新能源汽车驱动电机及控制技术 项目四 驱动电机控制系统认知及故障诊断

新能源汽车驱动电机及控制技术1目录项目一驱动电机系统基础与高压安全认知项目二驱动电机结构与技术检测项目三减速器与传动机构技术分析项目四驱动电机控制系统认知及故障诊断项目五电驱动热管理系统故障诊断1项目描述驱动电机控制系统作为整车动力输出的“神经中枢”，其性能直接决定了车辆的动力响应、续航能力与安全稳定性。某款主流纯电动乘用车在北方-15℃低温环境下，车辆原搭载的驱动电机控制系统因未充分考虑低温对电机绕组电阻、逆变器开关损耗的影响，导致电机输出效率较常温状态下降23%，续航里程缩减近150公里。研发团队通过升级控制系统的动态热管理算法，实时采集电机温度、电流、电压等12项关键参数，动态调整IGBT（绝缘栅双极型晶体管）开关频率与电机磁通密度，在保证动力输出的同时，将低温环境下电机效率提升至92%以上，冬季续航衰减幅度控制在8%以内，解决了冬季续航衰减问题。1知识目标1.能够描述电机控制系统和旋变传感器的组成、工作原理2.能准确识别新能源驱动电机控制系统的核心部件3.能列举电机控制器常见故障1技能目标1.能进行电机控制器系统检测2.能进行旋转变压器的检测3.能对电机控制系统常见故障进行诊断1素养目标1.在接触驱动电机控制系统高压部件时，能自觉执行高压断电流程，佩戴绝缘防护装备，杜绝违规操作。2.培养严谨细致的工匠精神，在参数测量、故障诊断、部件更换等操作中，能精准读取数据、规范记录过程。3.在完成多系统协同检查时，能与团队成员分工配合,清晰沟通操作步骤与结果，高效完成任务。1项目四驱动电机控制系统认知及故障诊断任务一

驱动电机控制系统工作原理认知任务二

旋变传感器技术任务三

系统检测与故障诊断1任务引入一款纯电动乘用车在冬季-10℃左右的环境下，出现起步动力不足、加速响应变慢的问题，维修技师初步判断，这些问题与驱动电机控制系统的工作状态密切相关，但需要进一步拆解系统工作逻辑，才能精准定位故障根源。1引导问题驱动电机控制系统的组成和工作原理？电机控制器的组成01交流异步电机控制器主要由主板、驱动板、IGBT模块、电容器、电流传感器等构成.主板作为系统决策中枢，集成运算器、存储器及输入/输出接口，负责接收整车指令（挡位、加速/制动信号）并解析传感器数据，生成逆变器控制策。通过矢量控制算法（如FOC）实现转矩与磁场的独立调控，确保电机高效运行。1.主板电机控制器的组成01驱动板的作用是连接控制单元的低压电路与IGBT模块的高压电路，实现主板对IGBT模块的控制作用。为防止高压电路的电流串入低压电路，导致主板损坏，驱动板应实现信号之间的安全转换。例如，驱动板接收来自主板的定时信号，并将这个信号转换成能控制IGBT模块的信号，如+15V或-5～10V电压。2.驱动板电机控制器的组成01IGBT模块是电机控制器的核心关键部件，可以将高压驱动电源输出的直流电流变成三相交流电流，并送至驱动电机的三相线束，也可以将电机回收的交流电流变成可供高压驱动电源充电的直流电流。3.IGBT模块电机控制器的组成01IGBT模块的直流输入端并联有大容量的电容器，可暂时储存能量，并具有滤波作用。在电机控制器通入直流电并进行工作的时候，可避免大电流冲击电机控制器的内部元件；在回收制动能量为低压蓄电池充电的时候，可减小大电流对低压蓄电池的损害。4.电容器电机控制器的组成01电流传感器能将被测电流的信息按一定规律变换成输出信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。电机控制器接收电流传感器输出的反馈信号并对其进行分析处理，从而实现对三相交流电的精确控制。5.电流传感器电机控制器工作原理及作用021.指令输入电机控制器的其核心任务是：将电池的直流电（转换成驱动电机所需的三相交流电，并精确控制其频率和幅度。此外还改变三相交流电的频率和电压，进而控制电机的转速和输出扭矩；车辆制动能量回收的时候，电机定子线圈内会产生三相交流电，电机控制器将三相交流电转换成直流电，给电池充电。入驾驶员踩下油门踏板，踏板信号发送给整车控制器（VCU）。VCU结合当前车速、电池状态等信息，计算出当前所需的电机扭矩指令，并通过CAN总线发送给电机控制器。电机控制器工作原理及作用021.指令输入电机控制器工作原理及作用022.‌信号处理与算法计算控制器的MCU接收扭矩指令。同时，MCU实时读取电流传感器、电压传感器和旋转变压器（Resolver）反馈的电机转子位置信号。MCU运行矢量控制（FOC）算法：①Clarke/Park变换：将检测到的三相交流电流换成等效的、易于控制的直流电流分量。②PID调节：将转换后的直流信号与目标扭矩指令进行比较，通过PID控制器计算出需要施加的电压矢量。③逆Park/逆Clarke变换：将计算出的电压矢量再转换回三相交流电压的参考值。电机控制器工作原理及作用022.‌信号处理与算法计算电机控制器工作原理及作用023.PWM调制与驱动1）将三相电压参考值通过空间矢量脉宽调制技术，生成6路高频的占空比（脉宽调制）开关信号。2）这6路PWM信号分别对应三相桥臂上6个IGBT的导通和关断指令。3）栅极驱动电路将微弱的PWM信号放大，去控制功率模块中6个IGBT的快速、有序开关。电机控制器工作原理及作用023.PWM调制与驱动电机控制器工作原理及作用024.逆变输出1）通过精确控制6个IGBT的开关顺序和导通时间（占空比），将直流母线电容上的平滑直流电“切割”成幅度和频率可调的三相正弦交流电。电动汽车异步驱动电机控制器正转逆变过程电机控制器工作原理及作用024.逆变输出2）这个三相交流电通入驱动电机的三相绕组，产生旋转磁场，带动永磁转子旋转，从而输出扭矩驱动车轮。电动汽车异步驱动电机控制器反正转逆变过程电机控制器工作原理及作用025.能量回收1）当驾驶员松开油门或踩下制动踏板时，VCU发送指令。2）控制器改变IGBT的开关逻辑，使驱动电机转变为发电模式。3）旋转的车轮反拖电机转子，使其产生三相交流电。4）控制器内的IGBT和反并联二极管将这三相交流电整流成直流电，回充给动力电池电机控制器工作原理及作用025.能量回收新能源汽车异步驱动电机控制器能量回收过程

交流异步电机控制器的功能03电机控制器主要包括以下几个功能：1）将直流电转换成三相交流电，给电机供电。2）控制驱动电机，改变三相交流电的频率和电压，进而控制电机的转速和输出扭矩使其按照设定的转方、转速、响应时间进行工作。3）在车辆减速或下坡时，电机定子线圈内会产生三相交流电，电机控制器将三相交流电转换成直流电，给电池充电，实现制动能量回收的功能。

交流异步电机控制器的功能03电机控制器主要包括以下几个功能：4）将档位、车速、驱动电机转速、冷却液温度等信号显示在仪表上供驾驶人掌握车辆状况。5）当驱动电机发生过电流、过电压或者过热等异常情况时，电机控制器会自动切断主电路，以保护汽车及乘客的安全。

交流异步电机的常见调速控制方法041.‌定子调压调速交流异步电机的常见调速方法：定子调压调速、绕线型转子串电阻调速、串级调速、变频调速。定子调压调速是一种简单、可靠的调速方法。该方法通过改变三相电动机的输入电压，来实现对电机转速的调整。电压调节法适用于电动机负载变化较小、不需要高精度调速的场合。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。

交流异步电机的常见调速控制方法041.‌定子调压调速由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

交流异步电机的常见调速控制方法042.‌绕线型转子串电阻调速绕线型转子串电阻调速是通过在电动机转子回路中串入电阻来实现调速的一种方法。串入电阻后，电动机的转矩和转速都会发生变化，从而实现对电动机转速的调整。特点是调速范围窄、效率低，但成本低，适用于一些需要简单、经济、可靠的调速场合，如起重机等设备。

交流异步电机的常见调速控制方法043.串级调速串级调速是一种利用电动机转子回路中的附加电动势来改变电动机转速的方法。通过在转子回路中串入附加电动势，可以改变电动机的转矩和转速。特点是串级调速具有调速范围广、效率高等优点，但结构较为复杂，成本较高。

交流异步电机的常见调速控制方法044.变频调速变频调速是通过改变电动机电源的频率来实现调速的一种方法。当电源频率改变时，电动机的同步转速也会发生变化，从而实现对电动机转速的精确控制。变频调速是目前的主流调速技术，特点是变频调速具有调速范围宽、调速精度高等优点，效率高（90%以上），节能显著，因此是新能源汽车主流调速方案。主要‌技术分类有‌矢量控制（FOC）和‌直接转矩控制（DTC）两种。

交流异步电机的常见调速控制方法044.变频调速1）矢量控制（FOC）将交流电机的定子电流分解为‌励磁分量‌（产生磁场）和‌转矩分量‌（产生转矩），模仿直流电机的独立控制方式。应用场景‌：高性能伺服系统、新能源汽车驱动、精密加工设备。优缺点：‌动态响应快，调速范围宽（可达1:1000以上）；控制精度高，适用于高精度场合；低速性能优异，转矩波动小。算法复杂，需高性能处理器实现实时计算；调试难度较高，需精确测量或估算磁链。

交流异步电机的常见调速控制方法044.变频调速2）直接转矩控制（DTC）直接控制电机的‌磁链幅值‌和‌转矩大小‌，无需坐标变换。应用场景‌：风机、泵类负载（中高速场景）、起重设备、牵引系统、新能源汽车驱动（特斯拉ModelS采用方案）。‌优缺点：‌动态响应极快（转矩响应时间<1ms）；对电机参数依赖性低，鲁棒性强。低速时转矩脉动较大，影响平稳性；磁链估算精度影响控制效果。1任务一驱动电机控制系统工作原理认知任务二旋变传感器技术任务三

系统检测与故障诊断项目四驱动电机控制系统认知及故障诊断1任务引入旋变传感器安装在驱动电机的转子端，能实时把转子的角度位置和转速转化为电信号，传给整车控制器。如果旋变传感器数据不准，永磁同步驱动电机就无法精准匹配电源相位，轻则动力下降，重则直接“罢工”。当车辆出现加速无力、电机异响，甚至仪表盘报“电机位置信号故障”时，就需要检查旋变传感器。1引导问题如何用万用表、示波器检测旋变传感器的好坏？旋转变压器01分类优点缺点霍尔效应传感器小型封装、高精度、低功耗、由于信号等级低、读出电子设备必须靠近信号传导设备，需要考虑读出设备受超过其承受能力的温度和辐射影响。光学编码器增量式单价低，使用方便光敏传感器安装靠近编码器的光栅轮.不具备耐温性能和抗辐射性能、远距离传输成本高。正余弦式分辨率高、通用接口可靠性较差绝对式分辨率高、可绝对定位成本高，可靠性较差旋转变压器绕线式可靠性高，高精度、可绝对定位使用麻烦磁阻式可靠性最高，结构简单紧凑精度偏低，使用麻烦

常见车用位置传感器基本性能旋转变压器的结构原理021.旋转变压器的类型旋转变压器类型多样，主要包括以下几种：1）‌正余弦旋转变压器‌：输出电压与转子转角呈正弦和余弦函数关系。2）‌线性旋转变压器‌：在一定转角范围内，输出电压与转子转角呈线性关系。3）‌比例式旋转变压器‌：输出电压与转子转角之间呈特定的比例关系。4）‌特种函数旋转变压器‌：输出电压与转子转角呈某种特定函数关系（除正余弦和线性外）。旋转变压器的结构原理021.旋转变压器的类型5）‌单绕组线性旋转变压器‌：原方和副方各仅有一套绕组的线性旋转变压器。6）‌无刷旋转变压器‌：没有电刷和滑环结构，允许连续旋转。7）‌多极旋转变压器‌：极对数大于1的旋转变压器。8）‌双通道旋转变压器‌：单对极和多对极旋转变压器的组合。9）‌铁芯式和空心轴线式旋转变压器‌：分别适用于不同功率等级的电力传输。这些类型的旋转变压器各有特点，适用于不同的应用场景‌旋转变压器的结构原理022.旋转变压器的结构驱动电机旋转变压器主要由定子和转子两大部分组成。1）定子：定子绕组相当于变压器的原边，输入励磁电压。它固定在不动的部分，通常由铁心和绕组构成。铁心由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状心片叠成，绕组则嵌入在槽状铁心内。定子绕组接受来自电机控制器的励磁电压，产生旋转磁场。旋转变压器的结构原理022.旋转变压器的结构2）转子：转子绕组相当于变压器的副边，通过电磁感应得到感应电压。转子绕组随着驱动电机转子轴在转动，通常由导线缠绕而成，并固定在转子上。当转子旋转时，其绕组会穿过定子产生的旋转磁场中的不同磁通量，从而在导线中感应出电动势。旋转变压器的结构原理023.旋转变压器工作原理旋转变压器的工作原理基于电磁感应定律，即当磁通量发生变化时会在导体中产生感应电动势。其核心在于通过旋转磁场与固定及旋转绕组之间的相互作用，实现电能的传递和角度信息的转换。1）定子：定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压。励磁频率通常选用400Hz、3000Hz及5000Hz等标准频率。定子绕组固定在不动的部分，通过交变电流生成一个旋转磁场。这个旋转磁场是旋转变压器工作的基础。旋转变压器的结构原理023.旋转变压器工作原理2）转子：转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。转子绕组由导线缠绕而成，随着旋转角度的改变，旋转绕组中的导线会穿过旋转磁场中的不同磁通量，从而在导线中感应出不同大小的电动势。正余弦式旋转变压器工作原理旋转变压器的结构原理023.旋转变压器工作原理3）磁耦合与电能传递：由于定子和转子绕组之间存在磁耦合，转子绕组中感应出的电动势会被耦合到定子绕组中。通过不同的接线方式，可以实现电能传递、电流变换等目的。旋转变压器的输出电压与转子转角之间保持一定的函数关系，这种关系通常是正弦、余弦或线性等函数形式，具体形式取决于旋转变压器的设计参数和接线方式。例如，在某些高精度检测系统中，旋转变压器的输出电压可能与转子转角成正弦或余弦函数关系；而在某些线性测量系统中，则可能保持线性关系。旋转变压器的结构原理024.旋转变压器检测旋转变压器的检测主要包括视觉检测、电阻检测、高压绝缘测试以及性能参数检测‌。1）‌视觉检测‌：检查旋转变压器的外观，包括变形、裂纹、腐蚀等，以及标签清晰度、引线紧固度和接地可靠性。2）‌电阻检测‌：通过测量旋转变压器端子间的电阻，判断其是否正常，需断电操作。旋转变压器的结构原理024.旋转变压器检测3）‌高压绝缘测试‌：测试旋转变压器的高压绝缘强度，以判断是否存在绝缘不良或短路。4）‌性能参数检测‌：包括精度、分辨率、线性度、稳定性和响应时间的检测，确保旋转变压器的性能优异、稳定性高和可靠性。此外，还有振动分析、热红外检测等方法，可以综合运用这些方法来全面、准确地诊断旋转变压器的故障‌。检测过程中，需要使用专业的测试仪器和设备，并遵循严格的检测流程，以确保检测结果的准确性和可靠性‌。1任务一驱动电机控制系统工作原理认知任务二旋变传感器技术任务三系统检测与故障诊断项目四驱动电机控制系统认知及故障诊断1任务引入一台比亚迪2021款秦EV上电后、车辆报警，散热风扇高速工作，仪表盘显示动力系统故障，EV功能受限。用汽车故障诊断仪读出故障代码：U01A500整车控制器与前驱动电机控制器（FMCU）通讯故障。你作为一名比亚迪售后服务店的维修技师，该怎么帮客户解决这个故障？1引导问题1电机控制器故障应该怎么维修？电机控制器故障诊断的一般流程01下面是电机控制器故障诊断的一般流程：1）故障现象观察：需要观察电机控制器的故障现象，例如电机无法启动、转速不稳定、扭矩不足、过热等。同时，还需要检查车辆的仪表盘是否有故障指示灯亮起，以及车辆是否有异常声音或气味。2）故障代码读取：如果车辆的仪表盘有故障指示灯亮起，可以使用故障诊断仪读取故障代码。故障代码可以帮助确定故障的类型和位置。电机控制器故障诊断的一般流程013）电路检查：根据故障代码和故障现象，需要对电机控制器的电路进行检查。检查的内容包括电源电路、控制电路、驱动电路等。检查电路时，需要使用万用表、示波器等工具，检查电路的电压、电流、电阻等参数是否正常。4）传感器检查：电机控制器通常会使用一些传感器来监测电机的转速、扭矩、温度等参数。如果传感器出现故障，将会导致电机控制器无法正常工作。因此，需要对传感器进行检查，检查传感器的输出信号是否正常。电机控制器故障诊断的一般流程015）功率模块检查：功率模块是电机控制器的核心部件之一，负责将直流电转换为交流电，驱动电机旋转。如果功率模块出现故障，将会导致电机无法正常工作。因此，需要对功率模块进行检查，检查功率模块的输出电压、电流是否正常。6）控制单元检查：控制单元是电机控制器的大脑，负责控制电机的转速和扭矩。如果控制单元出现故障，将会导致电机控制器无法正常工作。因此，需要对控制单元进行检查，检查控制单元的软件是否正常，硬件是否有损坏。电机控制器故障诊断的一般流程017）故障排除：根据故障检查的结果，需要对故障进行排除。如果是电路故障，可以修复电路或更换损坏的部件；如果是传感器故障，可以更换传感器；如果是功率模块故障，可以更换功率模块；如果是控制单元故障，可以修复控制单元或更换控制单元。8）系统测试：在排除故障后，需要对电机控制器进行系统测试，确保电机控制器能够正常工作。测试的内容包括电机的转速、扭矩、温度等参数是否正常，车辆的加速、减速、行驶是否正常。电机控制器故障诊断的一般流程01电机控制器诊断流程1引导问题2电机控制器典型故障如何排查？

故障原因分析01‌1.故障原因分析以秦EV电机控制器故障码U01A500-整车控制器与前驱动电机控制器（FMCU）通讯故障为例进行故障排除。报通讯故障的原因一般CAN线信号异常。CAN信号异常的可能原因主要有以下几个方面：1）电源系统电压不正常，低于12V，导致电控模块短暂停止工作，从而使整个汽车多路信息传输系统出现短暂的无法通信。

故障原因分析01‌1.故障原因分析2）CAN线短路、断路或被干扰。例如CANH、CANL电压不正常，通断不正常。这可能是由于线路接触不实、线路断路以及线路短路所造成的。线路接触不实故障大多出现在CAN总线连接导线的端子处，以及线路连接插件处和线尾端子与金属连接处。另外，各种开关、继电器触点之间的氧化和烧蚀也会造成线路接触不实的故障。短路故障则可能是由电器零件损坏或导线及线束被磨损后造成的。

故障原因分析01‌1.故障原因分析3）CAN网络控制器或整车CBCU本身故障，导致CAN线电压异常，波动较大。4）CAN仪表、ABS/ASR控制器、AMT控制器故障等，它们可能会对CAN电压产生干扰，并导致CAN线路不稳定。

故障诊断021.检测驱动电机控制器1）首先下电用万用表电阻档检测通讯线为动力网CAN-H(9/B30)与CAN-L(14/B30)的终端电阻，其正常值为60欧姆左右。2)然后上电用万用表电压档检测驱动电机控制器的电源电压是否正常，IG3电源1（10/B30）和IG3电源2（11/B30）分别对负极搭铁（1/B30、6/B30）电压，正常值为低压电源电压。3)用电压档测量动力网CAN-