CN108809205A - 通过有源的标称转速调制来低噪声地操控电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低噪声地操控电动机（1）的方法，其中，以标称转速来运行所述电动机（1），其中，所述标称转速有针对性地经受转速波动（31、32、33）。

Description

通过有源的标称转速调制来低噪声地操控电动机

技术领域

本发明涉及一种用于低噪声地操控电动机的方法以及一种计算单元和用于执行所述方法的计算机程序。

背景技术

电动机、尤其是电子换向的电动机（BLDC-马达、无刷的直流电动机）能够被多样化地用作机电转换器，所述机电转换器用于产生旋转的和平移的运动，例如，用于驱动旋转的作功机械和流体-输送泵（在这里，尤其是燃料输送泵）。

在运行电动机时，激发了转速相关的振动，所述振动导致了明显突出的、声调的振动分量和噪声分量。这种所谓的转速谐波（也被称为转速阶）是转速的整数多倍（谐波），是转速的整数部分（次谐波）或者是与转速的、非整数（krummzahlig）的比例（间谐波）。通过对转速频率（基本频率）认识来隐含地确定所有转速谐波。

特定的转速谐波的振幅能够明确地配属于机器特征量和马达特征量。因此，第一阶的振幅由转子不平衡突出，并且，偏心率影响第二阶的大小。就具有叶片数量n的泵而言，通过叶片运行（Schaufeldurchlauf）来明确地影响第n个转速谐波。此外，由电动机的驱动概念（电子换向或者机械换向）产生由于力波动（Kraftwelligkeit）导致的转矩波动。这些所谓的换向阶也是马达转速的高次谐波，其中，第一换向阶由电动机的极数和槽数的最小公倍数给出。

这些由电动机引起的振动分量是声调的，即，振动能量集中在就转动频率和高次谐波而言的、少量离散的频率分量上。它们支配旋转的机器的特征频谱。这些频率分量的振幅的下降导致可听度（Hörbarkeit）和可感噪声（Lästigkeit）的、明显的降低。

当在控制设备中的电动机的马达调节概念中调整固定预先给定的、不随时间变化的标称转速（额定转速）时，换向阶的单个声调分量在噪声频谱中占主导地位。

如果在噪声敏感的环境中应用马达（例如，在具有内燃机的机动车辆的燃料输送泵中），马达换向的、声调的噪声分量表示主导的噪声来源，并且要求成本密集型和材料密集型的降噪措施。尤其地，在应用情况中要求，将这些声调的换向噪声分量减少到这种程度，使得它们由（例如，内燃机的）背景噪声掩盖或者不再能够被感知（声级在感知阈之下）。

就声调的噪声来源而言不利的是人类听力的、心理声学的感知。因此，谐波频率分量比当声能分布到具有相同的振幅的、非谐波频率分量上时被感觉为明显更不舒服。

在DE3708336A1中公开了，为了降低在具有叶片的叶轮处的谐波，改变叶轮的角距离。在DE102004001845A1中也公开了类似的内容。

发明内容

根据本发明，提出了具有独立权利要求的特征的、用于低噪声地操控电动机的方法以及计算单元和用于执行所述方法的计算机程序。有利的构型是从属权利要求以及以下描述的主题。

本发明基于这样的思想：使标称转速（即，用于电动机的转速额定值）有针对性地经受转速波动，并且因此改变标称转速。这些转速波动能够是周期性和/或（伪）随机的。转速波动通过与之相关联的扩频（Frequenzspreizung）而导致转速相关的振动分量或者噪声分量的振幅减小，因为振动能和声能分布在更大的频率范围上。在此，整体声级保持几乎不变，然而，振幅峰值下降并且因此基本上改善了心理声学的感知。

有利地，为了实现转速波动，能够使用不同的线性的或者非线性的调制方法，尤其是周期性的标称转速调制、在（伪）随机的间隔中的标称转速的、离散的偏移或者其他时间上的标称转速变化。

就所有这些方法而言，一个或者多个参数或者参数组合影响机器的心理声学。最优的参数集能够例如在蒙特卡罗模拟的基础上被求得。为此，例如，试验和/或模拟地研究有前景的参数组合的数目，并且，由此确定最佳并且稳健的参数组。

如所提到的，通过周期性的标称转速调制能够有利地实现转速波动。在此，通过角度调制（频率调制或者相位角调制）的、周期性的标称转速变化是有利的。

在有利的实施方式中，电动机的标称转速n ₁ （额定值）由时间相关的调制函数来调制：

。

就本发明基于的应用情况而言，标称转速通常是基本恒定的。对于配属的标称-转动频率以及调制的、配属的时间函数，如下：

。

此外，谐波信号的瞬态频率

被定义为瞬时的相位对时间的导数，

。

由此，就任意的、时间调制的转动频率而言能够求得转速信号的、瞬时的相位：

。

另外的考虑涉及在机器的噪声信号或者振动信号中的、转速相关的频率分量，所述频率分量能够通过其时间变化过程

来描述，当电动机在恒定的标称转速时以配属的基本频率运行时。在此，i表示阶数(Ordnungszahl)，表示第i个振动谐波的振幅，表示第i个振动谐波的频率并且表示第i个振动谐波的相位。现在，调制涉及的是，减小这些谐波的振幅。

有利的实施方式是以谐波或者正弦形调制的标称-转动频率 来频率调制地运行马达。它（标称-转动频率）的时间变化过程能够以

来描述，其中，表示正弦形的频率调制函数的频差，并且表示正弦形的频率调制函数的调制频率。利用等式（5），在等式（6）中所描述的振动阶呈现这种形式

，当借助正弦形的频率调制函数来频率调制标称-转动频率时。在此，利用

引入用于振动阶i的调制指数。在等式（8）中的振动阶能够被展开为傅里叶-级数

，其中，阶n的第一类型的贝塞尔-函数（Bessel-Funktionen）（参见图4）。如果对等式（10）进行傅里叶-变换，能够确定振动阶S _i 的谱线，所述谱线由频率调制而产生：

就而言以及就而言，通过频率调制在噪声频谱中以调制频率的整数倍n的间隔出现了附加的侧频率（Seitenfrequenzen）。这些谱线的振幅通过系数来确定（参见图5B）。在给定时，贝塞尔-函数确定谐波i的振幅值，确定第一侧线对的振幅值，确定第二侧线对的振幅值，等等。

对于贝塞尔-函数的、大的阶数n来说，谱线非常快速地变小。为了估计带宽，能够使用卡森-带宽

，在所述带宽中谱线高达振动振幅的10%。因此，阶i的振动分量的侧谱线的数目和振幅通过频差和调制频率来确定。对于具有频率分量的、典型的分布的当前噪声谱来说，能够确定和的、最佳的参数集，以便能够有针对性地降低主导的噪声分量。例如，如果两个主导的频率分量彼此靠近，则能够通过减小调制指数来阻止侧谱线在结构上的叠加，所述侧谱线在频率调制时出现。

根据调制指数能够从贝塞尔-函数的曲线变化过程中确定马达谐波的振幅值以及侧谱线的振幅值。例如，对于，具有过零点：如果现在选择，则例如能够有针对性地除去第二马达谐波，因为在等式（11）中的为零。因此，能够完全除去第二马达阶。

同样地，贝塞尔-函数 、 ……的、更高的阶取决于调制指数地确定了相应的侧线对的振幅值。由此，通过适当地选择调制指数能够实现频率分量的、噪声最优的振幅分布。

在另外的、有利的实施方式中，通过以下方式来获得时间相关的调制函数：根据由0和1构成的、伪随机的最大序列，在出现0时将标称转速或者标称频率提高值，并且，在出现1时将标称转速或者标称频率降低值（32），或者，反之亦然。根据这个另外的方法，对于有源的转速变化也通过所谓的最大序列、伪随机的二进制序列来改变标称转速。伪随机的最大序列在频谱上是平坦的，由此，能够以这个目的来近似白噪声：将声能均匀地分布在频率范围之内。因此，这种方法的主要目的是声能在频谱上的均匀分布，并且，不是有针对应地除去主导的噪声谐波，如其在上面所介绍的、频率调制的方法中能够实现的。

有利地，二进制的最大序列由原始的模-2-多项式来生成。具有多项式阶n的最大序列是周期性的并且具有-1的周期。周期由-1个1和-1个0构成。与所介绍的、频率调制的方法类似的，能够通过参数：

-最大序列的周期持续时间T，

-频差，

-多项式阶n，

来实现频率分量的、噪声最优化的振幅分布。有利地，也能够在最大序列之内将频差随机化。

在另外的、有利的实施方式中，通过以下方式来实现时间相关的调制函数：通过周期性的线性调频脉冲（Chrip）在时间上（例如，线性地或者指数地经由带宽）来改变所述标称转速。在信号处理中，将信号称为线性调频（英语：chirp，“Zwitschern”）或者线性调频脉冲，其频率在时间上变化。

根据本发明的计算单元（例如电动机的控制设备）尤其是编程技术上被设置用于执行根据本发明的方法。

所述方法的、以计算机程序的实施也是有利的，因为这导致特别低的成本，尤其是当执行的控制设备还被用于另外的任务时，并且因此本来就存在时。用于提供计算机程序的、合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电的存储器，例如：硬盘、闪存、EEPROM、DVD等。通过计算机网络（互联网、内联网等）来下载程序也是可能的。

本发明的、另外的优点和构型从说明书和附上的附图中得出。

本发明参照实施例在附图中示意性地示出，并且在下文中参考附图来描述本发明。

附图说明

图1以示意性的视图示出具有控制设备的电动机。

图2示出在小型泵处的加速度测量的、典型的频谱。

图3示出用于转速变化的方法，其中，分别绘制了转速在时间上的变化过程。

图4示出阶n的第一类型的贝塞尔-函数。

图5示出就频率调制的马达操控而言的、在塞尔-函数的值和谐波频率分量的测线的振幅值之间的关系。

图6示出马达振动的频谱和就通过频率调制的、有针对性的转速变化而言的频谱。

图7也示出了马达振动的频谱和就通过频率调制的、有针对性的转速变化而言的频谱。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了电动机1，所述电动机具有转子11和定子，所述转子具有永磁体，所述定子具有磁绕组12。电动机1与控制设备2连接。电动机尤其是BLDC-马达（无刷的直流电动机）。在运行马达时，在时间上偏移地操控所述磁体绕组12，以便产生旋转场，所述旋转场在转子处引发转矩。在这种情况下，电动机1以三个相位进行实施。

有利地，使用具有块换向（Blockkommutierung）的、简化的变频器，其中，能够直接以可变的直流电来供给中间电路，并且以这种方式来控制电动机1的转速。这个过程由控制设备2控制。以这种方式，控制设备2能够改变转速并且有针对性地将转速波动匮入到马达运行中。

所述方法不限于BLDC-马达。因此，也能够设想使用有刷马达和具有传感器控制的换向的电动机。重要的是，将控制设备2与电动机1如此连接，使得有针对性的转速变化是可能的。

图2示出在小型泵处的壳体振动的加速度测量的、典型的频谱。在横坐标上绘制出频率f，在纵坐标上绘制出加速度a，所述加速度例如利用加速度传感器来测量出，所述加速度传感器被安装在壳体处。

大的峰值2由转子偏心引起。这对应于转速。约在一半的频率时，峰值1由转子不平衡形成。其下在小的程度上形成次谐波20。就在峰值8和峰值16之间的、更高的频率而言，形成用于马达换向23的振动。

所述附图很好地示出了，特定的转速谐波的振幅能够明确地配属于机器特征量和马达特征量，并且，所谓的转速阶是转速的整数倍，是转速的整数部分或者是与转速的、非整数的比例。

图3示出用于示例性方法的电动机的转速变化过程，所述方法用于转速变化以减少声调的噪声分量。在此，分别相对于时间t地绘制转速n。以来表示标称转速。

在此，首先绘制了用于恒定的、不随时间变化的转速30的转速变化过程。这种转速变化过程导致，换向阶的单个声调分量在噪声频谱中占主导地位。

此后，绘制用于频率调制的转速31的转速变化过程。在此，尤其是通过正弦形的调制函数来频率调制标称转速。

此后，基于由0和1构成的、伪随机的最大序列（伪随机的二进制序列）来绘制用于调制函数的转速变化过程(32)，其中，在出现1时将标称转速提高频差，并且，在出现0时将标称转速降低频差。这导致离散的频率调制。

在此之下，示出了作为转速变化的、线性的线性调频脉冲33的变化过程。在此，线性并且（类似）连续地交替地提高并且再次降低频率。

图4示出阶n的第一类型的贝塞尔-函数。这些贝塞尔-函数出现，当根据等式（10）将在等式（8）中的振动阶展开为傅里叶-级数时。为了阐明正弦形的频率调制对于出现的频率线的振幅值的意义，应当在这一点上用图表示出贝塞尔-函数的变化过程。在此，除其他外也能够看出：对于=2.4，具有过零点。

图5示出就频率调制的马达操控而言的、在贝塞尔-函数的值和谐波频率分量的测线的振幅值之间的关系。在给定时，贝塞尔-函数确定谐波i的振幅值，确定第一侧线对的振幅值，确定第二侧线对的振幅值，等等。

在此，图5也示出了来自图4的贝塞尔-函数。然而，对于例如=3，附加地截取 、 …… 的值。如上所述，这些值示出了用于给定的的侧线对的振幅。这在图5B中被绘制出。因此，从贝塞尔-函数中能够读出，哪些频率在频谱中以何种强度出现。

图6A示出了电动机的、示例性的频谱，其中，没有调制标称转速。这导致，换向阶、转子偏心和转子不平衡的单个声调的分量在噪声频谱中占主导地位。在频率为大约50Hz、大约100Hz、大约400Hz和大约800Hz时，能够看出非常清楚的线。图6A被列为参考信号，以便能够执行与有针对性的转速变化的比较。

图6B示出了根据本发明的、优选的实施方式的频谱，所述频谱为通过频率调制的、有针对性的转速变化时的频谱。人们看出，频谱是细分的（ausdifferenzieren）。对于来自参考信号的每个频率都存在侧线对，所述侧线对围绕主导的频率分布，而主导的频率线在其振幅上相对于参考信号明显地减弱。

图7A也示出了示例性的频谱，其中，没有调制标称转速。正如在图6A中，在频率为大约50Hz、大约100Hz、大约400Hz和大约800Hz时能够看出非常清楚的线。

图7B如此示出了根据本发明的、优选的实施方式的、在转速调制时的频谱，使得通过适当地选择调制指数来除去第二马达谐波。与图6B相比，单个的频率线更小，而出现了更多数目的侧线对。

Claims (13)

1.用于低噪声地操控电动机（1）的方法，其中，以标称转速来运行所述电动机（1），其中，所述标称转速有针对性地经受转速波动（31、32、33）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转速波动是周期性和/或伪随机或者随机的。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中，所述标称转速通过以下方式有针对性地经受转速波动（31、32、33）：通过时间相关的调制函数来调制所述标称转速（31）。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述时间相关的调制函数是正弦形的频率调制函数（31）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，如此选择所述正弦形的频率调制函数，使得除去第二马达谐波。

6. 根据权利要求4或者5所述的方法，其中，所述正弦形的频率调制函数是，其中，表示频差，并且，表示调制频率，其中，将预先给定为调制指数。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，通过以下方式来实现所述时间相关的调制函数：根据由0和1构成的最大序列，在出现1时将所述标称转速提高频差，并且，在出现0时将所述标称转速降低频差（32），或者，反之亦然。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述最大序列由原始的模-2-多项式来生成。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，通过以下方式来实现所述时间相关的调制函数：通过周期性的线性调频脉冲在时间上改变所述标称转速（33）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电动机（1）是无刷的直流电动机。

11.计算单元，所述计算单元被设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

12.计算机程序，所述计算机程序促使计算单元执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法，当它在所述计算单元上被执行时。

13.机器能够读取的存储介质，具有存储在其上的、根据权利要求12所述的计算机程序。