电机转矩波动控制的车内噪声优化
1、问题描述
图1 WOT工况车内噪声声压级
图2 WOT工况车内噪声频谱图
由图1可以看出在，在电机转速350r/min附近，车内出现较高的噪声峰值，车内产生强烈的轰鸣声，这与主观感受相同，并伴随有整车振动冲击较大现象。
结合图1产生异常噪声的电机转速并根据图2车内噪声频谱图可知，该异常轰鸣噪声频率主要在120Hz附近，且存在撞击现象。通过对该噪声频谱进行阶次分析，发现该问题发生的阶次频率与减速器输入轴齿轮阶次（19阶）频率一致，故基本可以判断该峰值问题由电驱动总成引起。
2、原因分析
为进一步确认该峰值问题发生的根源及产生的原因，对电驱总成壳体进行振动测试分析及基于CAN总线的故障诊断数据提取分析。
2.1 整车测试
在整车安装状态下，对WOT工况下电驱动总壳体表面进行了振动测试，测点位置见图3所示。
（a）减速器壳体表面振动测点位置
（b）电机壳体表面振动测点位置
图3 电驱动总表面振动测点位置示意
图4 电驱动总壳体表面振动加速度
2.2 软件数据提取分析
图5 CAN总线提取电机转速、转矩相关信号
由图5可知，在起步急加速工况，在电机转速200-500r/min区间，VCU输出转矩指令为最大恒定转矩，而电机输出转矩则产生较大 波动，转矩波动达到±6Nm，超出一般波动水平。结合振动分析结果，确定峰值噪声问题产生的原因为电机转矩波动异常，导致电驱总成产生强迫振动并传递至车身引起。
3、方案验证
3.1 电机转矩波动影响因素
具有空间正弦分布绕组的永磁同步电机理想情况下，三相电流通过后，电磁转矩保持恒定，不存在转矩波动。但实际情况是反电势谐波及电流时间谐波会导致电磁转矩产生波动。另外，永磁同步电机永磁体转子和定子齿槽相互作用会产生齿槽转矩，这部分转矩随着转子旋转而周期变化，也是转矩波动的组成成分。一般来说，引起永磁同步电机转矩波动的主要因素分为以下几点：
(1)气隙磁场谐波；
(2)齿槽力矩；
(3)定子电流时间谐波；
(4)电机磁路饱和的影响；
(5)制造工艺的影响，如定子的动不平衡、偏心等。
(1)
式中: Te为电机转矩; p 为电机极对数; ψf为永磁体磁链; Ld、Lq分别为d轴和q轴电感; id、iq分别为d轴和q轴电流分量。由式(1)可知，如果d轴励磁电流分量恒定，则永磁同步电机转矩与q轴转矩电流分量成正比。
3.2 电机转矩波动的控制优化
为改善因转矩波动导致的起步急加速工况车内异常噪声问题，并排除了电机制造工艺的影响，对电机控制程序实施了优化，主要实施优化方案为：
a.在整车上标定电机转矩变化梯度；
b.增加转速反馈环节，对力矩给定进行补偿，主动抑制转矩波动；
c.优化电流波形。
电流波形优化前后通过示波器进行观察，波形对比见图6所示。从对比图中可以看出优化后电流波形更平滑且削顶现象消除。
(a)优化前电流波形
(b)优化后电流波形
图6 优化前后电流波形对比
在整车工况状态下，提取CAN总线协议中的电机转速、VCU指示转矩以及电机反馈转矩信息，提取信息见图7所示。
图7 CAN总线提取优化后电机转速、转矩相关信号
从图7可以看出，对电机转矩波动进行控制优化后，急加速过程中，电机反馈转矩波动减小，曲线平滑。对电机转矩波动进行控制优化后，同时测得车内噪声，测试结果见图8所示，车内噪声异常峰值消失。
图8 优化前后WOT工况车内噪声声压级对比
4、优化建议
电机转矩输出的平顺性取决于电机的转矩波动大小，事实上，电机转矩波动是无法消除的。如何在整车上抑制电机的转矩波动，降低车内振动噪声是目前各整车生产企业必须解决的问题。本文通过对驱动电机控制策略及程序进行优化，使其转矩波动控制在合理水平，进而消除加速车内异常峰值噪声。旨在为汽车开发过程中解决类似的问题时提供思路和方向。
