CN115173763A - 一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法 - Google Patents

一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法，涉及电机控制与噪声抑制领域，包括以下步骤：步骤1：考虑转子位置对脉宽调制的影响，设计分段混合开关频率调制策略：步骤2：仿真确定分段混合开关频率调制策略中的三角波周期函数频率、扩频宽度和比例系数，步骤3：根据步骤1和步骤2，得到开关频率随转子位置的变化值，经过空间矢量脉宽调制后输出六路驱动信号，用于控制永磁同步电机驱动器逆变器开关管的通断，实现抑制永磁同步电机高频啸叫的目的。本发明抑制高频边带谐波，从而抑制永磁同步电机的高频啸叫，方法成本低、易实现，且不用增添额外的硬件设备；设置分段混合开关频率扩频调制策略，更好地分散和抑制了高频电流谐波和高频啸叫噪声。

Description

一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制与噪声抑制领域，特别涉及一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有结构紧凑、效率高、运行平稳可靠和转矩密度高等优势，在各个产业中得到广泛应用。在运行过程中，永磁同步电机会不可避免地产生电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声，无法满足一些场合下人员对听觉静谧性、舒适性的要求。其中，电磁噪声是永磁同步电机噪声的主要来源。逆变器脉宽调制将向永磁同步电机的三相电流中引入高频电流谐波。它们的频率聚集在开关频率及其整数倍频附近。较高的开关频率会使永磁同步电机产生高频电磁力谐波，进而激发出高频啸叫噪声。高频啸叫噪声尖锐度高、刺耳，更易引起听众主观烦躁，极大地影响舒适性。目前，抑制电磁噪声的主要方法是电机本体参数优化法，但此方法主要手段是削弱低频电磁力，对于由逆变器引入的高频电磁力和高频啸叫噪声的抑制效果有限。此外，电机本体参数优化法会增加电机的设计、制造和时间成本，还有可能无法对输出性能和噪声同时寻优。从控制策略出发，削弱因脉宽调制而引入的高频电流谐波，在不增加硬件成本的基础上，即可抑制永磁同步电机的高频啸叫。
现有的涉及永磁同步电机电磁噪声抑制方法的专利检索如下：
(1)利用电机本体参数优化法抑制电磁噪音。专利检索如下：①日本电产凯宇汽车电器(江苏)有限公司的黄小强申请了一种降低电磁噪音的磁瓦，申请号：CN202023289480.8，授权公告号：CN213959832U；②佳木斯电机股份有限公司的王立名申请了一种降低交流电机电磁噪音的绕组，申请号：CN202020191919.4，授权公告号：CN211377731U；③广州小鹏汽车科技有限公司的孔庆波申请了一种抑制电机电磁噪音及改善NVH的电机及汽车，申请号：CN201910095608.X，授权公告号：CN109921571A；④浙江盘毂动力科技有限公司的何俊明申请了一种降低电机电磁噪音的磁钢，申请号：CN202023288362.5，授权公告号：CN214412418U。
(2)采用扩频调制法抑制永磁同步电机逆变器引入的高频电磁噪声。专利检索如下：①上海电机学院的刘世昌申请了基于扩频调制技术的永磁同步电机减振降噪方法和装置，申请号：CN202111512660.4，授权公告号：CN114362636A；②西安理工大学申请了基于纹波电流峰值的NPC变流器随机开关频率调制方法，申请号：CN201711432404.8，授权公告号：CN108054948A；③中国第一汽车股份有限公司的王刚申请了一种永磁同步电机开关频率噪声降低方法，申请号：CN202011099873.4，授权公告号：CN112332720A；④华中科技大学的蒋栋申请了一种电流源逆变器变开关频率调制方法和系统，申请号：CN202010696679.8，授权公告号：CN111934577B。
综合调研现有技术，目前永磁同步电机电磁噪声的抑制技术仍存在以下问题亟待解决：
(1)利用电机本体参数优化法，能够在一定程度上削弱低阶电磁力和低阶电磁噪声，然而本体参数优化会增加制造成本，且无法抑制高频电流谐波引起的高频啸叫噪声；
(2)采用扩频调制法，能够较为有效地抑制高频电磁噪音。然而，现有技术没有考虑到永磁同步电机的运行状态对扩频调制的影响，不能产生较好的谐波抑制效果。此外，现有的随机开关频率扩频调制技术会受到硬件的限制，产生的随机数为“伪随机”，谐波抑制效果大打折扣。因此，亟需考虑永磁同步电机运行时转子位置变化对脉宽调制的影响，提出一种能够增大开关频率随机度的技术，提升高频谐波抑制效果。
发明内容
鉴于现有技术对抑制永磁同步电机高频啸叫噪声的不足，本发明提出了一种抑制永磁同步电机高频啸叫噪声的控制方法，通过削弱高频边带电流谐波而抑制永磁同步电机的高频啸叫噪声。本技术的主要优势在于：(1)从电机控制策略出发，抑制高频边带谐波，从而抑制永磁同步电机的高频啸叫，方法成本低、易实现，且不用增添额外的硬件设备；(2)考虑永磁同步电机运行时转子位置变化对脉宽调制的影响，设置分段混合开关频率扩频调制策略，更好地分散和抑制了高频电流谐波和高频啸叫噪声。
一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法，主要包括以下步骤：
步骤1：考虑转子位置对脉宽调制的影响，设计分段混合开关频率调制策略；
步骤2：仿真确定分段混合开关频率调制策略中的三角波周期函数频率、扩频宽度和比例系数；
步骤3：根据步骤1和步骤2，得到开关频率随转子位置的变化值，经过空间矢量脉宽调制后输出六路驱动信号，用于控制逆变器开关管的通断。通过仿真，验证高频电流谐波的抑制效果。
所述步骤1的具体操作如下：
考虑转子位置对脉宽调制的影响，设计分段混合开关频率脉宽调制策略：
永磁同步电机转子在不同位置时，永磁同步电机驱动器的逆变器的开关频率用式(1)表示。
Figure BDA0003699939860000021
式中，fs(t)为实际开关频率(Hz)，且Ts＝1/fs；f0为中心频率(Hz)，与固定开关频率下的载波频率相同；a为随机频率调制的比例系数(-)；R为在±1范围内变化的随机数(-)；b为周期频率调制的比例系数(-)；f(t)为幅值为±1的三角波周期函数的频率(Hz)；ΔfH为混合开关频率调制的扩频宽度(Hz)；θ为转子位置(°)。
式(1)为永磁同步电机的分段混合开关频率调制策略。
所述步骤2的具体操作如下：
步骤2.1：将步骤1得到的开关频率值fs(t)，替换永磁同步电机矢量控制模型中空间矢量脉宽调制环节的固定中心频率值f0(该永磁同步电机矢量控制模型以id＝0为总控制策略)，在Matlab&Simulink软件中建立基于混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型。
步骤2.2：确定三角波周期函数的频率f(t)。选择不同的周期函数频率，代入步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，选择谐波抑制效果好的频率作为周期函数频率。
步骤2.3：确定混合开关频率调制的扩频宽度ΔfH。选择不同的扩频宽度，代入步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，选择谐波抑制效果好的值作为扩频宽度。
步骤2.4：确定随机频率调制和周期频率调制的比例系数a和b。比例系数关系为：a+b＝1，选择不同的比例系数，代入步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，选择谐波抑制效果好的情况作为a和b的取值。
所述步骤3的具体操作如下：
步骤3.1：对步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型，代入选择好的周期函数的频率、扩频宽度、比例系数a和b进行仿真，并将中心开关频率设为f0，得到开关频率随转子位置的变化值(fs(t))，用于驱动逆变器开关管的通断。
步骤3.2：在仿真软件中设置永磁同步电机运行工况，通过仿真基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型，得到永磁同步电机的三相电流，取其中一相电流做快速傅里叶变换，得到整数倍开关频率附近的高频边带电流谐波含量，验证高频电流谐波的抑制效果。
使用本发明的抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法，能够考虑电机运行时转子位置对脉宽调制的影响，通过合理设计分段混合开关频率脉宽调制的方法，增大了对高频边带电流谐波的扩散和抑制效果，减小了电机由于逆变器脉宽调制而引起的高频啸叫，从而改善了永磁同步电机NVH性能。同时该方法是通过策略的更改和软件实现，无需增添额外的硬件设备，节约成本且便于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1是本发明控制方法的流程图；
图2是扇区内零矢量作用时间T0随转子位置的变化规律；
图3是本发明提出的考虑转子位置的混合开关频率脉宽调制算法的电机控制模型原理图；
图4是本发明提出的调制策略下实际开关频率随转子位置的变化；
图5是额定转速下加入本发明控制策略前后A相电流谐波含量；
图6是加速工况加入本发明控制策略前后A相电流瀑布图对比；
图7是额定转速下加入本发明控制策略前后噪声声压级频谱对比；
图8是额定转速下加入本发明控制策略前后噪声尖锐度对比；
图9是加速工况加入本发明控制策略前后噪声瀑布图对比；
图10是加速工况下加入本发明控制策略前后尖锐度对比。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明的实施例。
以一台表贴式永磁同步电机为例，详细说明使用本发明的控制策略抑制电机高频啸叫的过程。图1所示的为本发明所提控制方法的流程图，具体实施步骤如下：
步骤1：考虑转子位置对脉宽调制的影响，设计分段混合开关频率调制策略。
电机控制系统中空间矢量脉宽调制环节产生的q轴电流波动量如式(A1)所示：
Figure BDA0003699939860000031
式中，Δiq为q轴电流波动量(A)，
Figure BDA0003699939860000032
为q轴电压平均值(V)，T0为扇区内零矢量作用时间(s)；Lq为q轴电感(H)。
q轴电流波动量会引起高频电磁力增加，产生高频啸叫噪声。q轴电流波动量与扇区内零矢量作用时间T0呈正相关。空间矢量脉宽调制策略中扇区内零矢量作用时间T0随转子位置的变化规律为：在各扇区内，随转子位置的增大，T0先减小后增大，如图2所示。
以第Ⅰ扇区(0～π/3)为例，0～π/6范围内，随着转子位置的增大，T0逐渐减小；π/6～π/3范围内，随着转子位置的增大，T0逐渐增大，在其他扇区均有相同规律。
考虑转子位置对脉宽调制的影响，设计混合开关频率脉宽调制策略：在
Figure BDA0003699939860000033
位置处(k为1，5，9，13，17，21)，T0较小，受Ts影响相对较小。因此，在
Figure BDA0003699939860000034
位置处可以通过将周期开关频率扩频调制与随机开关频率扩频调制策略相结合，以增大开关频率的随机度；Ts的减小可以促进T0的降低，因此，在
Figure BDA0003699939860000041
位置处，可适当减小Ts，即增加fs，在此基础上增加随机过程，可以在降低零矢量作用时间T0的同时实现扩频调制。不同转子位置处的开关频率可以用式(A2)表示。
Figure BDA0003699939860000042
式中，fs(t)为实际开关频率(Hz)，且Ts＝1/fs；f0为中心频率(Hz)，与固定开关频率下的载波频率相同；a为随机频率调制的比例系数(-)；R为在±1范围内变化的随机数(-)；b为周期频率调制的比例系数(-)；f(t)为幅值为±1的三角波周期函数的频率(Hz)；ΔfH为混合开关频率调制的扩频宽度(Hz)；θ为转子位置(°)。
步骤2：仿真确定分段混合开关频率调制策略中的三角波周期函数频率、扩频宽度和比例系数；
所述步骤2的具体操作如下：
步骤2.1：将步骤1得到的开关频率值fs(t)，替换永磁同步电机矢量控制模型中空间矢量脉宽调制环节的固定中心频率值f0(该永磁同步电机矢量控制模型以id＝0为总控制策略)，在Matlab&Simulink软件中建立基于混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型。如图3所示。
步骤2.2：确定三角波周期函数的频率f(t)。选择四种周期函数频率：50Hz、100Hz、150Hz、200Hz，将扩频宽度固定为ΔfH＝1000Hz，比例系数a和b均为0.5。代入步骤2.1建立的基于混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波峰值含量。四种周期函数频率下电流的峰值谐波含量分别为：2.36％、1.71％、1.25％、1.87％，选择150Hz作为周期函数频率。
步骤3.4：确定混合开关频率调制的扩频宽度ΔfH。选择不同的扩频宽度：500Hz、1000Hz、1500Hz、2000Hz，选择周期函数的频率f(t)＝150Hz,比例系数a和b均为0.5。代入步骤2.1建立的基于混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波峰值含量。四种扩频宽度下电流的峰值谐波含量分别为：1.86％、1.51％、1.27％、1.25％，扩频宽度继续增大，谐波抑制效果会更好，但也会出现频率混叠现象，增加了共振风险，因此选择1500Hz作为周期函数频率。
步骤3.5：确定随机频率调制和周期频率调制的比例系数a和b。比例系数关系为：a+b＝1，选取不同的a、b取值，代入步骤2.1建立的基于混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，见表A1。根据谐波的抑制效果，选择a＝0.8，b＝0.2。
表A1
Figure BDA0003699939860000043
步骤3：根据步骤1和步骤2，得到开关频率随转子位置的变化值，经过空间矢量脉宽调制后输出六路驱动信号，用于控制逆变器开关管的通断。通过仿真，验证高频电流谐波的抑制效果。
所述步骤3的具体操作如下：
步骤3.1：对步骤2.1建立的基于混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型，代入选择好的周期函数的频率150Hz、扩频宽度1500Hz、比例系数a＝0.8，b＝0.2进行仿真，中心开关频率设为fs＝10kHz，得到开关频率随转子位置的变化值，用于驱动逆变器开关管的通断。以第Ⅰ扇区(0～π/3)为例，开关频率随转子位置的变化如图4所示。
步骤3.2：在Matlab&Simulink软件中设置该实施例永磁同步电机的目标转速为额定转速2000r/min，负载转矩为3N·m，仿真得到稳态工况的三相电流，取A相电流做快速傅里叶变换，仿真对比加入本发明控制策略前后的高频电流谐波峰值，如图5所示，高频电流谐波峰值降幅为74.86％。进行加速工况仿真，在5s内加速至额定转速，三相电流瀑布图见图6，10kHz和20kHz附近的阶次线变浅，含量降低。通过稳态恒转速工况和非稳态加速工况仿真验证了对电流谐波的抑制效果。
通过实验验证了本发明控制策略对永磁同步电机高频啸叫的抑制效果。稳态工况下的声压级和尖锐度变化如图7和图8所示，该工况下总声压级由51.77dB降低至46.33dB，降低了5.44dB，高频啸叫噪声峰值由49.06dB降低至19.31dB，降低了29.72dB；平均尖锐度由4.61acum，降低至4.10acum，降幅11.06％。加速工况下的声压级频域瀑布图和尖锐度变化如图9和图10所示，开关频率附近的高频噪声声压级幅值和尖锐度均降低。

Claims (1)

1.一种抑制永磁同步电机高频啸叫的控制方法，主要包括以下步骤：
步骤1：考虑转子位置对脉宽调制的影响，设计分段混合开关频率调制策略：
永磁同步电机转子在不同位置时，永磁同步电机驱动器的逆变器的开关频率用式(1)表示，
Figure FDA0003699939850000011
式中，fs(t)为实际开关频率(Hz)，f0为中心频率(Hz)，a为随机频率调制的比例系数；R为在±1范围内变化的随机数；b为周期频率调制的比例系数；f(t)为幅值为±1的三角波周期函数的频率(Hz)；ΔfH为混合开关频率调制的扩频宽度(Hz)；θ为转子位置(°)；
步骤2：仿真确定分段混合开关频率调制策略中的三角波周期函数频率、扩频宽度和比例系数，
具体操作如下：
步骤2.1：将步骤1得到的开关频率值fs(t)，替换永磁同步电机矢量控制模型中空间矢量脉宽调制环节的固定中心频率值f0，在仿真软件中建立基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型；
步骤2.2：确定三角波周期函数的频率f(t)
选择不同的周期函数频率，代入步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，选择谐波抑制效果好的频率作为周期函数频率；
步骤2.3：确定分段混合开关频率调制的扩频宽度ΔfH
选择不同的扩频宽度，代入步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，选择谐波抑制效果好的值作为扩频宽度；
步骤2.4：确定随机频率调制和周期频率调制的比例系数a和b
比例系数关系为：a+b＝1，选择不同的比例系数，代入步骤2.1建立的基于分段混合开关频率脉宽调制策略的永磁同步电机控制模型进行仿真，对比高频边带电流谐波含量，选择谐波抑制效果好的情况作为a和b的取值；
步骤3：根据步骤1和步骤2，得到开关频率随转子位置的变化值，经过空间矢量脉宽调制后输出六路驱动信号，用于控制永磁同步电机驱动器逆变器开关管的通断，实现抑制永磁同步电机高频啸叫的目的。
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