CN109995304A - 一种基于调节pwm载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调节PWM载波降低开关磁阻电机噪声的方法，通过改变PWM载波频率改变开关频率，破坏激励的周期性，进而破坏径向电磁力的周期性，避免了电磁力的频谱分量和定子固有频率重合引发共振，从而达到降低噪声的目的。本发明提出的基于调节PWM载波降低开关磁阻电机噪声的方法，是从控制方向来实现降低开关磁阻电机噪声的，适用范围广，不影响其它性能参数，并且无需硬件电路辅助，应用成本低廉，易于实现。

Description

一种基于调节PWM载波频率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，尤其是一种基于调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法，该方法通过不断改变微处理器输出的PWM的载波频率，干扰激励周期性，进而破坏电磁力的周期性，避免电磁力的变化频率与定子固有频率重合，降低了电机噪声振动。

背景技术

开关磁阻电机作为一种新型的调速驱动系统，兼具交流和直流两类调速系统的优点，如结构简单、体积小、成本低、效率高、可靠性高和不受稀土资源的限制等，而且在电机驱动系统中占有越来越重要的地位。然而由于其双凸极结构和不连续的线圈激励方式，开关磁阻电机在运行过程中产生的噪声相对传统电机比较大，限制了它在低噪声领域的应用。因此，降低开关磁阻电机的噪声振动对于推广其应用具有重大意义。

对开关磁阻电机的振动和噪声的产生来源、传播方式和抑制策略等方面的研究一直是国际上的热点。在不考虑电机在加工过程中所造成的机械结构不对称等问题时，噪声的来源主要是电磁力。开关磁阻电机由于其本身的双凸极结构，在换相时激励产生的电磁力会发生剧烈变化，导致径向力也会发生剧烈变化，从而使定子发生周期性形变后产生振动，特别是当电磁力的频谱分量中含有和定子固有频率重合的分量时，造成的噪声最严重，为避免这种情况的发生，需要采取特定的控制策略破坏电磁力的周期性，从而降低电机运行过程中的噪声。

发明内容

本发明针对上述开关磁阻电机在运行过程中噪声比较大的问题，提出了一种基于调节PWM载波频率来降低电机噪声的方法，能够解决由于电磁力的频率分量和定子固有频率重合时引起共振噪声的问题。

本发明采取的技术方案是：一种基于调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法，将通过调速把和档位开关得到的调速信号和档位信号以及通过采样电阻检测到的开关磁阻电机的相电流信号和通过霍尔传感器检测到的开关磁阻电机的转子位置信号传递给外部信号处理电路，外部信号处理电路将处理过的信号传递给微处理器，微处理器将计算出的载波频率和占空比的PWM信号作为驱动信号输出给不对称半桥电路结构的功率变换器中的开关管，通过功率变换器中的开关管控制开关磁阻电机的调速运行；

其特征在于：电机每运行一个周期时，在保证PWM波占空比不变的情况下，线性改变微处理器输出的PWM载波的频率，使得功率管的开关变化频率不固定，通过不断改变微处理器输出的PWM的载波频率，干扰激励周期性，进而破坏电磁力的周期性，以避免电磁力的频谱分量与定子的固有频率重合时引起的共振噪声。

上述方法包括以下步骤：

1)在开关磁阻电机运行之前，设置好PWM载波初始频率f₀以及载波频率单位偏移量Δf和最大偏移量n*Δf，Δf是在电机每运行一个周期时的时候，载波频率的变化量，n*Δf是PWM载波频率偏离基础频率f₀的最大偏移值；

2)在开关磁阻电机运行时，微处理器根据霍尔位置信号传感器获得的位置信号计算出电机转子位置θ_r，当电机旋转到转子凸极和定子凸极重合，即转子位置为θ_r＝θ₀时，改变PWM载波频率，转子位置θ_r随电机运行进行周期性变化，计算公式如下：

f_PWM＝f₀+m*Δf；

其中f_PWM为PWM实际运行中的载波频率，m为载波频率的变化系数，取值范围为0，±1，±2…±n，随着电机旋转，m的值随着周期数的增加线性变化，当m取到最大值n或者最小值-n时，再反向线性变化；

3)根据实际控制的开关磁阻电机的一个周期对应的机械角度大小和转子转过的机械角度进行比较，判断电机是否进入新的周期，如果进入新的周期，就更新PWM载波的频率，具体变化方式为：假设先使PWM载波频率随着电机周期的增加，在目前的PWM载波的频率基础上增加一个频率单位偏移量Δf，当PWM载波频率增加到最大值(f₀+n*Δf)时，PWM载波的频率再随着电机周期的增加而减小，每次减小的值也为一个频率单位偏移量Δf，直至减小到最小值(f₀-n*Δf)，再使PWM载波频率随着电机周期增加而增加，如此循环。如果电机没有进入新的周期，则保持PWM载波的频率不变；

4)微处理器将计算好载波频率和占空比的PWM信号作为驱动信号输出给不对称半桥电路结构的功率变换器，根据控制程序的运行结果输出对应的上下功率管的开关信号，上功率管的开关控制信号是微处理器输出的调制过的PWM信号，下功率管的控制信号则是由微处理器直接输出的不含PWM的开关控制信号。

微处理器MCU采用STM32F103B作为主控芯片，电机的相电流采样采用康铜丝作为采样电阻，电机转子位置的检测采用脉冲式霍尔传感器US4881KUA。

本发明的优点及显著效果：

1)本发明将调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法运用到开关磁阻电机控制器中，破坏由激励产生的电磁力的周期性，避免了电磁力的频率分量和定子固有频率重合时引起的共振噪声，降低了电机的整体噪声。

2)本发明通过微处理器控制PWM载波频率随电机运行周期变化，随着电机运行周期数的增加，PWM载波的频率增加或者减小一个定值。例如先让PWM载波频率先随电机运行周期的增加而增加，然后到达一个最大值时，使PWM载波频率随电机运行周期的增加而减小，当减小到最小值时，再继续增加，如此往复变化，最后到达的效果是PWM载波频率始终在一个基础频率上下线性变化。

3)本发明在改变PWM载波频率的时候，PWM的占空比不受电机运行周期数的影响，即PWM载波频率和占空比的控制相互独立。在改变PWM的载波频率的时候，不影响开关磁阻电机的转速、转矩、效率等性能，并且明显的降低了电机运行过程中的噪声。同时，本发明方法适用于任何转速任何负载下，适用范围广，并且本发明技术方案简单，不需要任何硬件辅助电路，实现简单。

附图说明

图1是本发明基于调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声方法的运行流程图；

图2是应用本发明后开关磁阻电机控制系统整体结构图；

图3是本发明中功率变换器所采用的不对称半桥电路结构图。

图4是使用本发明前后PWM随转子角变化的波形对比图。

图5是使用本发明前后径向电磁力对比图。

具体实施方法

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。

本发明的运行流程图如图1所示，在开关磁阻电机运行之前，设置好PWM载波初始频率f₀(①)，并设置好载波频率单位偏移量Δf和最大偏移量n*Δf(②)，Δf是在电机每运行一个周期时的时候，载波频率的变化量，n*Δf是PWM载波频率偏离基础频率f₀的最大偏移值。微处理器通过霍尔位置信号传感器传递的霍尔信号判断开关磁阻电机的转子位置信号，并通过运算后将输入微处理器的霍尔信号转换为电机转子位置信号(③④)，然后根据实际控制的开关磁阻电机的一个周期对应的机械角度大小和转子转过的机械角度进行比较，判断电机是否进入新的周期(⑤)，如果进入新的周期，就更新PWM载波的频率，具体变化方式为：假设先使PWM载波频率随着电机周期的增加，在目前的PWM载波的频率基础上增加一个频率单位偏移量Δf，当PWM载波频率增加到最大值(f₀+n*Δf)时，PWM载波的频率再随着电机周期的增加而减小，每次减小的值也为一个频率单位偏移量Δf，直至减小到最小值(f₀-n*Δf)，再使PWM载波频率随着电机周期增加而增加，如此循环。如果电机没有进入新的周期，则保持PWM载波的频率不变(⑥)。最后微处理器将计算好载波频率和占空比的PWM信号作为驱动信号输出(⑦)。

本发明调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法，以控制的对象为三相12/8开关磁阻电机为例予以说明。图2所示的是本发明的对应的开关磁阻电机控制系统结构图，微处理器MCU是由STM32F103B作为主控芯片，接受外设信号、电机转子位置信号和采样的相电流信号，通过开关磁阻电机控制程序的控制，输出功率MOS管驱动信号。整个控制系统的工作流程如下：调速把和档位开关将调速信号和档位信号传递给外部信号处理电路，然后外部信号处理电路将处理过的信号传递给微处理器，微处理器经过控制和运算输出功率管驱动信号给功率变换器，控制电机的运行，本发明的功率变换器采用的是不对称半桥电路结构。微处理器主要通过PWM方式来控制电机调速运行，微处理器在正常工作时产生PWM波形，其中PWM的载波频率和占空比都是可调的(占空比用于对电机进行调速)，微处理器根据控制程序的运行结果输出对应的上下功率管的开关信号，下功率管的开关信号是微控制器直接输出的，而上功率管是微处理器通过输出的控制信号控制PWM信号是否作为开关信号输出给上功率管，因此调节PWM的占空比和载波频率直接影响上功率管的开通时间和开关频率。电流采样使用控制器板上的康铜丝作为采样电阻，检测开关磁阻电机的相电流信号，位置检测采用脉冲式霍尔传感器US4881KUA，检测开关磁阻电机的转子位置，采样得到的相电流信号和获取的位置信号经过微处理器外围电路处理后传递给微处理器。图2中的电源模块根据电动车行业的情况通常采用的是48V～72V的直流电源。

图3所示的是功率变换器所采用的不对称半桥电路结构，图中的三个电感为三相开关磁阻电机的简化模型，S1、S3和S5为功率转换器上功率管的开关信号，S2、S4和S6为下功率管的开关信号，C为直流母线电容，D1-D6为续流二极管，上功率管的开通信号就是调制过的PWM信号，下功率管的开关信号不含PWM信号。开关磁阻电机工作过程分为励磁、回流和续流三个阶段。以A相为例，在励磁阶段，S1和S2均闭合，即上下功率管同时导通，电源给A相供能，相电流从电源出发，经过S1、电机等效电感和S2，回到电源，形成电流回路，等效电感在这一阶段进行储能。当S1闭合S2打开时，即上功率管关断，下功率管导通，此时处于续流阶段，A相存储的能量作为电源，相电流经过D2和S1回到A相，形成回路，相电流损失较小。当S1和S2都关闭，即上下功率管同时关断，相电流从A相出发，经过D2、电源模块和D1回到A相，此时电机处于回流状态。给三相功率管特定的激励顺序，可以使电机工作在不同的状态并顺利运行旋转。在不考虑各类损耗的情况下，功率变换器也可等效为受开关控制的电压源。

图4所示的是传统控制方法PWM波形和本发明中调制过的PWM波形，因为控制对象为三相12/8开关磁阻电机，所以经过计算可知运行周期为45，该角度为机械角度。从图中可以看出传统控制方法使用的PWM波形载波频率保持不变，利用本发明提出的方法输出的PWM波形载波频率随着转子位置的变化而变化，在本例中，电机运行周期为45°，可以很明显的从图中看出PWM波形载波频率每隔45°变化一次。

图5所示的是传统控制方法和使用本发明的径向电磁力的频谱图。使用传统控制方法，PWM载波频率保持不变，在电机以稳速正常运行时，三相交替激励，各自产生的径向电磁力的频谱分量固定。其中如果含有和定子固有频率重合的分量，则会引起共振，产生噪声。本发明使用的PWM其载波频率不固定，即使开关频率不固定，使电磁力的频谱分量不断变化，总体上看会使径向电磁力的频域范围更广，径向电磁力频域极值处的幅值随之降低，以此减小共振幅度，降低电机噪声。

Claims (3)

1.一种基于调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法，将通过调速把和档位开关得到的调速信号和档位信号以及通过采样电阻检测到的开关磁阻电机的相电流信号和通过霍尔传感器检测到的开关磁阻电机的转子位置信号传递给外部信号处理电路，外部信号处理电路将处理过的信号传递给微处理器，微处理器将计算出的载波频率和占空比的PWM信号作为驱动信号输出给不对称半桥电路结构的功率变换器中的开关管，通过功率变换器中的开关管控制开关磁阻电机的调速运行；

其特征在于：电机每运行一个周期时，在保证PWM波占空比不变的情况下，线性改变微处理器输出的PWM载波的频率，使得功率管的开关变化频率不固定，通过不断改变微处理器输出的PWM的载波频率，干扰激励周期性，进而破坏电磁力的周期性，以避免电磁力的频谱分量与定子的固有频率重合时引起的共振噪声。

2.根据权利要求1所述的基于调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在开关磁阻电机运行之前，设置好PWM载波初始频率f₀以及载波频率单位偏移量Δf和最大偏移量n*Δf，Δf是在电机每运行一个周期时的时候，载波频率的变化量，n*Δf是PWM载波频率偏离基础频率f₀的最大偏移值；

2)在开关磁阻电机运行时，微处理器根据霍尔位置信号传感器获得的位置信号计算出电机转子位置θ_r，当电机旋转到转子凸极和定子凸极重合，即转子位置为θ_r＝θ₀时，改变PWM载波频率，转子位置θ_r随电机运行进行周期性变化，计算公式如下：

f_PWM＝f₀+m*Δf；

其中f_PWM为PWM实际运行中的载波频率，m为载波频率的变化系数，取值范围为0，±1，±2…±n，随着电机旋转，m的值随着周期数的增加线性变化，当m取到最大值n或者最小值-n时，再反向线性变化；

3)根据实际控制的开关磁阻电机的一个周期对应的机械角度大小和转子转过的机械角度进行比较，判断电机是否进入新的周期，如果进入新的周期，就更新PWM载波的频率，具体变化方式为：假设先使PWM载波频率随着电机周期的增加，在目前的PWM载波的频率基础上增加一个频率单位偏移量Δf，当PWM载波频率增加到最大值(f₀+n*Δf)时，PWM载波的频率再随着电机周期的增加而减小，每次减小的值也为一个频率单位偏移量Δf，直至减小到最小值(f₀-n*Δf)，再使PWM载波频率随着电机周期增加而增加，如此循环。如果电机没有进入新的周期，则保持PWM载波的频率不变；

4)微处理器将计算好载波频率和占空比的PWM信号作为驱动信号输出给不对称半桥电路结构的功率变换器，根据控制程序的运行结果输出对应的上下功率管的开关信号，上功率管的开关控制信号是微处理器输出的调制过的PWM信号，下功率管的控制信号则是由微处理器直接输出的不含PWM的开关控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的基于调节PWM载波频率降低开关磁阻电机噪声的方法，其特征在于：微处理器MCU采用STM32F103B作为主控芯片，电机的相电流采样采用康铜丝作为采样电阻，电机转子位置的检测采用脉冲式霍尔传感器US4881KUA。