CN108418494B - 一种产生优化pwm的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生优化PWM的方法，其过程是：使用振动源，作用到电机上，测试不同条件下引起的电动汽车噪声和振动效果；如此得到电动汽车的共振频率、起噪条件、起振条件、振源时序与整车噪声和振动的关系；采用随机频率PWM测量不同频率范围、不同频谱分布、不同频率持续时间等条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率；使用振动源，测试电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱分布；将需要的频谱功率分布和可能的频谱功率分布进行筛选，得到一个理想的随机PWM策略。采用上述技术方案，不需要增加或改动系统的配置和成本；随机频率PWM技术成熟易于实现；从效果上规定策略的控制参数，针对性强，效果有保证。

Description

一种产生优化PWM的方法

技术领域

本发明属于电机驱动与控制的技术领域。更具体地，本发明涉及一种产生优化PWM的方法。

背景技术

在电动汽车中，逆变器将电池输出的直流电转换为交流电，进而驱动三相交流电机，最广泛应用的是两电平三相逆变器，如图7所示。

现有技术中，PWM技术是按照“伏—秒平衡”的时间平均等效原理来工作的，采用这种原理设计的逆变器，其输出除了正弦基波电压之外，还附带大量的谐波。低频谐波能够引起转矩脉动，导致机械振动和噪声，高频谐波引发电磁干扰，谐波还带来能量损耗，引起电机发热。然而“伏—秒平衡”原理只规定了基础电压矢量作用的时间，其作用的顺序和分布并未限定。

现有技术中，为了降低噪声、振动和电磁干扰，开发了大量的随机PWM策略：

一类随机改变三角波本身的频率，称为随机频率PWM(RFPWM)；

另一类随机改变每个周期中开通时间的起始位置，成为随机位置PWM(RPPWM)；

还有一类随机设定脉冲的数量，称为随机开关PWM(RSPWM)。

理论上，不同的随机PWM策略在削弱确定性PWM技术的谐波效果上具有等价性，但是不同的随机PWM策略实现的复杂度差别很大，有的随机PWM策略只需要在现有的电机控制器和逆变器上稍作软件上的改动即可很好的应用，有的则很难实施。

如RZPWM策略实现起来只需要将传统的两个零矢量作用时间分配比例由0.5替代为随机数就可以了，对系统没有什么其他影响，而WPPWM策略实现起来就复杂得多，需要增加控制器的配置和功能以产生不对称的PWM波形。

所以，尽管随机PWM概念的提出已经有20多年的历史，很多随机PWM策略在实施方面还存在大量问题，随机PWM的目标，将谐波的频谱功率从集中在离散的谐波，转换到连续的频率分布，形成白色噪声，理想的解决谐波造成的噪声和振动，并不能良好的实现。

综上所述，现有技术中的驱动逆变器PWM调制技术的缺点是：

1、逆变器采用的PWM技术带有大量谐波，会引起不必要的转矩脉动及能量损耗；2、随机PWM不便于实现；3、随机PWM技术不能解决电机全工况运行时由谐波造成的噪声和振动。

发明内容

本发明提供一种产生优化PWM的方法，其目的是更好地降低规则PWM引起的谐波噪声和振动问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的一种产生优化PWM的方法的过程是：

步骤1、使用振动源，作用到电机上，测试不同频率、不同持续时间、不同间隔序列引起的电动汽车噪声和振动效果；如此得到电动汽车的共振频率、起噪条件、起振条件、振源时序与整车噪声和振动的关系；

步骤2、采用随机频率PWM这种最简单可靠易于实现的策略，测量不同频率范围、不同频谱功率分布、不同频率持续时间等条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率；

步骤3、使用振动源，使用步骤2中的总功率，测试电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱功率分布；

步骤4、将步骤3中需要的频谱功率分布和步骤2中可能的频谱功率分布进行筛选，得到一个理想的随机PWM策略。

所述的频率范围，指PWM可以选择的频率的范围；频谱，指的是频率加上功率；不同频率的持续时间，就是各个频率和功率确定的PWM持续的时间。

电机的振动源模型是作用到电机上的一台设备，通过一个刚性连接装置将振动传达到电机。

所述的设备为6轴振动台。

使用振动源，测试得到一个电机振动的总功率，利用上述步骤1中已知的不同频率、不同功率引起的整车振动噪声效果，把这个总功率分配到不同频率，避开满足产生振动和噪声的条件。

所述的产生优化PWM的方法依据得到电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱功率分布和步骤2中得到在不同频率范围，不同频谱功率分布，不同频率持续时间等条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率分布进行筛选，得到频率功率时间组合，在测试范围内，引起的整车振动噪声最接近白噪声，是理想的随机PWM策略。

对于不对称随机位置PWM能实现对高次谐波的分散，且对系统其它控制部位的影响较小，但对谐波分散的效果不明显；随机开关频率PWM对谐波的分散效果是比较好的，能减少电机的噪声，但随机变化的开关频率给控制系统带来负担，由于随机改变的开通和关断的频率会影响功率器件的使用寿命；理想的随机PWM的产生是基于实测频谱生成的，符合实际运行情况。

本发明采用上述技术方案，通过测试电动汽车的振动和噪声特性，避开敏感频率和功率分布，再通过测试不同随机频率可能产生的频率功率分布时间特性分布，以及电动汽车产生白噪声和无振动噪声热耗散的振动源频率功率分布时间特性分布，找到最佳的随机频率PWM 策略；不需要增加或改动系统的配置和成本；随机频率PWM技术成熟易于实现；从效果上规定策略的控制参数，针对性强，效果有保证。

附图说明

图1为三角载波的产生示意图；

图2(a)和图2(b)为频谱分析图，其中：

图2(a)为常规PWM的FFT分析的屏幕截图；

图2(b)为随机PWM的FFT分析的屏幕截图；

图3为不对称随机位置PWM波形示意图；

图4(a)和图4(b)为不对称随机位置PWM频谱分析图，其中：

图4(a)为常规随机PWM FFT分析；

图4(b)为不对称随机位置PWM FFT分析；

图5为振动源作用于电机的测试；

图6为理想的随机PWM的产生；

图7为与本发明相关的现有两电平三相电源逆变器的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图7为现有的两电平三相电源逆变器的结构示意图，应用于一种产生优化PWM的方法。

随机调制技术是将按某种概率规律分布的随机信号加入到开关信号，使得开关信号变为非周期信号，将其原来集中在开关频率及其谐波频率上的能量分摊在整个频域范围内，从而有效减少离散谐波幅值。

本发明提供了一种产生优化PWM的方法，以有效解决现有技术中的随机PWM产生的谐波所造成的噪声和振动。应用于汉腾X5纯电动版。

为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现其发明目的，本发明采取的技术方案是所述产生优化PWM的方法的过程如下：

步骤1、使用振动源，作用到电机上，测试不同频率、不同持续时间、不同间隔序列引起的电动汽车噪声和振动效果；如此得到电动汽车的共振频率、起噪条件、起振条件、振源时序与整车噪声和振动的关系；

步骤2、采用随机频率PWM这种最简单可靠易于实现的策略，测量不同频率范围、不同频谱功率分布、不同频率持续时间等条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率；

本测试得到电机可能的振动源模型。

步骤3、使用振动源，使用步骤2中的总功率，测试电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱功率分布；

步骤4、将步骤3中需要的频谱功率分布和步骤2中可能的频谱功率分布进行筛选，得到一个理想的随机PWM策略。

本测试可以测得电动汽车整体的振动噪声敏感频率，零部件的振动噪声敏感频率，可以得到引起人体舒适、愉悦、提神、不适、厌烦、疲劳的振动和声音可能性。

下面对本发明的技术方案进行分析：

作用于振动源的随机PWM的产生方式：

1、随机开关频率PWM：

假定PWM的固定开关频率为fs，改变后的开关频率为f_T，要实现开关频率的随机变换则可用以下公式(1)进行实现：

f_T＝f_S+Δf·Random (1)

Δf的选取随fs的选取决定，如fs取5000Hz，Δf取2000Hz，Random为随机数，可取[-1，1]这个区间，通过编写M文件来实现频率的随机转换。

由此可以得到如图1所示的幅值不等、周期不等的三角载波，将此三角载波与正弦波进行比较，产生随机开关频率PWM。

利用SIMULINK中的FFT对相电压的频谱进行分析如图2(a)、图2(b)所示，可以看出，常规PWM技术采用确定的形式控制功率器件的开通与关断，谐波的分布会集中在开关频率及其倍数次处，如图2(a)所示。

随机PWM技术就是将开关频率附近的幅值较高的高次谐波均分到整个频域范围内，减小了谐波的幅值，如图2(b)所示。

2、随机位置PWM：

随机位置PWM的产生是通过改变脉宽在PWM周期中的位置来实现的，其做法是改变两个零矢量的作用时间，保证有效矢量作用时间不变。零矢量V₀和V₇的作用时间分别为T₀₀和T₀₇，两个零矢量作用的总时间为T₀，V₀作用时间分别为T₀₀₁和T₀₀₂。

改变两个零矢量的分配比例K₁、K₂的大小，对其作用时间进行控制，两个零矢量时间分配如下：

T₀₀＝K₂T₀

T₀₇＝(1－K₂)T₀

T₀₀₁＝K₁K₂T₀

T₀₀₂＝(1－K₁)K₂T₀

改变K₂确定两个零矢量的分配比，此时K₂确定后的为对称的随机位置的PWM，然后用 K₁确定V₀矢量在前后周期的作用时间，V₀矢量不能每次保证前后半周期的作用时间相等，这样就可以实现随机不对称性的PWM。如图3所示。

图4(a)所示为常规PWM的相电压的FFT分析，在开关频率及其倍数次附近存在幅值较大的高次谐波。图4(b)显示不对称随机位置PWM的FFT分析，可以看出能将开关频率处的谐波分散，但分散效果不是很明显。

3、理想的随机PWM(应用于汉腾X5纯电动版)：

(1)、整体流程分析：

如图5所示，使用振动源，作用到电机上，测试不同频率、不同持续时间、不同间隔序列引起的电动汽车噪声和振动效果，即能得到噪声和振动的频率谱和各个频率的功率表达。如此得到电动汽车的共振频率、起噪条件(即当电机作用一定时间后达到一定频率、一定功率时噪声开始出现)、起振条件(即当电机作用一定时间后达到一定频率、一定功率时振动开始出现)、振源时序与整车噪声和振动的关系(即不同频率和功率的振动源排队且以不同的作用时间作用到电机上，引起的整车噪声和振动的频率谱和相应的功率谱。)

本测试可以测得电动汽车整体的振动噪声敏感频率，零部件的振动噪声敏感频率，可以得到引起人体舒适、愉悦、提神、不适、厌烦、疲劳的振动和声音可能性。

(2)、振动源的产生：

如图5所示电机可能的振动源模型是采用随机PWM并通过测试得到的，随机PWM可以使用随机开关频率的PWM和随机位置的PWM，采用随机频率PWM这种最简单可靠易于实现的策略，测量不同频率范围，不同频谱功率分布，不同频率持续时间等条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率。

PWM本身是有频率的。频率范围，就是指PWM可以选择的频率的范围；频谱，指的是频率加上功率；不同频率的持续时间，就是各个频率和功率确定的PWM持续的时间。比如频率范围1K赫兹到100K赫兹；频谱比如1K赫兹1瓦，10k赫兹5瓦，100k赫兹10瓦，这是一个线性频谱；不同频率持续时间，比如1k赫兹频率持续20毫秒，频率为0持续5毫秒，再频率为5k赫兹持续10毫秒，再频率为0持续3毫秒，再60k赫兹持续22毫秒，如此等等，可以依此方法得到电机产生的谐振功率频谱以及总功率。通过此种方法得到电机可能的振动源模型是作用到电机上的一个设备，通过一个刚性连接装置将振动传达到电机就可以了，比如6轴振动台。

(3)、理想的随机PWM的产生：

如图6所示，使用振动源，测试得到一个电机振动的总功率，利用上述产生优化PWM的方法的步骤1中已知的不同频率、不同功率引起的整车振动噪声效果，把这个总功率分配到不同频率，避开满足产生振动和噪声的条件。比如15k赫兹2瓦作用20毫秒就引起噪声了，那么15k赫兹2瓦的时间就限制在20毫秒以内；再比如15k赫兹2瓦15毫秒接0赫兹5毫秒再接58k赫兹6瓦30毫秒，引起整车振动，那么这个三段时间频率功率队列中，58赫兹6 瓦就控制到30毫秒以内。利用此种方法为依据得到电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱功率分布，将此频谱功率分布和上述产生优化PWM的方法的步骤2中得到在不同频率范围，不同频谱功率分布，不同频率持续时间等条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率分布进行筛选，得到频率功率时间组合，在测试范围内，引起的整车振动噪声最接近白噪声，这就是一个理想的随机PWM策略，但具体的实施依赖于所选择的电机型号和车的型号。

本发明的关键技术：

1、通过测试电动汽车的振动和噪声特性，避开敏感频率和功率分布；

2、通过测试不同随机频率可能产生的频率功率分布时间特性分布以及电动汽车产生白噪声和无振动噪声热耗散的振动源频率功率分布时间特性分布；

3、通过对频率功率分布及白噪声和无振动噪声热耗散的振动源频率功率分布时间特性分布进行筛选，得到找到最佳的随机频率PWM策略。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种产生优化PWM的方法，其特征在于该方法的过程是：

步骤1、使用振动源，作用到电机上，测试不同频率、不同持续时间、不同间隔序列引起的电动汽车噪声和振动效果；如此得到电动汽车的共振频率、起噪条件、起振条件、振源时序与整车噪声和振动的关系；

步骤2、采用随机频率PWM这种最简单可靠易于实现的策略，测量不同频率范围、不同频谱功率分布、不同频率持续时间的条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率；

步骤3、使用振动源，使用步骤2中的总功率，测试电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱功率分布；

步骤4、将步骤3中的频谱功率分布和步骤2中的频谱功率分布进行筛选，得到一个理想的随机PWM策略；

使用振动源，测试得到一个电机振动的总功率，利用上述步骤1中已知的不同频率、不同功率引起的整车振动噪声效果，把这个总功率分配到不同频率，避开满足产生振动和噪声的条件；

所述的产生优化PWM的方法依据得到电动汽车产生白噪声或仅有热耗散的频谱功率分布和步骤2中得到在不同频率范围、不同频谱功率分布、不同频率持续时间的条件下，电机产生的谐振功率频谱以及总功率分布进行筛选，得到频率功率时间组合，在测试范围内，引起的整车振动噪声最接近白噪声，是理想的随机PWM策略；

对于不对称随机位置PWM能实现对高次谐波的分散，且对系统其它控制部位的影响较小，但对谐波分散的效果不明显；随机开关频率PWM对谐波的分散效果是比较好的，能减少电机的噪声，但随机变化的开关频率给控制系统带来负担，由于随机改变的开通和关断的频率会影响功率器件的使用寿命；理想的随机PWM的产生是基于实测频谱生成的，符合实际运行情况。

2.按照权利要求1所述的产生优化PWM的方法，其特征在于：所述的频率范围，指PWM可以选择的频率的范围；频谱，指的是频率加上功率；不同频率的持续时间，就是各个频率和功率确定的PWM持续的时间。

3.按照权利要求1所述的产生优化PWM的方法，其特征在于：电机的振动源模型是作用到电机上的一台设备，通过一个刚性连接装置将振动传达到电机。

4.按照权利要求3所述的产生优化PWM的方法，其特征在于：所述的设备为6轴振动台。

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