新能源汽车驱动电机与控制系统 课件 第五章电动汽车驱动电机传感器

新能源汽车驱动电机与控制系统Contents01电机基础知识02直流电机03交流感应电机04永磁同步电机05电动汽车驱动电机传感器模块06电机控制器07其他类型电机任务5电动汽车驱动电机传感器模块课程：智能座舱系统测试装调（高级）一、课堂目标课程：智能座舱系统测试装调（高级）4（一）知识目标（1）了解转速位置传感器在电机中的作用；（2）掌握旋变传感器的作用与工作原理；（3）掌握磁阻式旋转变压器特点、结构与工作原理；（4）掌握霍尔式转速位置传感器的工作原理；（5）掌握电机温度传感器的原理及检测方法；（6）了解霍尔电流传感器的类型及工作原理。（二）技能目标会进行旋变传感器静态测试和动态测试；能够对驱动电机绕组进行温度传感器的检测；二、任务导入任务5：电动汽车驱动电机传感器模块5您知道电动汽车驱动电机常见传感器类型吗？对驱动电机的传感器的功能您了解多吗？如何测试驱动电机的传感器？三、任务资讯6任务5：电动汽车驱动电机传感器模块转速位置传感器01霍尔电流传感器03电机温度传感器02（一）转速位置传感器7（一）旋转变压器作用：它通常被用于检测电机转子旋转的瞬间准确位置，涉及到驱动电机的供电系统。电动车上只有直流电源，驱动电机使用的却是三相交流电，中间需要用一个“变频器”将动力电池的高压直流电转变成三相交流电向同步电机供电，以适应车辆驱动的不同需要。其中变频器是由车辆驱动系统的ECU控制的，通过对6个IGBT场效应管的门控驱动电路、控制三相交流电的频率及次序来改变驱动电机的转速和转向，所以变频器的门控电路是变频器的核心。其中输入ECU的多种信号中，负责精准检测驱动电机转子的旋转位置的信号。电动车上的驱动控制电路如图所示。（一）转速位置传感器8转子位置传感器在无刷直流永磁电动机中，主要起两个作用。（1）通过它检测出转子永磁体磁极相对定子电枢绕组所处的位置，以便确定电子换相驱动电路中功率晶体管的导通顺序；（2）确定电子换相电路驱动电路中功率晶体管的导通角，从而确定电枢磁场的磁状态。为了实现这两个目的，工程上可以采用无接触式旋转变压器、光电式传感器、高频耦合式传感器、磁阻元件传感器和霍尔磁敏传感器等。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器9旋转变压器：旋转变压器是转子位置的传感器，用来检测驱动电机转子的位置和速度。旋转变压器输出信号经电机控制器解码后，可以获取电机的转速、转向、速度等信息。它是一种利用气隙磁阻变化而输出信号变化的旋转变压器，是依据电磁感应原理，利用气隙变化和磁阻变化，而使输出绕组的感生电压随机械转角作相应正弦或余弦变化的角度传感元件。旋转变压器由转子和定子绕组组成，转子安装在驱动电机转子轴上，随着电机转子共同转动，比亚迪e5的100KW永磁同步电动机内部也是采用旋转变压器（简称旋变）进行对电机工作状况的监测，旋变的位置在驱动电机的后端如图所示。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器10旋转变压器：旋转变压器定子绕组固定在壳体上，其主要由旋变定子和旋变转子组成，旋转变压器（简称旋变）是一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、余弦函数关系，这种旋转变压器又称为正余弦旋转变压器。传感器线圈（励磁、正弦、余弦三组线圈）固定在壳体上，信号线圈固定在转子上，如图所示。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器11旋转变压器的工作原理：近似与普通的变压器。当一次绕组输入一个信号，根据电磁感应原理，会在二次绕组产生一个输出信号。但与变压器不同的是，旋转变压器由于转子随着驱动电机转子轴在转动，一次绕组与二次绕组之间的有着相对运动，所以二次绕组输出的电压幅值也会产生变化。由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器12旋转变压器的工作原理：根据以上旋转变压器的工作原理，可将比亚迪e5旋转变压器简化为下左图的结构，当从励磁绕组输入励磁电流时，驱动电机转子带动旋转变压器转子旋转，会在正弦、余弦励磁绕组中输出信号，如下右图所示。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器13（二）磁阻式旋转变压器1.普通变压器与旋转变压器的区别：普通变压器的原边和副边的线圈是相对固定的，中间有铁芯进行电磁交变，所以输出与输入的电压比是不变值。旋转变压器的原边绕组不动，副边绕组随转子旋转，当转子的转角位置改变时，其副边绕组输出电压的大小会随转子角位移而发生变化，若输出绕组的电压幅值与转子转角就构成3种不同类型的旋转变压器：正弦或余弦的函数关系、保持某比例关系或与转角成线性关系任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器142.磁阻式旋转变压器的特点：电动车的驱动电机上多使用磁阻式旋转变压器，它是旋转变压器的一种特殊形式，利用磁阻原理来实现电信号间的转换。它的特点是原边与副边的绕组都放在电机定子的不同槽内，且均固定不旋转。原边绕组属励磁绕组通入正弦形的激磁电流，而副边是由两相线圈产生输出信号：任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器153.磁阻式旋转变压器的结构：旋变定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或冲有槽孔的硅钢片叠成。转子不用永磁材料制成，它是由驱动同步电机的永磁转子同轴带动旋转的。转子在旋转时通过磁阻原理在副边的两相绕组上分别感应出正弦及余弦电压信号，故称为正弦绕组和余弦绕组，产生彼此相差90°的电角度信号。磁阻式旋转变压器的转子采取多极形状，磁极的外形应符合能感应正弦信号的特殊要求，因此磁场气隙应近似于正弦波的形状，如图所示。利用气隙和磁阻的变化使输出绕组的感应电压会随机械转角作相应正弦或余弦的变化，同时转子必须满足多磁极的要求，旋转变压器的定子与转子的磁极数是不相同的，定子磁极数比转子的多。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器163.磁阻式旋转变压器的结构：磁阻式旋变的三个线圈如图所示，其中转子齿为4个，定子齿画出5个。激磁线圈、正弦线圈和余弦线圈均安置在定子槽内，输入的激磁绕组1-1是逐个磁极反向串接，而正弦线圈2-2及余弦3-3，则是以两个磁极为间隔，反向串接的输出绕组。当转子相对定子旋转时，定子、转子间气隙的磁导发生变化，每转过一个转子齿距，气隙的磁导变化一个周期。当转子转过一圈时，则变化出与转子齿相同的数个周期。气隙磁导的变化导致输入和输出绕组之间互感的变化，输出绕组感应的电势也随之发生变化。输出绕组按正弦及余弦规律变化来判断转子的瞬间位置以及旋转的方向。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器174.磁阻式旋转变压器的三个绕组：磁阻式旋转变压器有三个绕组，包括有一个激励线圈、两个正交的感应线圈等三组线圈，对外共有6条引线。激励线圈接受输入的正弦型激励电流，激磁频率通常有400Hz、3000Hz及5000Hz等多种。正交的两个感应线圈，依据旋变的转子、定子的相互位置关系，调制出具有sin正弦和cos余弦包络的检测信号。如果激励信号是sinωt，转子与定子间的角度为θ，则正弦信号为sinωt×sinθ，而余弦信号则为sinωt×cosθ。根据sin、cos信号和原始的激励信号，通过必要的检测和比较电路即可高分辨率地检测出转子位置。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器18（三）霍尔式转速位置传感器1.霍尔效应当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差，霍尔效应使用左手定则判断。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器19（三）霍尔式转速位置传感器2.霍尔式转速传感器由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成，霍尔式转速传感器的各种不同结构。将磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘便随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测对象的转速。磁性转盘上的小磁铁数目的多少，将决定传感器的分辨率。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（一）转速位置传感器20（三）霍尔式转速位置传感器3.霍尔式转速传感器转速测量磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，霍尔传感器固定在磁性转盘附近。当被测转轴转动时，磁性盘随之转动，磁体每经过霍尔传感器一次，霍尔传感器便输出一个相应的电压脉冲。检出单位时间的脉冲数，便可求出被测转速。例如，在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体位置上装上霍尔传感器，即可制成车速表和里程表等。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（二）电机温度传感器21温度传感器（temperaturetransducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。为避免因温度过高而造成组件损坏，有很多电机使用温度传感器来监控电机定子绕组的温度。（一）电机温度传感器作用1.电机运转过程中对温度进行监测不同的设备在长时间运转的时候常常会伴随热量的产生，热量积累到一定的程度，很可能会产生危险，所以就需要对温度进行实时的检测。而通过高温检测设备，就能够对于电机运转过程当中产生的温度进行检测，等温度达到一定的程度以后就会预警。2.对运行中异常情况进行预警保护由于该种设备对于温度的改变是非常灵敏的，当电机温度到达预警值的时候，这种设备就能够对温度进行预警，提示人们及时进行降温处理，或者进行停机或者进行散热处理，对于电机进行控制，保证电机运转安全。在电机运转过程当中，温度传感器是必不可少的一个设备。任务5：电动汽车驱动电机传感器模块（二）电机温度传感器22（二）电机温度传感器工作原理不同车型的驱动电机，温度传感器的规格也是不一样的。有正温度系数，也有负温度系数（NTC）的驱动电机温度传感器。负温度系数传感器的电阻会随着温度的升高而降低，负温度系数传感器的代表性车型为吉利EV300/EV450和比亚迪e5。正温度系数传感器的电阻值会随着温度的升高而增加，随着温度的降低而减小，代表性车型为北汽EU260。驱动电机温度传感器通常被放置在定子绕组内部，数量为2-3个，分别是U相温度传感器、V相温度传感器、W相温度传感器。例如，宝马i3后轮驱动电动汽车装备了2个温度传感器，吉利EV300/450安装了2个温度传感器，北汽EU260则安装了3个电机温度传感器。（二）电机温度传感器23（二）电机温度传感器工作原理不同车型的驱动电机，温度传感器的规格也是不一样的。有正温度系数，也有负温度系数（NTC）的驱动电机温度传感器。负温度系数传感器的电阻会随着温度的升高而降低，负温度系数传感器的代表性车型为吉利EV300/EV450和比亚迪e5。正温度系数传感器的电阻值会随着温度的升高而增加，随着温度的降低而减小，代表性车型为北汽EU260。驱动电机温度传感器通常被放置在定子绕组内部，数量为2-3个，分别是U相温度传感器、V相温度传感器、W相温度传感器。例如，宝马i3后轮驱动电动汽车装备了2个温度传感器，吉利EV300/450安装了2个温度传感器，北汽EU260则安装了3个电机温度传感器。（三）霍尔电流传感器241.工作原理霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ip，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向（即霍尔输出端之间），将产生一个电势VH，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I。霍尔电流传感器依据工作原理不同分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。（三）霍尔电流传感器252.开环式霍尔电流传感器工作原理开环式霍尔电流传感器由磁芯、霍尔元件和放大电路构成。磁芯有一开口气隙，霍尔元件放置于气隙出。当原边导体流过电流时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，放大电路将该信号放大输出，该类传感器通常输出±10V左右的电压信号，也有部分传感器为了增强电磁兼容性，变换为电流信号输出。（三）霍尔电流传感器263.闭环式霍尔电流传感器工作原理环式霍尔电流传感器也称：零磁通霍尔电流传感器、零磁通互感器、磁平衡式霍尔电流传感器等。如图所示，闭环式霍尔电流传感器包括磁芯、霍尔元件、放大电路和副边补偿绕组。与开环式霍尔电流传感器相比，闭环式霍尔电流传感器多了副边补偿绕组，正是副边补偿绕组，将闭环式霍尔电流传感器的性能进行了大幅度提升。（三）霍尔电流传感器273.闭环式霍尔电流传感器工作原理放大电路接受霍尔元件的输出，并放大为电流信号提供给副边补偿绕组，副边补偿绕组在磁芯中产生的磁场与原边电流产生的磁场在气隙处大小相等，方向相反，抵消原边磁场，形成负反馈闭环控制电路。若副边电流过小，产生的磁场不足以抵消原边磁场，放大电路将输出更大的电流，反之，放大电路输出电流减小，从而维持气隙处的磁场平衡。若原边电流发生变化，气隙处磁场平衡被破坏，负反馈闭环控制电路同样会调节副边输出电路，使磁场重新达到平衡。从宏观上讲，气隙处将一直维持零磁通，保持磁平衡，这也是零磁通互感器及磁平衡霍尔电流传感器名称的来由。（三）霍尔电流传感器284.闭环式霍尔电流传感器与开环式霍尔电流传感器的区别（1）从带宽区别微观上讲，气隙处的磁场始终在零磁通附近变化，由于磁场变化幅度非常小，变化幅度小，变化的频率可以更快，因此，闭环式霍尔电流传感器具有很快的响应时间。实际的闭环式霍尔电流传感器带宽通常可以达到100kHz以上。而开环式霍尔电流传感器的带宽通常较窄，如：LEM公司的HAZ系列开环式霍尔电流传感器的带宽在3kHz左右。（2）从精度区别上讲，开环式霍尔电流传感器副边输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比，而磁芯由高导磁材料制作而成，非线性和磁滞效应是所有高导磁材料的固有特点，因此，开环式霍尔电流传感器一般线性度较差，且原边信号在上升和下降过程中副边输出会有不同。开环式霍尔电流传感器精度通常劣于1%。闭环式霍尔电流传感器由于工作在零磁通状态，磁芯的非线性及磁滞效应不对输出造成影响，可以获得较好的线性度和较高的精度。闭环式霍尔电流传感器精度一般可达0.2%。五、任务实施1-旋变传感器静态测试任务5：电动汽车驱动电机传感器模块1.使用万用表检测电阻值1.准备工作设备：驱动电机工作台，万用表，比亚迪e5电气原理图。2.操作步骤（1）观察驱动电机旋变传感器结构，并对照电器原理图查阅各端子定义。（2）拔下棕色电机旋变传感器，观察其是否完好。（3）利用万用表测量励磁、正弦、余弦三组信号电阻值。（4）测量的电阻值与旋变传感器自身正常时标准电阻值比对。内容标准电阻值（Ω）小组评定1励磁绕组6.5±2Ω

2正弦绕组12.5±4Ω

3余弦绕组12.5±4Ω五、任务实施1-旋变传感器静态测试任务5：电动汽车驱动电机传感器模块1.准备工作设备：驱动电机工作台，万用表，比亚迪e5电气原理图。2.操作步骤（1）观察驱动电机旋变传感器结构，并对照电器原理图查阅各端子定义。（2）拔下棕色电机旋变传感器，观察其是否完好。（3）利用万用表测量励磁、正弦、余弦三组信号电阻值。（4）测量的电阻值与旋变传感器自身正常时标准电阻值比对。序号内容标准电阻值（Ω）小组评定1励磁绕组6.5±2Ω

2正弦绕组12.5±4Ω

3余弦绕组12.5±4Ω五、任务实施2-旋变传感器动态测试任务5：电动汽车驱动电机传感器模块1.准备工作设备：驱动电机工作台，示波器，比亚迪e5电气原理图。2.静态测量步骤（1）观察驱动电机旋变传感器结构，并对照电器原理图查阅各端子定义。（2）拔下棕色电机旋变传感器，观察其是否完好。（3）利用示波器测量励磁、正弦、余弦三组信号波形。（4）测量的波形与旋变传感器自身正常时标准波形比对。3.动态测量步骤（1）车辆正常上电；（2）连接示波器，调整测量幅值脉宽；（3）轻轻踩下加速踏板，采用背插方式测量励磁、正弦、余弦三组信号波形。序号内容标准波形小组评定1励磁绕组

2正弦绕组

3余弦绕组

五、任务实施3-驱动电机温度传感器的检测任务5：电动汽车驱动电机传感器模块1.使用万用表检测电阻值在实际维修过程中，应注意不同车型的驱动电机温度传感器，其类型和电阻值不尽相同，表5-1给出了常见车型驱动电机温度传感器的电阻标准值。以比亚迪秦或e5为例，在10～40℃温度下，测量温度传感器电阻时，用万用表欧姆档两端子分别连接驱动电机外部温度传感器插件3、6端子，查看万用表显示的电阻值是否在50.04～212.5kΩ范围内。项目/车型吉利EV300比亚迪秦/e5北汽EU260U相温度传感器安装2个；25℃时，正常电阻值为10kΩ，阻值随着温度升高而降低，随温度降低而升高。0℃：标准电阻值364.9kΩ；10℃：标准电阻值212.5kΩ；20℃：标准电阻值127.7kΩ；30℃：标准电阻值78.88kΩ；40℃：标准电阻值50.04kΩ；安装3个；0℃时，电阻1000Ω，温度上升1℃，电阻增加3.85Ω。五、任务实施3-驱动电机温度传感器的检测任务5：电动汽车驱动电机传感器模块2.吉利EV300/450电机绕组温度传感器的测量吉利EV300/450的电机绕组温度传感器有2个，均采用10kΩ规格的NTC负温度系数传感器，温度传感器型号为SEMITEC103NT-4，即在25℃时，正常电阻值为10kΩ，阻值随温度升高而降低，随温度降低而升高，不同温度的电阻值参见表。温度（℃）电阻值（KΩ）温度（℃）电阻值（KΩ）温度（℃）电阻值（KΩ）027.861415.38288.934126.651514.77298.609225.511614.19308.297324.421713.64317.998423.381813.11327.711522.391912.61337.436621.452012.12347.173720.562111.66356.921819.712211.22366.679918.902310.79376.4471018.132410.39386.2251117.402510.00396.0111216.69269.629405.8061316.02279.274415.608注：SEMITEC103NT-4型号的温度传感器，电阻误差为±3%，例如在25℃时，标准电阻值为10KΩ，最大值为10.3KΩ，最小值为9.7KΩ。五、任务实施3-驱动电机温度传感器的检测任务5：电动汽车驱动电机传感器模块2.吉利EV300/450电机绕组温度