基于dSPACE的永磁同步電機(jī)低振動(dòng)噪聲控制策略*

李曉華, 雷 軼, 劉成健

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

基于dSPACE的永磁同步電機(jī)低振動(dòng)噪聲控制策略*

李曉華, 雷 軼, 劉成健

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

為降低變頻器供電引起的永磁同步電機(jī)(PMSM)電磁振動(dòng)噪聲，首先理論分析了變頻器引入的PMSM振動(dòng)噪聲源，然后利用MATLAB/Simulink建立仿真模型，通過dSPACE進(jìn)行編譯并控制一臺(tái)PMSM，比較了隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)降低振動(dòng)噪聲的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法綜合隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能降低逆變器引入電流諧波引起的中低頻振動(dòng)噪聲和逆變器開關(guān)頻率與電流諧波相互作用引起的高頻振動(dòng)噪聲。

永磁同步電機(jī);振動(dòng)噪聲;隨機(jī)開關(guān)頻率;死區(qū)補(bǔ)償

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)由于功率密度高，已廣泛應(yīng)用于伺服機(jī)器人、電動(dòng)汽車、醫(yī)療器械、高檔家用電器等領(lǐng)域。這些場合對(duì)振動(dòng)和噪聲都有嚴(yán)格要求。目前，變頻器廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是由于變頻器會(huì)引入大量諧波，增加電機(jī)振動(dòng)噪聲，因此研究如何降低變頻器引起的電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲，具有重要的科學(xué)意義。

諸多國內(nèi)外學(xué)者致力于降低電機(jī)振動(dòng)噪聲的研究。日本學(xué)者Akiko Tanabe等人[1]提出通過增加PWM調(diào)制的平滑電壓來降低振動(dòng)與噪聲，雖可以降低電機(jī)在基頻和固有頻率下的振動(dòng)噪聲，但與此同時(shí)也增加電機(jī)銅耗，以致增加成本。文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)內(nèi)置式PMSM，提出一種新的無位置傳感器的控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是沒有采用位置傳感器，降低了成本，在低速條件下，噪聲分貝降低明顯；缺點(diǎn)是在注入電壓的同時(shí)，又引入了由注入電壓頻率引起的噪聲；不過在高轉(zhuǎn)速條件下噪聲分貝基本不變。

文獻(xiàn)[4]通過對(duì)逆變器開關(guān)頻率隨機(jī)化處理，同時(shí)保持恒定的采樣頻率和平均電感電流，削弱了開關(guān)器件在開關(guān)頻率處噪聲的最大幅值，從而提出了一種脈沖位置隨機(jī)化的脈寬調(diào)制技術(shù)，但卻使得功率器件的功率損耗增大。文獻(xiàn)[5]提出把開關(guān)周期和參考矢量之間的關(guān)系運(yùn)用到傳統(tǒng)SVPWM中，可以在選定頻率處的電壓頻譜中產(chǎn)生一個(gè)噪聲消除帶，以補(bǔ)償共振頻率在計(jì)算或者測量時(shí)的誤差，使得逆變器各橋臂開關(guān)周期相互獨(dú)立，通過仿真試驗(yàn)得出在2 kHz以上噪聲有所抑制，但缺點(diǎn)是在2 kHz及以下頻率處的噪聲有所增加。文獻(xiàn)[6]提出一種新穎的方法對(duì)外轉(zhuǎn)子PMSM的異常噪聲進(jìn)行診斷和抑制，但是該方法不適用于診斷和優(yōu)化外定子PMSM。文獻(xiàn)[7]從改變諧波的頻譜分布入手，提出了一種混合隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)，將周期頻率調(diào)制和隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制有機(jī)地結(jié)合起來，但是這種方法開關(guān)頻率過高，增加了開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[8]提出混頻-變延時(shí)PWM技術(shù)，但是該方法實(shí)現(xiàn)困難。文獻(xiàn)[9-15]根據(jù)逆變器輸出電流的極性對(duì)逆變器進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償來而降低低頻電流諧波，以達(dá)到降低電機(jī)振動(dòng)噪聲的目的，但是這些死區(qū)補(bǔ)償方法擴(kuò)頻效果差，諧波分布不均勻，無法降低開關(guān)頻率處的諧波幅值。

本文以一臺(tái)分?jǐn)?shù)槽PMSM為研究對(duì)象，比較了隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)降低振動(dòng)噪聲的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)。利用MATLAB/Simulink進(jìn)行建模仿真，并通過dSPACE進(jìn)行編譯實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法可綜合隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅能降低逆變器引入電流諧波而引起的中低頻振動(dòng)噪聲，同時(shí)也能降低逆變器開關(guān)頻率與電流諧波相互作用而引起的高頻振動(dòng)噪聲。

1 變頻器供電引入振動(dòng)噪聲源

PMSM在變頻器供電時(shí)，定子電流中的諧波和轉(zhuǎn)子磁場電樞反應(yīng)后氣隙磁場會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致電磁力波中諧波增加。電磁力波是引起電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的主要原因[16]，當(dāng)電磁力波的頻率與電機(jī)的固有頻率接近時(shí)，會(huì)因?yàn)楣舱穸疠^大的振動(dòng)噪聲甚至造成電機(jī)無法正常工作。所以降低定子電流中的諧波可以降低電磁力波，從而可降低電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲。振動(dòng)噪聲與電流諧波的關(guān)系如圖1所示。

圖1 振動(dòng)噪聲與電流諧波的關(guān)系

變頻器供電時(shí)，會(huì)引入兩個(gè)方面的振動(dòng)噪聲源：(1)逆變器引入電流諧波而引起的中低頻振動(dòng)噪聲;(2)逆變器開關(guān)頻率與電流諧波相互作用引起的高頻振動(dòng)噪聲。以下針對(duì)兩個(gè)方面的振動(dòng)噪聲源，分別進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償策略和隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)的研究，分析各自優(yōu)缺點(diǎn)，提出“混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償”的新方法，能同時(shí)降低逆變器引入電流諧波、逆變器開關(guān)頻率及其倍頻處諧波幅值，減少諧波含量，從而降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果。

2 死區(qū)補(bǔ)償策略

印度學(xué)者Guha A等人[17]提出了一種改進(jìn)的死區(qū)補(bǔ)償方案。沈陽工業(yè)大學(xué)的范倩[10]提出時(shí)間脈沖補(bǔ)償法來降低電機(jī)低頻振動(dòng)噪聲，基本原理為在每個(gè)載波周期內(nèi)加入補(bǔ)償時(shí)間，使觸發(fā)信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)刻與理想給定開通時(shí)間相同。死區(qū)補(bǔ)償過程為：首先采用電流矢量法檢測出逆變器三相輸出電流的極性，然后根據(jù)電流的極性對(duì)逆變器三相觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)刻進(jìn)行補(bǔ)償，使得與理想導(dǎo)通時(shí)間相同。

死區(qū)補(bǔ)償策略的圖解法表示為如圖2所示。

圖2 正電流時(shí)脈沖寬度

SVPWM控制時(shí)調(diào)制波和三角波相比生成PWM波，圖2為以A相為例，電流為正時(shí)，一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，補(bǔ)償后的PWM脈沖寬度。其補(bǔ)償方法為式(1)：

(1)

式中：Ta——管子上橋臂理想觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻；

Td——死區(qū)時(shí)間；

總結(jié)起來，在不同電流極性下，SVPWM三相觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)刻如表1所示。

表1 SVPWM三相觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)刻表

3 隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

Gwangju大學(xué)學(xué)者Kim Ki-Seon等人[18]將隨機(jī)位置和隨機(jī)開關(guān)頻率相結(jié)合，這種混合調(diào)制策略能夠更大程度地分散諧波能量，開關(guān)頻率及其整數(shù)倍處的諧波峰值得到了明顯的降低。沈陽工業(yè)大學(xué)的閆圣坤[19]針對(duì)逆變器產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲問題采用了隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制策略。在隨機(jī)PWM中最為廣泛應(yīng)用的是隨機(jī)開關(guān)頻率PWM，其原理是通過隨機(jī)改變載波的頻率來實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)開關(guān)頻率PWM的三角載波頻率公式為

fs=fc0+RiΔf。(2)

式中：fc0——固定的中心開關(guān)頻率；

Ri——一個(gè)在[-1,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)；

Δf——一頻帶常數(shù)。

大部分電磁噪聲都取決于開關(guān)頻率fs。在此頻率下的諧波電壓公式為

Ufs=Umcos(2πfst) 。(3)

式中：Ufs——諧波電壓；

Um——電壓幅值。

當(dāng)fs改變時(shí)，頻譜也相應(yīng)地變化。fs的變化范圍越大，輸出電流中的諧波頻譜就能均勻地分布在越寬的范圍內(nèi)。

相比傳統(tǒng)的固定開關(guān)頻率PWM，隨機(jī)開關(guān)頻率PWM使得在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近的諧波分布更加均勻，但是在實(shí)際工況下，由于逆變器固有的死區(qū)時(shí)間而引起的電流畸變問題，僅僅依靠隨機(jī)開關(guān)頻率PWM無法解決，需考慮死區(qū)效應(yīng)問題。

4 混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略

由于隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償策略都有自身的局限性，在單獨(dú)使用時(shí)無法同時(shí)降低由變頻器引入諧波電流所引起的低頻振動(dòng)噪聲，以及由逆變器開關(guān)頻率與電流高次諧波相互作用引起的高頻噪聲。綜合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)提出了一種混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略。

首先將隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)運(yùn)用到SVPWM中，在一定范圍內(nèi)可以隨機(jī)地改變逆變器的開關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)開關(guān)頻率的SVPWM。

然后根據(jù)逆變器三相輸出電流的極性，對(duì)三相觸發(fā)信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，即當(dāng)電流為正時(shí)，則增加該橋臂PWM導(dǎo)通Td時(shí)間；當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，則減少該橋臂PWM導(dǎo)通Td時(shí)間。

在試驗(yàn)控制模型中，隨機(jī)開關(guān)頻率根據(jù)式(2)，隨機(jī)數(shù)由Simulink中偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器模塊產(chǎn)生一均勻分布的隨機(jī)序列，中心頻率設(shè)為10 kHz，帶寬Δf取2 kHz，實(shí)現(xiàn)逆變器的開關(guān)頻率隨機(jī)化，以下Ts為開關(guān)頻率的倒數(shù)。死區(qū)補(bǔ)償方法在試驗(yàn)中以補(bǔ)償SVPWM計(jì)算所得三相占空比的形式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谠囼?yàn)中通過dSPACE只能對(duì)逆變器的三相上橋臂開關(guān)管給定占空比，因此，當(dāng)電流為正時(shí)，將上管導(dǎo)通時(shí)間延長Td，即使得占空比增加Td/TS；當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，將上管導(dǎo)通時(shí)間縮短Td，即使得占空比減少Td/TS。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。電流波形數(shù)據(jù)是由YOKOGAWA DL9140示波器和Hantek CC-65電流鉗測得，測量精度是1 mV/10 mA。試驗(yàn)中電機(jī)運(yùn)行于1 500 r/min，隨機(jī)開關(guān)頻率中心頻率為10 kHz，傳統(tǒng)固定開關(guān)頻率則只需將帶寬Δf設(shè)為0即可切換，死區(qū)時(shí)間設(shè)為5 μs。

表2 試驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)

5. 1 死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)

通過MATLAB/Simulink和dSPACE的無縫連接，對(duì)死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)前后進(jìn)行試驗(yàn)分析。

如圖4所示為死區(qū)補(bǔ)償前后電流諧波頻譜比較，低頻段選取50～2 000 Hz，基波為50 Hz。

圖4 死區(qū)補(bǔ)償前后電流頻譜

表3 死區(qū)補(bǔ)償前后電流頻譜諧波幅值比較

由圖4(a)和表3低頻段數(shù)據(jù)可得，在傳統(tǒng)固定開關(guān)頻率補(bǔ)償前后電流諧波幅值有所降低，THD從32.237%降為17.336%，5次、7次諧波電流幅值分別從原來的0.132、0.027 1 A減為0.020 1、0.023 5 A，有效削弱了5、7、11、13次等諧波。由此可見，所提出的死區(qū)補(bǔ)償策略可有效削弱低頻電流諧波，降低諧波畸變率。由圖4(b)和表3高頻段數(shù)據(jù)可以看出，開關(guān)頻率及二倍頻處的電流諧波幅值在死區(qū)補(bǔ)償前后沒有較大變化，即電機(jī)的高頻噪聲沒有得到削弱。因此，死區(qū)補(bǔ)償方法優(yōu)點(diǎn)是對(duì)低頻電流諧波有削弱作用，但其缺點(diǎn)是對(duì)開關(guān)頻率及其倍頻處高頻電流諧波基本無作用。

死區(qū)補(bǔ)償策略對(duì)逆變器引入6k±1次電流諧波有明顯削弱作用。

5. 2 隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

通過試驗(yàn)對(duì)隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和固定開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)比較。

如圖5所示為固定開關(guān)頻率和隨機(jī)開關(guān)頻率的試驗(yàn)結(jié)果比較。

圖5 隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和固定開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)電流頻譜

隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和固定開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)諧波幅值比較如表4所述。

由圖5(a)和表4低頻段數(shù)據(jù)可以看出，在低頻處隨機(jī)開關(guān)頻率輸出電流諧波頻譜和固定開關(guān)頻率相比較，并沒有降低。由圖5(b)和表4高頻段數(shù)據(jù)可得，在開關(guān)頻率10 kHz和20 kHz處，傳統(tǒng)PWM調(diào)制方法所得電流頻譜的諧波幅值為一窄尖峰，諧波能量聚集于此，表現(xiàn)為電機(jī)發(fā)出刺耳的嘯叫聲；相反地，隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制所得電流諧波幅值明顯降低，且頻譜分布也更加均勻，有效地將諧波能量分散，此時(shí)電機(jī)的嘯叫聲也明顯降低。因此，隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)開關(guān)頻率處的諧波有削弱和均勻分布的作用，但是對(duì)低頻電流諧波作用甚小。

表4 隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和固定開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)電流頻譜諧波幅值比較

隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)對(duì)逆變器開關(guān)頻率引入的高頻電流諧波有明顯抑制作用。

5. 3 混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略

通過試驗(yàn)對(duì)混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略進(jìn)行試驗(yàn)分析。

混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，諧波幅值比較如表5所示。

表5 混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償與傳統(tǒng)固定開關(guān)頻率死區(qū)補(bǔ)償前電流頻譜諧波幅值比較

由圖6(a)和表5低頻段數(shù)據(jù)可以得出，在低頻處混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償與傳統(tǒng)固定開關(guān)頻率相比較，輸出電流諧波幅值明顯降低，5次、7次諧波電流幅值分別從原來的0.132、2.71×10-2A減為1.18×10-2、1.18×10-2A，且THD從32.237%降為12.71%。由圖6(b)和表5高頻段數(shù)據(jù)可以看出，混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略在開關(guān)頻率10 kHz及倍頻處諧波幅值也明顯降低，且諧波分布更加均勻。

5. 4 寬調(diào)速范圍下試驗(yàn)測試

前文定量分析了樣機(jī)在1 500 r/min時(shí)混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償?shù)目刂品椒茉谡麄€(gè)頻段范圍內(nèi)降低逆變器電流諧波，從而可以降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲。下面分析在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)此方法的試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償與傳統(tǒng)固定開關(guān)頻率電流頻譜(中低頻段)

圖7和圖8所示分別為定子電流中低頻段和高頻段的頻譜圖單位為安。

由圖7可以得出：整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，5 000 Hz以下的中低頻段，混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償控制技術(shù)降低了電流的諧波幅值。

圖8 混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償與傳統(tǒng)固定開關(guān)頻率電流頻譜(高頻段)

從圖8可以看出，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)可以降低開關(guān)頻率10 kHz及其倍數(shù)次諧波附近的電流諧波。

綜上所述，混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)既可通過死區(qū)補(bǔ)償有效改善低頻電流死區(qū)效應(yīng)，亦可通過隨機(jī)開關(guān)頻率使得在開關(guān)頻率及其倍頻處諧波分布均勻，有效抑制高頻噪聲。

6 結(jié) 語

本文通過對(duì)逆變器引入電流諧波引起的中低頻振動(dòng)噪聲和逆變器開關(guān)頻率與電流諧波相互作用引入的高頻振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，提出了混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略。試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論：

(1) 死區(qū)補(bǔ)償策略對(duì)變頻器引入的5、7、11、13次等低頻諧波電流有明顯削弱作用，但是對(duì)于開關(guān)頻率處的高頻諧波作用極小。

(2) 隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)可顯著降低開關(guān)頻率處諧波電流幅值，展寬諧波頻譜。由逆變器開關(guān)頻率與電流諧波相互作用引入的高頻振動(dòng)噪聲明顯降低，但是對(duì)于逆變器引入電流諧波而引起的中低頻振動(dòng)噪聲作用甚小。

(3) 混合隨機(jī)開關(guān)頻率-死區(qū)補(bǔ)償策略綜合隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既可降低開關(guān)頻率處高頻振動(dòng)噪聲，亦可削弱由變頻器引入的諧波電流而引起的中低頻振動(dòng)噪聲。

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ControlStrategyofLowVibrationandNoiseofPermanentMagnetSynchronousMotorBasedondSPACE*

LIXiaohua,LEIYi,LIUChengjian

(College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

In order to reduce the vibration and acoustic noise of permanent magnet synchronous motor (PMSM) caused by inverter, first, the vibration and noise sources of PMSM caused by inverter were analyzed, and the simulation model build by MATLAB/Simulink was compiled by dSPACE to control a PMSM. Then, the advantages and disadvantages of random switching frequency modulation technique and dead-time compensation technique in reducing the vibration and acoustic noise were compared, and a method that mixed random switching frequency and dead-time compensation was proposed. Finally, the experimental results indicated that the proposed method could integrate the advantages of random switching frequency modulation and dead-time compensation technology, and reduced both the mid-low frequency noise and vibration that was caused by current harmonics introduced by inverter and the high frequency noise and vibration that was caused by interaction of switching frequency of inverter and harmonic of current.

permanentmagnetsynchronousmotor;vibrationandacousticnoise;randomswitchingfrequency;dead-timecompensation

上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(13DZ2251900)；“電氣工程”上海市Ⅱ類高原學(xué)科；上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

李曉華(1974—)，女，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

雷 軼(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

劉成健(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)12- 0047- 07

2017 -01 -20