改善直流無刷電機(jī)電磁噪音的驅(qū)動方式

歐海飛

【摘 要】全球倡導(dǎo)“低碳環(huán)保生活”，因此高效節(jié)能的直流無刷電機(jī)的應(yīng)用就越來越廣泛。如何降低直流無刷電機(jī)的噪音、振動，提高產(chǎn)品的舒適度，是各大電機(jī)制造商對直流無刷電機(jī)研究的主要課題之一。本文主要敘述了直流無刷電機(jī)噪音、振動產(chǎn)生的原因以及傳統(tǒng)解決的方法。同時(shí)提出了通過改良傳統(tǒng)的直流無刷電機(jī)驅(qū)動方式，消除電機(jī)驅(qū)動在換相過程中所產(chǎn)生的負(fù)電流，避免負(fù)電流引起的轉(zhuǎn)子徑向電磁力脈動而引起的噪音以及振動。

【關(guān)鍵詞】直流無刷電機(jī)；噪音；振動；消除負(fù)電流；電機(jī)驅(qū)動

1 降低電機(jī)電磁噪音的意義

噪聲直接影響人體的健康，若人們長時(shí)間在較強(qiáng)的噪聲環(huán)境中，會覺得痛苦、難受，甚至使人的耳朵受損，聽力下降，甚至死亡。噪聲是現(xiàn)代社會污染環(huán)境的三大公害之一。為了保障人們的身體健康，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）規(guī)定了人們?nèi)菰S噪聲的標(biāo)準(zhǔn)。我國對各類電器的噪聲也作出了相應(yīng)的限制標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)是產(chǎn)生噪聲的聲源之一，電機(jī)在家用電器、汽車、辦公室用器具以及工農(nóng)醫(yī)等行業(yè)廣泛地應(yīng)用著，與人民的生活密切相關(guān)。因此，盡量降低電機(jī)的噪音，生產(chǎn)低噪音的電機(jī)，給人們創(chuàng)造一個(gè)舒適、安靜的生活環(huán)境是每個(gè)設(shè)計(jì)者與生產(chǎn)者的職責(zé)。

2 直流無刷電機(jī)噪音形成的原因分析以及傳統(tǒng)解決方法

引起直流無刷電動機(jī)振動和噪聲的原因很多，大致可歸結(jié)為機(jī)械噪音和電磁噪音。

2.1 機(jī)械噪音的成因以及解決措施

2.1.1 直流無刷電機(jī)的機(jī)械噪音產(chǎn)生的原因

（1）軸承噪聲。由于軸承與軸承室尺寸配合不適當(dāng)，隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動產(chǎn)生噪音。滾珠的不圓或內(nèi)部混合雜物，而引起它們間互相碰撞產(chǎn)生振動與噪聲。軸承的預(yù)壓力取值不當(dāng)，導(dǎo)致滾道面有微振也會產(chǎn)生噪音。

（2）因轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生的噪聲。

（3）裝配偏心而引起的噪聲。

2.1.2 降低機(jī)械噪聲應(yīng)采取下列方法

（1）一般應(yīng)采用密封軸承，防止雜物進(jìn)入。

（2）軸承在裝配時(shí)，應(yīng)退磁清洗，去油污與鐵屑。清洗后的軸承比清洗前的軸承噪聲一般會降低2～3dB。潤滑脂要清潔干凈，不能含有灰塵、雜質(zhì)。

（3）軸承外圈與軸承室的配合、內(nèi)圈與軸的配合，一般不宜太緊。軸承外圈與軸承室的配合，其徑向間隙宜在3～9μm的范圍內(nèi)。

（4）為消除轉(zhuǎn)子的軸向間隙，必須對軸承施加適當(dāng)?shù)膲毫ΑＲ话氵x用波形彈簧墊圈或三點(diǎn)式彈性墊圈，且以放在軸伸端為宜。

（5）使用去重法或加重法進(jìn)行對轉(zhuǎn)子動不平衡進(jìn)行修正。

（6）磁鋼與輸出軸間填充緩沖材，可以吸收轉(zhuǎn)子在換相過程中產(chǎn)生的微小振動，同時(shí)避免輸出軸與外界負(fù)載剛性連接，而把外界振動傳遞到磁鋼，影響勵磁所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩突變。防止轉(zhuǎn)動頻率與負(fù)載間產(chǎn)生共振而引起空氣噪音。

2.2 電磁噪音的成因以及解決措施

直流無刷電機(jī)電磁噪音產(chǎn)生的原因主要有：1.由氣隙磁場作用于定子鐵芯的徑向分量所產(chǎn)生脈動。它通過磁軛向外傳播，使定子鐵芯產(chǎn)生振動變形。2.是氣隙中諧波磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動，它與主磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩相反，使鐵芯齒局部變形振動。通常具有齒槽倍頻率特性。當(dāng)徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時(shí)，就會引起共振，使振動與噪聲增大。3.轉(zhuǎn)子磁鋼在繞組通電換相過程中，會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子徑向受力不均勻，引起電機(jī)負(fù)載發(fā)生微振動而產(chǎn)生噪音。4.是換相轉(zhuǎn)矩脈動引起振動、噪音。這是方波型驅(qū)動無刷直流電機(jī)特有的問題。它是由于電機(jī)電樞繞組相電感的延時(shí)作用，從而在電機(jī)換相時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。根據(jù)麥克斯韋定理，單位面積的氣隙磁場中的徑向電磁力計(jì)算：

Pr = B2（θ，t）/（2μ0）

式中：

B——?dú)庀洞琶?/p>

θ——機(jī)械角位移

μ0——真空磁導(dǎo)率

2.2.1 主磁場產(chǎn)生的電磁拉力

主磁場B1所產(chǎn)生的徑向力為：Pr1=P0+P1，式中，P0=B2/4μ0是固定的徑向力，它均勻作用于圓周上，不會產(chǎn)生振動與噪聲。P1=P0cos（2pθ-2ω1t-2θ0），其中p是轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，ω1—轉(zhuǎn)子的角速度，θ0—初相角。P1是徑向電磁力的交變部分，這個(gè)電磁力的角頻率是2ω1，即2倍的換相頻率，它使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生2倍換相頻率的振動與噪聲。它的強(qiáng)度與氣隙磁密的平方成正比。在電機(jī)負(fù)載小，轉(zhuǎn)速高的情況下，產(chǎn)生較大的影響，而在一般情況下，轉(zhuǎn)速不高，換相頻率低的情況下，其影響不顯著。

2.2.2 諧波磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動

諧波轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因由于定子繞組的電感特性，實(shí)際流入三相線圈的電流，將會落后三相輸入電壓一個(gè)角度Δθ，而導(dǎo)致正弦波電流無法與反電動勢同相，電機(jī)反電勢已經(jīng)不是理想的梯形波，而控制系統(tǒng)仍是按理想的梯形波反電勢給電機(jī)繞組提供方波電流。因此會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。此類轉(zhuǎn)矩脈動解決的辦法有兩個(gè)：一種解決方法是，通過對電機(jī)本體定子繞組、氣隙齒槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使無刷電機(jī)的反電勢趨向于理想的反電勢波形，從而達(dá)到減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的目的。另一種方法是，事先通過預(yù)測反電動勢，采用合適的控制方法尋找最佳的電流波形來消除轉(zhuǎn)矩脈動。這種最佳電流法能消除非理想反電勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動，但事先要對反電勢進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，且根據(jù)測得的反電勢快速計(jì)算最優(yōu)電流也不易，因此要解決此問題，必須選用處理速度較高的處理器，對滯后的電流相位角進(jìn)行預(yù)測修正。

2.2.3 由一階齒諧波所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動

齒槽轉(zhuǎn)矩脈動是由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對應(yīng)的電樞表面的氣隙磁導(dǎo)不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在一個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)，磁路磁阻發(fā)生變化從而引起齒諧波轉(zhuǎn)矩脈動。齒槽轉(zhuǎn)矩脈動與定子電流無關(guān)，是電機(jī)本身構(gòu)造所存在的缺陷。當(dāng)轉(zhuǎn)矩頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機(jī)械共振頻率一致時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲將被放大，影響電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能，和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。

抑制由齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動的方法可采用轉(zhuǎn)子斜向充磁的方法（如圖1、圖2、圖3所示）可將諧波引起的噪音削弱。一般情況下，轉(zhuǎn)子磁極斜一個(gè)定子槽距時(shí)，其齒諧波所產(chǎn)生的徑向力要比直充磁時(shí)小得多。

圖1 圖2 圖3

3 由于換相轉(zhuǎn)矩脈動引起振動、噪音的解決方法

如何解決直流無刷電機(jī)在換相時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動引起振動、噪音，是本研究的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)的直流無刷電機(jī)驅(qū)動調(diào)速方式：“六步方波驅(qū)動之PWM-PWM切換”

3.1 六步方波驅(qū)動之PWM-PWM切換

120°的轉(zhuǎn)子磁極位置偵測，在三個(gè)霍爾傳感器上方，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，只會出現(xiàn)六種信號變化。如圖4所示，只要根據(jù)這六種信號變化在定子的三相繞組上，提供對應(yīng)的電流方向，就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。每一種霍爾信號都會對應(yīng)一種PWM 輸出形式，共有六種不同的 PWM 輸出形式在360° 中，每 60° 切換一次。所以，又稱為六步方波驅(qū)動。

圖4 六步方被驅(qū)動的“PWM-PWM”切換模式

圖5 從U-W到U-V的換相過程

采用 “PWM-PWM” 切換模式的情況下，非常方便使用高壓側(cè)驅(qū)動 IC （High/Low-Side Driver） 搭配上/下橋都是 N溝MOSFET 或 IGBT 做為馬達(dá)的驅(qū)動電路。因?yàn)樯蠘蛟谌我粨Q相周期內(nèi)不會持續(xù)導(dǎo)通，而且上橋關(guān)閉時(shí)其同相的下橋會導(dǎo)通，執(zhí)行同步整流提高效率。此時(shí)高壓側(cè)驅(qū)動 IC 的自激電路也有機(jī)會充電，可以持續(xù)補(bǔ)充能量驅(qū)動 MOSFET。使用這種切換方式的 PWM 輸出，雖然驅(qū)動電路會比較簡單，而且不用擔(dān)心上橋 MOSFET 可能會出現(xiàn)無法開啟或?qū)ú煌耆默F(xiàn)象。不過，它卻會在兩步連續(xù)輸出 PWM 的中間，另外兩相下橋交換導(dǎo)通的瞬間，出現(xiàn)負(fù)電流回流電源端，如圖 5所示。而該負(fù)電流正是方波驅(qū)動的主要噪音來源之一。此負(fù)電流的產(chǎn)生原因，是因?yàn)?U-相 輸出 PWM時(shí)，從 W-相下橋?qū)ㄒ袚Q到 V-相 下橋?qū)ǖ乃查g。當(dāng) W-相 的下橋關(guān)閉，而且 U-相的 PWM 亦為關(guān)閉的時(shí)候，U-相 和 W-相 的電感呈現(xiàn)逆向極性，將原本儲存于電感中的能量，以負(fù)向電流 IW-U 經(jīng)由 W-相 上橋 MOSFET 的內(nèi)藏二極管流回電源端。由于負(fù)電流而產(chǎn)生諧波磁場，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生阻礙主磁場旋轉(zhuǎn)交變，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動。

3.2 方波驅(qū)動之 “PWM-ON” 切換模式

為避免 “PWM-PWM” 切換方式的負(fù)電流產(chǎn)生，同時(shí)降低方波驅(qū)動的噪音。本文提出采用 “PWMON”的切換輸出方式。由圖6可看出 “PWMPWM”與 “PWM-ON” 差異的地方，在于 第-2/4/6步要切換到第-3/5/1 步的時(shí)候，原本輸出 PWM 的相位的上橋 MOSFET 會直接變成完全導(dǎo)通的狀態(tài)，同時(shí)改由另外一相的下橋輸出 PWM。因此就不會造成三相繞組的電感，出現(xiàn)逆向極性的狀況而產(chǎn)生負(fù)向電流。而且，依然保有“PWM-PWM” 相同的電流方向和磁場。因?yàn)檫@種切換方式的每一相輸出，都是先上橋輸出PWM，然后切換到下一步時(shí)，則上橋就變成完全導(dǎo)通的狀態(tài)，所以我們簡稱它叫 “PWM-ON” 切換模式。

圖6 PWM-ON 切換模式

3.3 改進(jìn)后驅(qū)動方式噪音結(jié)果

改進(jìn)后驅(qū)動方式噪音對比如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后驅(qū)動方式噪音對比

從上圖測試數(shù)據(jù)，改善前，電機(jī)在帶負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速在500r/min時(shí)會產(chǎn)生尖銳的突變噪音。改善驅(qū)動后，尖銳的噪音有效消除。減少了4dB.可見該方法對改善電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動引起振動、噪音有明顯的成效。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]