CN1625042A - 无刷直流机器通过避免机械共振的转矩脉动和噪声减少 - Google Patents

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Abstract

一种减少无刷DC机器(12)的转矩脉动和噪声的方法，其包括：确定电机(12)的控制频率，该控制频率表示到所述电机(12)的现有的电流命令(28)和所述电机(12)的转速；将该控制频率与选择的倍数相乘并且形成响应其的调制信号；以及制定修改的命令轮廓图。所述方法还包括：使所修改的命令轮廓图与所述现有的电流命令(28)及用于电机(12)的转子位置相关并同步；以及生成调制的电流命令到电机(12)。

Description

无刷直流机器通过避免机械共振的 转矩脉动和噪声减少
技术领域
本发明一般的涉及一种在诸如HVAC系统的机械系统中避免机械共振并由此减少听觉噪声的方法和系统。特别地，移动转矩脉动(torque ripple)的频率以避免由无刷DC(直流)机器驱动的鼓风机部件(blower assembly)的机械共振。
背景技术
在传统的受激无刷DC马达中的转矩脉动与所述马达的转矩波形的平坦性相关，该波形依次取决于反EMF和电流波形。单相无刷DC马达本质上比对应的三相马达产生相对高的转矩脉动大小。这样的转矩脉动导致机械系统的机械振动，其导致令人不快的听觉噪声。应当理解，产生的听觉噪声取决于包括机械系统共振频率、由马达产生的转矩脉动的大小和频率几个因素。转矩脉动的频率通常为大约50赫兹-250赫兹，其接近所述机械系统共振频率。
以前，提出了其他用于单相电子换向机器(ECM)的转矩脉动减少的不同的方法，其主要归入以下方法：
(A)改善减少负转矩以及峰到峰转矩脉动的马达驱动电路的换向重叠角；
(B)将恒定的电流注入到马达。
改善换向重叠角需要复杂的控制和额外的反馈传感器并且增加马达电流。注入恒定的电流降低了效率并且增加了热耗散。尽管这些方法会减小转矩脉动的大小，但它们并没有专注于转矩脉动的频率仍留在机械部件共振频率之下的事实。因此，所产生的转矩脉动仍会导致听觉噪声。因此，该技术中需要的是一种用于移动转矩脉动的频谱内容并且使其平坦以避免所述机械部件激励的方法。
由下面的详细描述和附图，本领域的技术人员可以明白和理解以上讨论的以及实施例的其他特征和优点。
发明内容
在示范实施例中，在此披露了一种减少无刷DC机器的转矩脉动和噪声的方法，其包括：确定电机的控制频率，该控制频率表示到所述电机的现有的电流命令和所述电机的转速；将该控制频率与选择的倍数相乘并且形成响应其的调制信号；以及制定修改的命令轮廓图(command profile)。所述方法还包括：使所修改的命令轮廓图与现有的电流命令及用于所述电机的转子位置相关并同步；以及生成调制的电流命令到所述电机。
在示范实施例中，在此还披露了一种用于减少电机的转矩脉动和噪声的系统，其包括：与反相器可操作通信的电机；与所述电机可操作通信的位置传感器，配置所述位置传感器以检测所述电机的位置并传送表示其的信号；以及电流传感器，配置其以测量提供到所述电机的电流并传送表示其的信号。该系统还包括与反相器、位置传感器、以及电流传感器可操作通信的控制器，配置所述控制器以执行一个方法，该方法包括：确定所述电机的控制频率，该控制频率表示到所述电机的现有的电流命令和所述电机的转速；将该控制频率与选择的倍数相乘并且形成响应其的调制信号；制定修改的命令轮廓图；使所修改的命令轮廓图与所述现有的电流命令及所述电机的转子位置相关并同步；以及生成调制的电流命令到所述电机。
在另一示范实施例中，在此还披露了一种用于减少电机的转矩脉动和噪声的系统，其包括：确定所述电机的控制频率的装置，该控制频率表示到所述电机的现有的电流命令和所述电机的转速；将该控制频率与选择的倍数相乘并形成响应其的调制信号的装置；制定修改的命令轮廓图的装置；使所修改的命令轮廓图与现有的电流命令及用于所述电机的转子位置相关并同步的装置；以及生成调制的电流命令到所述电机的装置。
附图说明
参照示范附图，其中在几个图中将相同的元件标记为相同的编号：
图1绘出了根据示范实施例的PM马达系统；
图2为描述根据示范实施例的方法的流程图；
图3A绘出了说明性的修改的命令轮廓图；
图3B绘出了根据示范实施例的说明性的修改的命令轮廓图；
图3C绘出了根据示范实施例的说明性的修改的命令轮廓图，其中调制了所述命令轮廓图的大小和频率；
图4A绘出了说明性的马达电流波形；
图4B绘出了图4C的转矩波形的频谱内容；
图4C绘出了由图4A的马达电流产生的转矩的示意图；
图5A绘出了根据示范实施例的说明性的马达电流波形；
图5B绘出了图5C的改变的转矩波形的频谱内容；以及
图5C绘出了由图5A的马达电流产生的转矩的示意图；
具体实施方式
现在，详细地参照附图，图1绘出了PM马达系统，其中，标记10通常表示用于控制正弦激励的PM马达12的转矩的系统。所述系统包括可选的转子位置编码器14、速度测量电路16、控制器18、电源电路或反相器20以及电源22。
在所绘出的图中，使用利用电流传感器15的电流模式控制来控制马达12的转矩。对于电流模式控制，电流传感器15a、15b和15c(对于单相马达来说仅有一个)分别将信号25a、25b和25c传送到表示马达电流(一个或更多相位，示出了三个)的控制器18。在电流模式控制中，将期望的电流(基于命令或期望的转矩)与在闭合回路反馈系统中施加到马达12的实际转矩(与电流成比例)相比较。任选的，在电压模式控制中，取代控制产生电流的转矩/除了控制产生电流的转矩之外，控制器确定用于产生期望的转矩所需要的电压。其经常通过使用马达12的模型和马达12的参数来实现。本发明的示范实施例通过电流模式控制的演示来描述，应当理解，可通过马达电流传感来使用电压模式控制。
继续图1，对于来实现产生所述期望的转矩、位置等所需要的正确的电流/电压的所述控制器18来说，经常利用转子的速度和位置。将可选的转子位置编码器14连接到马达12以检测转子的角坐标。基于光学检测或磁场变化，所述编码器14可检测到旋转的位置。所述编码器14输出表示转子的角坐标的位置信号24。在示范实施例中，对于位置传感器14，使用霍尔传感器。
可选的，速度测量电路16从所述位置信号24确定转子的速度，并输出速度信号26。电路16可包括在预定的持续时间内对位置信号脉冲计数的计数器。计数值与马达的速度成比例。举例来说，如果计数器在5毫秒的时间区间中计数位置信号脉冲并且编码器具有2.5度的分辨率，所述速度测量将有大约41.7转/分的分辨率。也可以作为位置信号的导数得到所述速度信号，该导数由等式ωm＝Δθm/Δt求出，其中Δt为采样时间，并且Δθm为在所述采样间隔期间位置的改变。在另一个选项中，可使用速度传感器17直接测量马达12的速度并提供速度信号26。
将电流信号25a、25b、25c，位置24、速度26和转矩/电流(或位置)命令信号28施加到控制器18。可在所述反向器中，在马达12的输出或到马达12的输入处来测量电流，或可根据转子的速度或位置和由反相器控制的电流的测量来估计。为了清晰起见，示出了传感器15a、15b和15c。转矩/位置命令信号28表示期望的马达转矩/位置。在示范实施例中，通过使用电流、位置、速度和转矩命令信号24、26、28和其他固定的马达参数值，控制器18确定用于产生期望的转矩/位置所需要的电压幅度Vref 30。对于三相马达，使用三个与所述马达反EMF  E同步的正弦参考信号，以生成所需要的马达输入电压。对于单相马达，仅使用一个单独的参考信号和相位电压命令信号。对于电流控制的马达，将测量的电流与所述期望的电流/转矩比较以形成电流/转矩误差。接下来，响应于该电流/转矩误差，利用此误差以形成电压命令(例如Vref30)到马达。
控制器18将电压幅度信号Vref 30转换为用于应用到马达12的相位电压命令。对于单相机器来说，根据马达的位置，反向器20将电流施加到PM马达12的定子(stator)的电极。交替激励所述电极以引起转子电极的吸引和排斥。在示范实施例中，将带有四个切换装置(未示出)的标准H-桥(H-Bridge)反相器使用于带有两个极的PM马达12。应当理解，多种PM马达和反相器配置是可能想到的。多极配置包括许多好处，但也增加了控制器18和反相器20的复杂度。
对于三相机器来说，根据下面的等式，通过从电压幅度信号30和位置信号24确定相位电压命令信号Va、Vb和Vc，控制器18将电压幅度信号Vref 30转换为三相。
Va＝Vrefsin(θ)(1)；以及
可选的Vb＝Vrefsin(θ-120°)(2)；以及
Vc＝Vrefsin(θ-240°)(3)。
将控制器18的马达电压命令信号32(单相或多相)施加到电源电路或反相器20，该反相器20与电源22耦接以响应于马达电压命令信号32而将相位电压34施加到马达的定子线圈。但为了生成具有平均正弦形状的相位电压34，反相器20的切换装置(未示出)必须在特定的转子角坐标的特定时间段导通或关断。可根据任意适当的脉宽调制(PWM)方案来实现反相器20的控制。
在示范实施例中，马达12和控制器18使用增加马达12的转矩脉动频率的控制方案。现在转到图2，其为描述示范的频率移动和电流控制方法100的流程图。通过改变/移动转矩脉动频率，电流控制方法100专注于马达12中的听觉噪声问题，而不一定专注于转矩脉动的大小。通过操作施加到马达的电流的“频率”来移动转矩脉动的频率。另外，可通过调制电流命令的幅度来增加转矩波形的平坦度。在示范实施例中，将通过马达的电流强行置为较高的频率，其为反EMF信号的整数倍，并且电流大小在一个周期上变化。电流大小的改变便于转矩脉动的减少，而频率的操作移动转矩脉动的频率。有利的是，接下来，机械部件(例如马达和底座和负载)作为滤波器以使转矩的高频分量衰减。这导致较低的转矩脉动和由此带来的较少的听觉噪声。
继续图1和2，在示范实施例中，使用频率移动电流控制方法操作被命令的电流，以包括更高的频率分量。结果，转矩脉动也显示出高频分量。在处理块102中，基于位置传感器14确定马达102的旋转频率。在处理块104中，将马达的频率用高于现有频率的频率来注入/调制。在示范实施例中，使用反EMF的整数倍。举例来说，确定为3倍的频率。这导致六倍于反EMF的频率的转矩脉动频率。在处理块106中，生成使用更高频的元件的修改的命令轮廓图。修改的命令轮廓图为包含已调制的或“截断的”更高频率的现有(较低频率)命令的合并。举例来说，可在图3A中看到，绘出了电流命令的说明性的半个脉冲/周期。在图3B中，通过大于六倍的频率来调制整个周期，并且，由此将半个周期分割为三个较小的“脉冲”。对于剩下的半个周期，使用相似的修改和分割。在示范实施例中，如所绘出的，使用正脉冲回到大约为零。图3C绘出了一个实例，其中调制了命令轮廓图的大小和频率。
回到图2，在处理块108中，将修改的命令轮廓图与现有的电流命令相关并同步，以形成包含更高频率分量的修改的电流命令。接下来，在处理块110中，如所绘出的，将所修改的电流命令引导到马达12。
现在转到图4和5，其中，示范实施例的优点和好处可更明显。图4A绘出了说明性的马达的电流波形。图4B绘出了图4A的转矩波形的频谱内容。图4C绘出了与图4A的马达电流相关的转矩脉动的示意图。
图5A绘出了根据示范实施例的说明性的马达电流波形。应当理解，用约六倍于原始电流频率的频率来调制所述波形。图5B绘出了图5A的修改的转矩波形的频谱内容。注意主频谱能量是如何移动到大约600赫兹的。最后，图5C绘出了与图5A的马达电流相关的转矩的示意图。注意转矩脉动的频率是如何与图4C所绘出的频率相对增加的。
应当理解，已提出的方法显示了比现有用于减少听觉噪声的方法好的多个优点。首先，传统的方法各自具有限制，若超越该限制，它们不能减少所述转矩脉动。第二，现有方法经常需要增加电流，其降低了效率并增加了发热。相反的，应当理解，这里披露的方法增加了转矩脉动频率，而不一定改变转矩脉动大小。由于更高频率转矩脉动避免了马达12和相关的机械部件的共振频率，转矩脉动频率的移动使得听觉噪声减少。事实上，应当注意，在一些实例中，单独的马达的转矩脉动的大小实际上可能会增加。但是，由于机械设备的新频率和衰减效应的缘故，来自于其的转矩脉动和听觉噪声减少了。第三，所披露的系统和方法与使用的机械部件相独立。单独依赖于机械部件以消除转矩脉动的系统高度依赖于机械部件的变化和其中的动力。在已披露在此的示范实施例的实例中，利用机械部件使更高频率的转矩脉动衰减，而对机械部件的动力特性的变化的灵敏度会显著的减少。
可以以实现处理的计算机或控制器、以及用于实现这些处理的设备的形式来实施披露的本发明。本发明也可以以包含嵌入在诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其它计算机可读的存储介质的有形介质(tangible media)13中的指令的计算机程序代码的形式实施，其中，当通过计算机或控制器载入并运行所述计算机程序代码时，所述计算机成为用于实施本发明的设备。本发明也可以以计算机程序代码作为数据信号23的形式实施，举例来说，无论是否将其存储到存储介质、通过计算机或控制器载入和/或执行，或者通过一些传输媒介传输，如通过电线或电缆、通过光纤或通过电磁辐射，其中，当通过计算机将所述计算机程序代码载入并运行时，所述计算机成为用于实施本发明的设备。当在通用的微处理器上使用时，所述计算机程序片段配置所述微处理器以创建特定的逻辑电路。
应当理解，除非特别说明，第一和第二或其他用于表示类似项的类似术语的使用并不试图指定或暗示任何特定的次序。
尽管已参照示范实施例来描述本发明，但对于本领域的技术人员来说，应当理解，可在不偏离本发明的范围的情况下做出各种变化，并可将元件作同等替换。另外，在不偏离本发明的基本范围的情况下，可针对本发明的教导做出很多修改以适应特定的情况或材料。因此，有意使本发明不局限在作为实施本发明的最佳预想的所披露的特定实施例中，而是本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (8)

1、一种用于减少无刷DC机器(12)的转矩脉动和噪声的方法，包括：
确定所述电机(12)的控制频率，所述控制频率表示到所述电机(12)的现有的电流命令(28)和所述电机(12)的转速；
将所述控制频率与选择的倍数相乘并形成响应其的调制信号；
制定修改的命令轮廓图；
使所述修改的命令(28)轮廓图与所述现有的电流命令(28)及所述电机(12)的转子位置相关并同步；以及
生成调制的电流命令到所述电机(12)。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述选择的倍数对应于所述电机(12)的反EMF电压(34)的频率的偶数倍数。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述制定包括将现有的电流命令(28)与所述调制信号合并。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述修改的命令(28)轮廓图基于所述现有的电流命令(28)和所述调制信号。
5、如权利要求1所述的方法，其中，配置所述相关和同步以避免在所述反EMF电压(34)的所述频率的频谱范围的附近产生额外的低频分量。
6、如权利要求1所述的方法，其中，配置所述已调制的电流命令(28)以在大约所述控制频率的频率处减少转矩脉动。
7、如权利要求1所述的方法，其中，所述制定还包括：调制所述轮廓图的大小以及由此的所述已调制的电流命令，以减少转矩脉动。
8、一种用于减少电机(12)的转矩脉动和噪声的系统，包括：
电机(12)，与反相器(20)可操作地通信；
位置传感器(14)，与所述电机(12)可操作地通信，所述位置传感器(14)配置为检测所述电机(12)的位置并传送表示其的信号；
电流传感器(15a、15b、15c)，配置为测量提供到所述电机(12)的电流并传送表示其的信号(25a、25b、25c)；
控制器(18)，与所述反相器(20)、所述位置传感器(14)、和所述电流传感器(15a、15b、15c)可操作地通信，所述控制器(18)配置为运行一个方法，该方法包括：
确定所述电机(12)的控制频率，所述控制频率表示到所述电机(12)的现有的电流命令(28)和所述电机(12)的转速；
将所述控制频率与选择的倍数相乘并形成响应其的调制信号；
制定修改的命令轮廓图；
使所述修改的命令轮廓图与所述现有的电流命令(28)以及用于所述电机(12)的转子位置相关并同步；以及
生成调制的电流命令(28)到所述电机(12)。
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