的倍，则线电压的最大值为：任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解空间矢量脉宽调制（SVPWM）

SPWM控制主要着眼于使变频器的输出电压尽量接近正弦波，然而交流电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。定义与特点

空间矢量法具有直流电压利用率高、输出电压畸变率低、开关损耗少等优点，已逐步替代传统的SPWM方法，成为电机控制的主流算法。任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解空间矢量脉宽调制（SVPWM）

对于三相电压型逆变器主电路，在正常工作时，上桥臂（T1、T3、T5）和下桥臂（T2、T4、T6）的器件开关动作相反。空间矢量逆变器矢量空间图6个非零矢量组成一个正六边形，并将其分为Ⅰ~Ⅵ6个相等的扇区，零矢量位于六边形的中心。任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解空间矢量脉宽调制（SVPWM）矢量作用时间矢量合成示意图任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解空间矢量脉宽调制（SVPWM）开关顺序七段法开关顺序原理图①从一种开关状态切换到另外一种开关状态的过程中，仅涉及逆变器某一个桥臂的两个开关器件。②矢量以从矢量图中的一个扇区转移到另一个扇区时，没有或者只有最少数量的开关器件动作。任务实施——逆变器控制信号测试知识讲解空间矢量脉宽调制（SVPWM）直流电压利用率

给定矢量的最大幅值为图9-11所示的六边形的最大内切圆半径。该六边形由6个长度为的非零矢量组成，可得的最大幅值为:

三相逆变器采用SVPWM方法输出的相电压峰值为，线电压最大值为。所以，采用SVPWM方法在线性区调制时，对直流电压的有效利用率可达100%。技能操作操作准备任务实施——逆变器控制信号测试新能源教学整车高压安全防护用品、绝缘工具、绝缘扭力扳手、举升机、冷却液回收装置、减速器齿轮油回收装置、制冷剂回收装置、DC/AC逆变实验卡、万用表、示波器、LN虚拟测量系统工具技能操作根据操作过程及结果，填写工作页正弦波调制测量安全第一操作规范7S管理40分钟任务项目要求安全注意事项时间技能操作任务实施——逆变器控制信号测试空间矢量调制测量检查评估10分钟2）测试评估是否正确完成典型逆变电路搭建与检测作业是否正确完成逆变器输入输出检测作业是否正确完成逆变器控制信号测试作业工具、设备是否整理恢复实训工位是否打扫干净工作页是否填写完整任务小结驱动电机及控制系统检修任务十电机控制器控制电路检测任务导入场景：广汽新能源汽车售后维修中心人物：维修技师小刘、客户王先生情节：王先生的广汽GE3纯电动汽车在上坡时，明显感觉输出转矩不够，经维修技师小刘检查后，发现电机控制器控制信号有误差，本任务大家和小刘一起对故障原因进行分析和进一步检测。提出问题如何检测电机控制器控制电路？任务目标教学内容坐标变换、矢量控制基本思想永磁同步电机轴数学模型永磁同步电机矢量控制系统不同矢量控制方法分析任务目标能按照标准流程，使用专用工具，规范完成矢量控制信号检测。能根据电机矢量控制原理，使用车辆专用诊断仪，读取电机控制系统数据流并分析故障原因。任务实施——矢量控制检测知识讲解坐标变换

三相交流电机是一个具有多回路、强耦合、非线性、彼此之间又处于相对运动中的电路模型，在对交流电机数学模型进行简化的过程中，需要引入不同的坐标系，并将电机内部的物理量在不同的坐标系之间进行变换，这个过程称为坐标变换。定

义任务实施——矢量控制检测知识讲解坐标变换三相交流电机常用坐标系3s坐标系2s坐标系2r坐标系任务实施——矢量控制检测知识讲解坐标变换三相/两相变换电机内的气隙磁场是进行电磁能量传递的媒介，定、转子间能量的传递是通过气隙磁场进行的。不同类型的绕线进行变换时，需保证它们产生的总磁动势不变。任务实施——矢量控制检测知识讲解坐标变换两相静止/两相旋转变换根据总磁动势不变原则，得出2s坐标系与2r坐标系之间的变换矩阵为交流电机的定子与转子的电流、电压、磁链等物理量均采用上述矩阵进行变换，变换前后物理量之间的关系为：[新坐标系值]=[变换矩阵]×[原坐标系值][原坐标系值]=[反变换矩阵]×[新坐标系值]任务实施——矢量控制检测知识讲解永磁同步电机d-q轴数学模型（1）电压方程（2）磁链方程任务实施——矢量控制检测知识讲解永磁同步电机d-q轴数学模型（3）电磁转矩方程（4）机械运动方程永磁同步电机空间矢量图任务实施——矢量控制检测知识讲解永磁同步电机矢量控制系统控制系统根据转矩需求，结合MTPA、恒功率弱磁以及MTPV轨迹中转速和母线电压的关系进行查表，得到合理的、轴电流指令值，再通过电流调节器（一般是PI调节器）调节出期望的d、q轴电压，最后经过坐标变换和SVPWM后生成相应的调制脉冲。永磁同步电机矢量控制系统结构框图技能操作操作准备任务实施——矢量控制检测新能源教学整车高压安全防护用品、绝缘工具、绝缘扭力扳手、举升机、冷却液回收装置、减速器齿轮油回收装置、制冷剂回收装置、示波器工具技能操作根据操作过程及结果，填写工作页矢量控制检测安全第一操作规范7S管理40分钟任务项目要求安全注意事项时间技能操作任务实施——矢量控制检测任务实施——不同矢量控制方法分析知识讲解矢量控制运行时的基本电磁关系电压极限椭圆

在某一给定转速下，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电机转速的提高，电压极限椭圈的长轴和短轴与转速成反比相应缩小，从而形成了一簇椭圆曲线。电压极限椭圆和电流极限圆任务实施——不同矢量控制方法分析知识讲解矢量控制运行时的基本电磁关系电流极限圆

永磁同步电机的电流极限圆方程为当电压极限椭圆中心位于电流极限圆内部时，理论上电机的转速可以达到无限大；当电压极限椭圆中心位于电流极限圆外部时，电机可达到的最大机械角速度为：任务实施——不同矢量控制方法分析知识讲解id=0控制优点及应用

对表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电机，id=0时，单位定子电流可获得最大的转矩，即产生所要求的转矩只需要最小的定子电流，从而使铜耗下降，提高效率。所以表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电机通常采用id=0控制。id=0控制时的时间相量如图任务实施——不同矢量控制方法分析知识讲解id=0控制控制原理id=0控制系统简图任务实施——不同矢量控制方法分析知识讲解