聊一聊電機直接進入主動短路時動態電流的變化情況

前言

隨著新能源汽車的大力推廣，現在對功能安全的需求越來越強烈：對于電控系統，當發生了違背轉矩安全的失效時，控制器需要進入安全狀態。以永磁同步電機驅動系統而言，其安全狀態一般是關管或者主動短路（ASC）兩種。

因為永磁同步電機存在反電勢，如果在高速關管，可能會產生較大的發電扭矩，導致違背安全目標，所以高速會設計主動短路作為安全狀態。所謂的主動短路就是主動將電機的三相線短接的方法，主動短路進入穩態后，永磁同步電機在中高速區域的輸出轉矩約為0轉矩，滿足轉矩安全的要求。

今天電控小白就來和大家聊一聊電機直接進入主動短路時動態電流的變化情況。

高速ASC的穩態電流簡析

我們先來簡單分析一下永磁同步電機高速進入ASC后的問題電流情況，為了分析這個問題，電控小白又要利用永遠也離不開的永磁同步電機的DQ軸電壓方程啦：

為了分析穩態電流，簡化為穩態方程：

主動短路是使電機三相線短接，所以ud和uq均為0，可以推出穩態電流：

從表達式可以看出來，D軸穩態電流小于0，Q軸穩態電流與轉速符號相反；當電機運行在中高速區域時，DQ軸感抗會遠大于Rs，Q軸電流將約為0，所以電機工作在小功率（高速小轉矩）發電狀態。

對于電機為什么一定處于小轉矩發電狀態，其實很好理解：電機三相線短接，電機無法與直流端進行能量交互，但是只要電機三相存在電流，就必然存在能量消耗（銅損和鐵損），這部分能量只能從外界動能轉化而來，因此電機必然處于發電狀態，而且發電功率不會太大（發電功率必須等于電機的損耗功率）。

忽略Rs相關項，得到近似的電流表達式：

因此對于高速ASC，永磁同步電機的穩態電流其實約等于電機特征電流i0。

電動狀態進入ASC的動態電流分析

接下來我們繼續分析電機進入ASC后的動態過程：

為了方便分析，先規定一下工作狀態吧：正轉、電動工況、id>i0

當電機從正常工作狀態進入ASC時，電機端電壓變為0：

從上面的表達式可以看出，當iq>0時，id增大；iq<0時，id減小。當id>i0時，iq減小；當id

為了驗證前面那麻煩的動態分析是不是正確，電控小白利用Matlab 仿真模型進行仿真（請原諒電控小白資源有限，沒辦法用真實臺架測試數據了），這里給出仿真波形：

從上面波形可以看出，DQ軸電流的動態變化過程與電控小白前面的分析基本吻合，這說明前面的分析方法是正確的（還好，能吻合，不然就啪啪打臉了）。

從波形我們還能得到以下幾點結論：

1、電機從正常運行直接進入ASC后，可能會產生一個很大的電流沖擊，沖擊電流主要由D軸電流引發，同時電流沖擊發生在電機從發電狀態轉換為電動狀態前面一點點；

2、D軸電流的沖擊幅值可能遠大于穩態電流（仿真波形中D軸電流沖擊達到了1450A）；

3、切入ASC會導致DQ軸電流形成振蕩；

4、切入ASC引發的電流振蕩幅值會逐漸衰減，最終電流收斂到穩點電流值，DQ軸電流的波形是在穩態值的基礎上疊加幅值逐漸衰減的振蕩電流；

5、Q軸電流中的振蕩分量相位上超前D軸電流振蕩分量約為90°（小于90°）。

Tips：

1、仿真工況：電機運行電頻率200Hz，進入ASC前電機Id=-200A，Iq=400A，高速主動短路穩態電Id約為-600A；

2、DQ軸電流的振蕩頻率與電機的電頻率相同，同為200Hz；

3、沖擊電流為什么主要由D軸電流形成：因為DQ軸電流是正交的電流，電流矢量的幅值是DQ軸電流的平方和，同時當D軸電流達到峰值時，Q軸電流約為0，所以可以忽略此時的Q軸電流對電流幅值的影響；

4、為什么D軸電流最大值對應的不是前面分析的Q軸電流為0時刻：因為前面分析中是忽略了定子電阻Rs的影響，如果引入Rs的影響，那分析結果就與波形能對應，這里電控小白就不在班門弄斧了，感興趣的讀者可以自行分析；

5、為什么電流中的振蕩分量會逐漸衰減到0：因為有定子電阻的存在，定子電阻會消耗振蕩的能量，使電流逐漸收斂；也可以從另外一個角度來理解這個問題，電阻和電感構成了一階低通濾波器，它對交流量存在衰減的作用，所以最終交流成分會被衰減到0；

6、為什么沖擊電流最大幅值一定是出現在電機從發電過渡到電動前一點點：這個問題可以從能量的角度來理解，DQ軸電流越大，對應的電機電感儲存的能量就越多，電機進入ASC狀態后，能量只能與機械能交互；電動狀態是將電感磁場能轉換為機械能，電感電流減小；發電則是將機械能轉換為電感磁場能，電感電流增大；所以發電狀態下的電流幅值一定大于電動狀態；同時電機自身存在損耗（銅損和鐵損），因此當發電功率等于電機自身損耗時，電感的能量達到最大，對應電流達到最大。

發電狀態進入ASC的動態電流分析

前面分析了電動狀態進入ASC的動態電流變化過程，我們繼續來分析一下從發電狀態切換ASC的電流的動態變化過程，同樣還是借用前面的公式：