电动汽车电机控制器的原理、故障诊断及定位思路

电动车电机控制器是电动汽车“三电”中的核心；电动汽车要实现加速、定速巡航、能量回收，都要依靠电机控制器；电机控制器可以说是电动汽车的“控制中心”，驾驶员下发的控制指令，都要通过电机控制器来执行。

电机控制器的组成

电机控制器（MCU）是纯电动汽车驱动电机控制系统的重要组成部件，它主要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。具体来说就是 MCU 从整车控制器获得整车需求（挡位、加速、制动等指令），从动力电池获得电能，经自身逆变器调制，获得驱动电机所需电能，从而使电机的转速和转矩满足整车的要求（启动、加速、制动、减速、爬坡、能量回收等）。

电机控制器主要由如下几部分组成：

1、电子控制模块(ElectronicController)

电子控制模块包括硬件电路和相应的控制软件。硬件电路主要包括微处理器及其最小系统、对电机电流，电压，转速，温度等状态的监测电路、各种硬件保护电路，以及与整车控制器、电池管理系统等外部控制单元数据交互的通信电路。控制软件根据不同类型电机的特点实现相应的控制算法。

2、驱动器(Driver)

驱动器将微控制器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，并实现功率信号和控制信号的隔离。

3、功率变换模块(PowerConverter )

功率变换模块对电机电流进行控制。电动汽车经常使用的功率器件有大功率晶体管、门极可关断晶闸管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管以及智能功率模块等。

逆变的基本原理

1.逆变

车辆工作过程中，动力电池输出直流电，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。

2.典型逆变电路

如图下所示，以单相桥式逆变电路为例，S1~S4是桥式电路的 4 个臂，通过改变开关S1~S4的闭合状态，即可改变负载的电压电流方向。

按照一定频率的开启和关闭开关，可以实现负载电压U0由正至负，即电流由直流变为交流。其中，可以使用 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）实现开关的开启和关闭功能，使用 PWM（脉冲宽度调制）实现开关频率控制。

电机控制器工作原理

在驱动电机系统中，电机控制器对所有的输入信号进行处理，根据位置传感器检测到转子位置信号，经处理后得到电机实际转速信号；根据挡位、加速、制动踏板等信号，处理后得到电机的需求转速；并通过矢量控制，得到 PWM 发生器的输入信号，通过驱动电路产生控制逆变器功率元件（IGBT）导通和断开的控制信号，输入给逆变器，从而控制车辆的启动运行、行驶速度、刹车等行驶状态；同时，MCU将系统运行状态通过CAN网络进行信息共享发送，从而实现车辆行驶状态的反馈。

驱动电机控制器对驱动电机的控制分为驱动控制、速度控制、方向控制和制动控制。

（1）驱动控制：MCU 内部的逆变器将动力电池提供的两相直流电逆变为电压、频率可调的三相交流电，供给驱动电机并驱动汽车运行。

（2）速度控制：采用PWM控制改变逆变器输出的三相交流电的电压和频率就可以改变电机的转速转矩，从而对汽车进行调速。

（3）方向控制：通过改变逆变器中IGBT的导通顺序就可以改变输出三相交流电的相序，实现电机反转，从而改变汽车的运行方向。

（4）制动控制：驱动电机作为发电机运行将动能变为电能产生三相交流电，经逆变器变为直流电反馈回动力电池，进行再生制动。

电机控制器的故障

电动机驱动系统的故障主要分为电动机故障与电动机控制器故障。

电动机是电能和机械能转换，实现车辆驱动的关键部件，是典型的机电混合体。电动机故障涉及因素较多，如电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统以及通风散热系统等。任何一个系统工作不良或其相互之间配合不好均会导致电动机出现故障，所以，电动机故障要比其他设备的故障更复杂，电动机故障诊断所涉及的技术范围更广。此外，电动机的运行还与其负载情况、环境因素有关。电动机在不同的状态下运行，表现出的故障状态各不相同，这进一步增加了电动机故障诊断难度。通常而言，电动机的故障可分为机械故障与电气故障。

机械方面的主要故障有定子铁芯损坏、转子铁芯损坏、轴承损坏和转轴损坏，其故障原因为由振动、润滑不充分、转速过高、静载过大、过热而引起的磨损、压痕、腐蚀、电蚀和开裂等；

电气方面的故障则主要是定子绕组故障与转子绕组故障，故障原因包括电动机绕组接地、短路、断路、接触不良和鼠笼断条等。

因为器件本身的结构和物理特性以及相互间的电磁兼容性问题，电动机控制器故障也成为电动机驱动系统发生故障的主要原因。

电动机控制器的故障主要包括以下几类：IGBT故障、输入电源线和接地线故障、整流二极管短路、直流母线接地错误、直流侧电容短路、晶闸管短路、温度超限报警、相电流过流、过电压以及欠电压等高压电气系统故障。

电机的故障定位思路

电机控制器的故障定位思路

IGBT的检测及故障定位

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，随着节能环保等理念的推进，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，此类产品在市场上将越来越多见。

1.IGBT模块检测

把万用表调到二极管测量档，万能表的正极测针（红笔）测量链接IGBT上链接UVW三相输出，然后测量上面的正负，类似二级管的测量两测针互换，正常的IGBT会有一个方向的测量是无穷大，另一个方向则有电阻值显示，但不同于二极管特性，这个单向电阻值只是一个压降，就是量到阻值后，它会快速归零（道通）。只要量到这样的IGBT，大概率都是正常的，反之，如果双向测量都是无穷大或者双向测量都是道通的，那就基本可以判断就是99%是坏的。

测量例子：以六相模块为例。取下负载侧U、V、W相的导线，使用二极管测试档位，将黑色手写笔接P(集电极c1)，用红色手写笔依次测量U、V、W，万用表显示无穷大值；将探头倒置，红色探头接P，黑色探头测量U、V、W，万用表显示值约400(0.4v)。然后将黑色手写笔连接到N(发射器e2)，用红色手写笔测量U、V和W，万用表显示值约为400(0.4v)。红色手写笔接P，黑色手写笔测量U、V、W，万用表显示无限值。每个阶段的正负特征应该是相同的。如果有差异，igbt模块性能会变差，应该更换。

2.判断极性

首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极(G )，其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接地为发射极(E)。

3.判断好坏

将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT的集电极(C)，红表笔接IGBT 的发射极(E)，此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C)，这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E)，这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。

旋变传感器的检测及故障定位

旋变传感器主要是由三组信号线圈组成：励磁线圈、正弦线圈、余弦线圈；传感器线圈固定在壳体上（固定不动），信号齿圈固定在转子上（随转子转动）。

主要作用就是：主要监测电机转子的转速，并将转子的位置反馈给电机控制器，是1种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

其中2根线为励磁线，2根正弦信号线，2根余弦信号线。如下图

它的作用是把驱动电机的位置、转速信号提供给电机控制器。

（1）旋变传感器故障，用诊断仪一定能诊断出故障码。第一步就是确定为旋变传感器故障

（2）旋变传感器检测方法：因为旋变传感器主要是由线圈构成，而测量的最好方法就是用电阻测量方法进行：

励磁绕组参考电压：打开点火开关ON档测量插件端应有3—3.5V交流电压

正弦绕组阻值：拔下插件测量传感器端子应有60Ω电阻±10Ω

余弦绕组阻值：拔下插件测量传感器端子应有60Ω电阻±10Ω

励磁绕组阻值：拔下插件测量传感器端子应有30Ω电阻±10Ω

电压测量方法：

励磁绕组参考电压：打开点火开关ON档测量

DCV测量自检补充电压应该有电压，不应该为0.

示波器测量方法：

通过波形判别是否异常。

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