CN109995303B - 一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，该方法在低速电流斩波控制(CCC)模式下，使用伪随机方法为每相电流斩波限引入随机偏移量，使得各相电流斩波的上、下限不同，破坏激励的周期性，进而破坏径向电磁力的周期性，避免其频率与电机定子固有频率一致，从而通过破坏共振，达到降低开关磁阻电机噪声的目的。本发明的特点是无需硬件电路辅助，应用成本低廉，易于实现。

Description

一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法
技术领域
本发明涉及电机控制，尤其涉及一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，该方法在低速电流斩波控制(CCC)模式下，通过破坏斩波电流的周期性，达到破坏共振、降低开关磁阻电机噪声的目的。
背景技术
相对于传统电机，开关磁阻电机具有许多的优点，如电机结构简单，不消耗稀土资源，成本低，起动转矩大，过载能力强，调速范围宽，运行效率高。这使得开关磁阻电机在一般工业、牵引电动机、高速电动机等领域得到了广泛的应用，显示出强大的市场竞争力。
但是，开关磁阻电机的噪声较大，这极大地限制了其在家用电器，航空等噪声敏感场合下的应用。因此，研究抑制开关磁阻电机的振动和噪声成为改善开关磁阻电机性能的重要课题。
在不考虑机械噪声的情况下，开关磁阻电机的噪声主要是由转子与定子之间的径向电磁力造成的。任何物体都有固有频率，开关磁阻电机的定子也不例外，施加相同幅值的激励，当激励的频率接近该物体的固有频率时，物体的振动噪声将远大于其它频率下的振动噪声。因此，当径向电磁力的频率与开关磁阻电机定子的固有频率一致时，噪声会非常大。
发明内容
本发明针对上述开关磁阻电机运行过程中的共振噪声，提出了一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法。该方法能够通过破坏激励的周期性，达到减小共振、降低噪声的目的。
本发明采取的技术方案如下：一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，微处理器中的通用输入/输出模块GPIO接收由调速把和档位开关得到的调速信号和档位信号并输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器进而控制开关磁阻电机运行；不对称半桥结构功率变换器采集开关磁阻电机的三相电流并经过电阻转换成电压信号，输出至微处理器CPU的模数转换模块AD；霍尔位置传感器采集开关磁阻电机转子的霍尔位置信号并输出至微处理器CPU的定时模块TIM，微处理器CPU根据采集到的开关磁阻电机转子的霍尔位置信号，计算转子速度；
其特征在于：在低速电流斩波控制CCC模式下，根据转子速度判断电机是否进入了低速电流斩波控制模式，当电机进入了低速电流斩波控制模式时，使用伪随机方法通过CPU中的内置程序1为每相电流的斩波限产生随机偏移量，然后通过内置程序2更新每相电流的斩波上、下限，最后通过内置程序3使用更新后的每相电流的斩波上、下限进行斩波控制，使得各相电流斩波的上、下限不同，破坏激励的周期性，进而破坏径向电磁力的周期性，避免其频率与电机定子固有频率一致，从而通过破坏共振，达到降低开关磁阻电机噪声的目的。
上述方法包括以下步骤：
步骤1：首先，在CPU中预先设定好三相开关磁阻电机电流的斩波上限iH和斩波下限iL，；
步骤2：CPU根据采集到的开关磁阻电机转子的霍尔位置信号，计算电机的当前转速；
步骤3：若电机的当前转速没有进入低速电流斩波控制模式，则执行步骤2进行下个运算周期的继续检测；若进入了低速电流斩波控制模式，则执行步骤4；
步骤4：使用伪随机方法为A、B、C三相电流的斩波限产生随机偏移量，分别是iAoffset、iBoffset及iCoffset；
步骤5：将步骤4产生的每一相的随机偏移量分别与步骤1预设的斩波上限iH及斩波下限iL相加，得到新的三相电流斩波上、下限，即：
A相新的电流斩波上限和斩波下限分别是iAH、iAL：
iAH＝iH+iAoffset
iAL＝iL+iAoffset
B相新的电流斩波上限和斩波下限分别是iBH、iBL：
iBH＝iH+iBoffset
iAL＝iL+iBoffsett
C相新的电流斩波上限和斩波下限分别是iCH、iCL：
iCH＝iH+iCoffset
iCL＝iL+iCoffset；
步骤6：微处理器CPU通过模数转换模块AD实时获取电机A、B、C三相的三相相电流，分别是iA、iB、iC；
步骤7：将A相电流iA与A相电流的斩波上、下限iAH、iAL进行比较，当A相电流iA上升到A相电流斩波上限iAH时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断A相的上开关管，A相电流iA开始下降，当A相电流iA下降到A相电流斩波下限iAL时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通A相的上开关管，A相电流iA开始上升；同理，将B相电流iB与B相电流的斩波上、下限iBH、iBL进行比较，当B相电流iB上升到B相电流斩波上限iBH时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断B相的上开关管，B相电流iB开始下降，当B相电流iB下降到B相电流斩波下限iBL时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通B相的上开关管，B相电流iB开始上升；将C相电流iB与C相电流的斩波上、下限iCH、iCL进行比较，当C相电流iC上升到C相电流斩波上限iCH时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断C相的上开关管，C相电流iC开始下降，当C相电流iC下降到C相电流斩波下限iCL时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通C相的上开关管，C相电流iC开始上升。
所述使用伪随机方法为A、B、C三相电流的斩波限产生随机偏移量的公式为：
A相：
Figure BDA0001532457490000031
Figure BDA0001532457490000032
iAoffset＝Q/a+b ③
B相：将A相公式③中的iAoffset替换成iBoffset其余与A相公式相同；
C相：将A相公式③中的iAoffset替换成iCoffset其余与A相公式相同；
公式①是使用线性反馈移位寄存器LFSR产生伪随机序列的过程，Qi表示伪随机序列中第i位的逻辑状态，gi表示反馈系数，其取值只能取0或1，因为n位伪随机序列最多可以提供2n-1个伪随机数，将2n-1个伪随机数重复最少的gi取值作为gi的取值；公式②是由伪随机序列得到伪随机数的过程，Q表示由伪随机序列得到的伪随机数；公式③是由伪随机数得到A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的过程，iAoffset、iBoffset、iCoffset分别表示A、B、C三相电流斩波限随机偏移量；系数a是伸缩系数，通过将伪随机数的最大值与A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的最大值与最小值之差相除得到，系数b是平移系数，通过将A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的平均值与Q/a的平均值相减得到；通过得到的伸缩系数a及平移系数b，将伪随机数变换到A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的变化区间。
所述微处理器CPU采用STM32F103B作为主控芯片。
对于相数大于3的开关磁阻电机，每一相均采用与三相电机相同的控制方式。
本发明的优点及显著效果：本发明方法在低速电流斩波控制(CCC)模式下，使用伪随机方法为每相电流斩波限引入不同的随机偏移量，使得各相电流斩波的上、下限不同，破坏激励的周期性，进而破坏径向电磁力的周期性，避免其频率与电机定子固有频率一致，从而通过破坏共振，达到降低开关磁阻电机噪声的目的。本发明能够极为有效地降低开关磁阻电机运行过程中的噪声；同时，技术方案易于实现，且不需要额外的硬件电路，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声方法的运作流程图；
图2是本发明应用在开关磁阻电机控制中的硬件系统图；
图3a、3b分别是本发明中不对称半桥结构功率变换器电路结构图和低速电流斩波控制模式下电流波形图；
图4a、4b分别是实施例伪随机序列产生示意图和伪随机序列状态转换图；
图5a、5b分别是使用本发明前后斩波电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实例详细说明本发明提供的具体方法和运行过程。该实例将基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声方法运用到开关磁阻电机控制器中，通过避免径向电磁力变化频率与电机定子固有频率重合，达到减小共振、降低噪声的目的。本发明提供的方法特别适用于对噪声要求敏感的场合。
本发明的基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声方法的运作流程图如图1所示。首先，根据实际需用要求，设置电流斩波上限(iH)和电流斩波下限(iL)(步骤1)；然后根据检测到的转子霍尔位置信号计算电机转速(步骤2)；根据电机转速判断电机是否进入了低速电流斩波控制模式，如果进入了，则执行步骤4，如果没有，则执行步骤2(步骤3)；使用伪随机方法为三相电流斩波限产生随机偏移量(iAoffset、iBoffset、iCoffset)(步骤4)；将步骤4产生的随机偏移量分别与步骤1设置的斩波上、下限相加，得到新的三相电流斩波上、下限(iAH、iAL、iBH、iBL、iCH、iCL)(步骤5)；微处理器CPU通过模数转换模块AD实时获取三相相电流(iA、iB、iC)(步骤6)；将A相电流(iA)与A相电流的斩波上、下限(iAH、iAL)进行比较，当A相电流(iA)上升到A相电流斩波上限(iAH)时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断A相的上开关管，A相电流(iA)开始下降，当A相电流(iA)下降到A相电流斩波下限(iAL)时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通A相的上开关管，A相电流(iA)开始上升(步骤7)；同理，B、C两相同样根据更新后的电流斩波上、下限(iBH、iBL、iCH、iCL)进行斩波控制(步骤8，步骤9)。
使用伪随机方法为A相电流斩波限产生随机偏移量的公式为：
Figure BDA0001532457490000041
Figure BDA0001532457490000051
iAoffset＝Q/a+b ③
公式①是使用线性反馈移位寄存器(LFSR)产生伪随机序列的过程，Qi表示伪随机序列中第i位的逻辑状态，反馈系数g0g1g2g3g4g5g6g7g8＝101110001。本例中伪随机序列产生示意图和状态转换图如图4a、4b所示，伪随机序列初始值选为：Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1＝11111111，当时钟信号CLK到来时，伪随机序列变为Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1＝10001111，当下一个时钟信号CLK到来时，伪随机序列变为Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1＝01101111，……，直到第255个时钟信号CLK到来之后，伪随机序列重新变为Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1＝11111111。
公式②是由伪随机序列得到伪随机数的过程，本例中，由伪随机序列初始值得到的伪随机数为255，当时钟信号CLK到来时，伪随机数变为143，当下一个时钟信号CLK到来时，伪随机数变为111，……，直到第255个时钟信号CLK到来时，伪随机数重新变为255。公式③是由伪随机数得到A相电流斩波限随机偏移量的过程，本例中，A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的取值范围为-12.75A到12.75A；伪随机数的最大值为255，A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的最大值与最小值之差为25A，将伪随机数的最大值与A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的最大值与最小值之差相除，结果约为10，所以，系数a取10，A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的平均值为0，Q/a的平均值为12.75，将A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的平均值与Q/a的平均值相减，结果为-12.75，所以，b取-12.75；根据公式③，由伪随机序列初始值计算得到A相电流斩波限随机偏移量iAoffset为12.75A，当时钟信号CLK到来时，由伪随机序列计算得到的iAoffset为1.55A，当下一个时钟信号CLK到来时，由伪随机序列计算得到的iAoffset为-1.65A，……，直到第255个时钟信号CLK到来时，由伪随机序列计算得到的iAoffset重新变为12.75A。
B、C两相均采用上述相同的方法产生电流斩波限随机偏移量。
图2所示为本发明的开关磁阻电机控制系统结构图。微处理器CPU采用STM32F103B作为主控芯片，通过通用输入/输出模块GPIO接收速度、档位等输入信号，并输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，进而控制开关磁阻电机运行；通过不对称半桥结构功率变换器，采集三相电流，三相电流经过电阻转换，转换成电压信号，输出至微处理器CPU的模数转换模块AD；通过霍尔位置传感器，采集开关磁阻电机转子的霍尔位置信号，并输出至微处理器CPU的定时模块TIM。微处理器CPU根据采集到的开关磁阻电机转子的霍尔位置信号，计算转子速度，并根据转子速度判断电机是否进入了低速电流斩波控制模式。当电机进入了低速电流斩波控制模式时，使用伪随机方法为三相电流斩波限产生随机偏移量(内置程序1)，并更新三相电流斩波上、下限(内置程序2)，最后使用更新后的斩波上、下限进行斩波控制(内置程序3)。电源系统采用48V～72V直流电源，给整个系统供电。
本发明中不对称半桥结构功率变换器电路结构图和低速电流斩波控制模式下电流波形图如图3a、3b所示。在励磁阶段，上开关管和下开关管同时开通，相电流从电源正极开始，经过上开关管、电机绕组、下开光管流向电源负极；在续流阶段，只有下开关管开通，相电流处于电机绕组、下开关管和下续流管的回路内。在回流阶段，上开关管和下开关管同时关断，相电流经下续流管、电机绕组和上续流管反馈给电源。在低速电流斩波控制模式下，电机开通相首先处于励磁阶段，上开关管和下开关管同时开通，相电流逐渐上升；当相电流上升到斩波上限时，开始斩波，即上开关管关断，该相进入续流阶段，相电流下降；当相电流下降到斩波下限时，上开关管开通，该相进入励磁阶段，相电流上升；如此，上开关管反复通断，相电流在斩波上限和斩波下限之间波动，直至开通区间结束；当开通区间结束时，上开关管和下开关管同时关断，该相进入回流阶段，电流下降至0。
使用本发明前后斩波电流波形图如图5a、5b所示。在未使用本发明前，在低速电流斩波控制模式下，三相电流具有相同的斩波上、下限，当转速稳定时，三相电流具有严格的周期性；使用本发明后，利用伪随机方法为三相电流斩波限产生随机偏移量，使得三相电流的斩波上、下限不同，破坏了三相电流的周期性，进而破坏了径向电磁力的周期性，减小了共振噪声。
以上借助实施例描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解的是，前述具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，微处理器中的通用输入/输出模块GPIO接收由调速把和档位开关得到的调速信号和档位信号并输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器进而控制开关磁阻电机运行；不对称半桥结构功率变换器采集开关磁阻电机的三相电流并经过电阻转换成电压信号，输出至微处理器CPU的模数转换模块AD；霍尔位置传感器采集开关磁阻电机转子的霍尔位置信号并输出至微处理器CPU的定时模块TIM，微处理器CPU根据采集到的开关磁阻电机转子的霍尔位置信号，计算转子速度；
其特征在于：在低速电流斩波控制CCC模式下，根据转子速度判断电机是否进入了低速电流斩波控制模式，当电机进入了低速电流斩波控制模式时，使用伪随机方法通过CPU中的内置程序1为每相电流的斩波限产生随机偏移量，然后通过内置程序2更新每相电流的斩波上、下限，最后通过内置程序3使用更新后的每相电流的斩波上、下限进行斩波控制，使得各相电流斩波的上、下限不同，破坏激励的周期性，进而破坏径向电磁力的周期性，避免其频率与电机定子固有频率一致，从而通过破坏共振，达到降低开关磁阻电机噪声的目的。
2.根据权利要求1所述的基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：首先，在CPU中预先设定好三相开关磁阻电机电流的斩波上限iH和斩波下限iL；
步骤2：CPU根据采集到的开关磁阻电机转子的霍尔位置信号，计算电机的当前转速；
步骤3：若电机的当前转速没有进入低速电流斩波控制模式，则执行步骤2进行下个运算周期的继续检测；若进入了低速电流斩波控制模式，则执行步骤4；
步骤4：使用伪随机方法为A、B、C三相电流的斩波限产生随机偏移量，分别是iAoffset、iBoffset及iCoffset；
步骤5：将步骤4产生的每一相的随机偏移量分别与步骤1预设的斩波上限iH及斩波下限iL相加，得到新的三相电流斩波上、下限，即：
A相新的电流斩波上限和斩波下限分别是iAH、iAL：
iAH＝iH+iAoffset
iAL＝iL+iAoffset
B相新的电流斩波上限和斩波下限分别是iBH、iBL：
iBH＝iH+iBoffset
iAL＝iL+iBoffsett
C相新的电流斩波上限和斩波下限分别是iCH、iCL：
iCH＝iH+iCoffset
iCL＝iL+iCoffset；
步骤6：微处理器CPU通过模数转换模块AD实时获取电机A、B、C三相的三相相电流，分别是iA、iB、iC；
步骤7：将A相电流iA与A相电流的斩波上、下限iAH、iAL进行比较，当A相电流iA上升到A相电流斩波上限iAH时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断A相的上开关管，A相电流iA开始下降，当A相电流iA下降到A相电流斩波下限iAL时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通A相的上开关管，A相电流iA开始上升；同理，将B相电流iB与B相电流的斩波上、下限iBH、iBL进行比较，当B相电流iB上升到B相电流斩波上限iBH时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断B相的上开关管，B相电流iB开始下降，当B相电流iB下降到B相电流斩波下限iBL时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通B相的上开关管，B相电流iB开始上升；将C相电流iB与C相电流的斩波上、下限iCH、iCL进行比较，当C相电流iC上升到C相电流斩波上限iCH时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，关断C相的上开关管，C相电流iC开始下降，当C相电流iC下降到C相电流斩波下限iCL时，输出控制信号至不对称半桥结构功率变换器，开通C相的上开关管，C相电流iC开始上升。
3.根据权利要求1或2所述的基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，其特征在于：使用伪随机方法为A、B、C三相电流的斩波限产生随机偏移量的公式为：
A相：Qi＝Qi-1⊕Qn·gn·gi-1 ①
Figure FDA0002629324190000021
iAoffset＝Q/a+b ③
B相：将A相公式③中的iAoffset替换成iBoffset其余与A相公式相同；
C相：将A相公式③中的iAoffset替换成iCoffset其余与A相公式相同；
公式①是使用线性反馈移位寄存器LFSR产生伪随机序列的过程，Qi表示伪随机序列中第i位的逻辑状态，gi表示反馈系数，其取值只能取0或1，因为n位伪随机序列最多可以提供2n-1个伪随机数，将2n-1个伪随机数重复最少的gi取值作为gi的取值；公式②是由伪随机序列得到伪随机数的过程，Q表示由伪随机序列得到的伪随机数；公式③是由伪随机数得到A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的过程，iAoffset、iBoffset、iCoffset分别表示A、B、C三相电流斩波限随机偏移量；系数a是伸缩系数，通过将伪随机数的最大值与A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的最大值与最小值之差相除得到，系数b是平移系数，通过将A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的平均值与Q/a的平均值相减得到；通过得到的伸缩系数a及平移系数b，将伪随机数变换到A、B、C三相电流斩波限随机偏移量的变化区间。
4.根据权利要求1或2所述的基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，其特征在于：微处理器CPU采用STM32F103B作为主控芯片。
5.根据权利要求1或2所述的基于调节电流斩波限降低开关磁阻电机噪声的方法，其特征在于：相数大于3的开关磁阻电机，每一相均采用与三相电机相同的控制方式。
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