七段式SVPWM 優(yōu)化電機電磁噪聲的量產可行性驗證

摘要：某插電式混合動力汽車（PHEV）樣車存在明顯的高頻電磁噪聲，該噪聲被確認由電機系統(tǒng)產生。將該電機采用的五段式空間矢量脈寬調制（SVPWM）軟件改為七段式SVPWM 軟件。在不降低電機性能的條件下，探索降低電磁噪聲的可量產優(yōu)化方案。七段式SVPWM 正弦性好，諧波含量小，噪聲表現(xiàn)好。采用七段式SVPWM 軟件，在臺架及實車上進行驗證。結果表明：七段式SVPWM 軟件能有效改善電磁噪聲，且對電機的性能影響輕微，可量產應用。

關鍵詞：電機；電磁噪聲；空間矢量脈寬調制；試驗驗證

0 前言

插電式混合動力汽車（PHEV）作為節(jié)能車輛能有效降低碳排放。PHEV 性能優(yōu)，保有成本低，因此日益受消費者青睞。但PHEV 零部件多，結構和控制復雜，性能指標多，開發(fā)難度大。某項目開發(fā)了一款理論效率高且各項性能均衡的電機系統(tǒng)，但在PHEV 實車評價階段，噪聲評分低，亟需優(yōu)化。

1 電機噪聲問題

動態(tài)評審該PHEV 樣車時，在怠速發(fā)電和純電低速行駛時有高頻刺耳噪聲。經(jīng)過測試分析，該噪聲呈傘狀階次，如圖1 所示，是典型的電磁噪聲［1］。

2 電機結構

該PHEV 樣車采用永磁同步電機驅動。永磁同步電機［2］因具有高效率、高功率因數(shù)、高轉矩密度和良好動態(tài)性能等優(yōu)點，廣泛應用于新能源汽車。它由定子、轉子和附件組成，其中：定子由殼體、鐵心和三相繞組組成，相間為星形連接，鐵心由硅鋼片疊壓而成；轉子由永磁體、鐵心和軸組成，常用釹鐵硼永磁體，以提高磁場強度和磁能密度。

該驅動電機核心結構如圖2 所示，定子外徑為270 mm，軸向長60 mm；定子共24 槽，采用圓銅線制成集中式繞組；轉子8 對級，永磁體軸向分段角度布置；電機通過殼體液冷。

3 優(yōu)化方案

永磁同步電機的硬件結構影響電磁噪聲。電機宏觀參數(shù)［3］包括定子槽數(shù)、轉子極對數(shù)、氣隙；電機定子參數(shù)［4-5］包括結構模態(tài)、齒槽幾何、繞組（整數(shù)繞組、分數(shù)繞組）；轉子參數(shù)［6］ 包括永磁體布置、磁橋的形態(tài)等。原電機結構曾進行基于徑向電磁力的優(yōu)化設計，后續(xù)提升困難，且電機模具、夾具、產線均已定型，結構變動受限。

永磁同步電機的軟件改動周期短、成本低，是重點突破方向。該PHEV 永磁同步電機采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制法驅動。根據(jù)矢量的合成方式，SVPWM 可分為五段式和七段式。原PHEV 永磁同步電機采用五段式SVPWM 軟件控制，開關次數(shù)少，效率和輸出特性好。七段式SVPWM 正弦性好，諧波少，噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）性能好，因此嘗試采用七段式SVPWM 軟件控制。

以往的研究通常基于虛擬樣機，鮮有產品數(shù)據(jù)，難以參考。使用環(huán)境、工況和駕駛習慣的差別，要求電機系統(tǒng)具有較好的綜合性能。電機系統(tǒng)在功率、轉矩、效率、NVH 等方面均有開發(fā)指標。因此需要對七段式SVPWM 軟件進行全面測試，以確認其量產的可行性。

4 永磁同步電機的控制

4. 1 逆變電路

電機控制器可以實現(xiàn)直流電和特定交流電之間的轉化。特定交流電的定子產生變化的磁場，吸引或排斥電機轉子（永磁體）產生同步旋轉，實現(xiàn)電能和機械能之間的轉化［7］。

電機控制器的開關逆變電路原理［8］如圖3 所示。電路通過橋臂與繞組L0相連，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）充當開關器件。每個橋臂含2 個IGBT（VT1～VT6），可實現(xiàn)脈寬調制控制（PWM），模擬出正弦交流電。驅動電路與IGBT 連接，根據(jù)駕駛需求，解析出開關狀態(tài)。

4. 2 矢量控制原理

矢量控制對磁通、電流及角度進行了精確控制，具有響應快、精度高、轉矩平穩(wěn)和節(jié)能等優(yōu)點，因此在永磁同步電機控制中得到了廣泛應用［2，9］。

1 個橋臂上的2 個開關只能導通1 個，每個橋臂存在2 種狀態(tài)，可以用0 和1 代表橋臂的狀態(tài)，共8 種組合（包含零矢量和非零矢量）。零矢量實際是上臂全通或下臂全通，無完整回路。6 個非零矢量幅值均為2/3 V DC，角度差60°。將6 個非零矢量的頂點（V1～V6）連起來（向量后括號內標注的三位數(shù)代表了3 個橋臂的開關狀態(tài)），正好是正六邊形。2 個相鄰矢量與六邊形的邊構成等邊三角形，稱為扇區(qū)，共有6 個扇區(qū)（Ⅰ～Ⅵ），如圖4 所示。兩相靜止參考坐標系（α，β）中任意矢量Vδ 必然分布在某扇區(qū)中，可用扇區(qū)的2 邊（如g、h）來合成矢量（如Vg、Vh）。為每次只變化1 個橋臂，至少需將1 個矢量分兩等份，首尾添加零矢量，形成五段序列。在此基礎上，將另一個矢量也等分并中間插入零矢量，形成了七段式序列，如圖5 所示。

5 七段式SVPWM 試驗驗證

測試七段式SVPWM 軟件對電磁噪聲的影響，確認是否能顯著地降低噪聲；在不削弱產品的性能的條件下，全面測試電機系統(tǒng)采用七段式SVPWM 軟件后的噪聲、功率、轉矩、效率表現(xiàn)，確認其量產可行性。

5. 1 電磁噪聲測試

在同一臺樣機上分別采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM 軟件，并在專用臺架上測試噪聲，結果如圖6 所示。由圖6 可以看出：相比于五段式SVPWM 軟件，采用七段式SVPWM 軟件的樣機在全轉速段的噪聲降低了5 dB，降噪效果明顯。

在同一臺樣機上分別采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM 軟件，并在純電低速行駛工況下測試駕駛室內噪聲，結果如圖7 所示。由圖7 可以看出：五段式SVPWM 軟件的電磁噪聲在圖譜上清晰可見，駕駛員可明顯感知噪聲；七段式SVPWM 軟件的電磁噪聲在圖譜上無突出亮線，駕駛員未感知噪聲。試驗表明七段式SVPWM 軟件能消除駕駛員噪聲抱怨。

5. 2 輸出特性試驗

在同一臺樣機上分別采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM 軟件，并在專用電機試驗臺架上測試輸出特性，比較二者的差異，驗證開發(fā)目標的達成情況，開發(fā)目標見表1。車載電池的電壓范圍為270～407 V，低于額定電壓（350 V）時，峰值轉矩不變，但峰值功率下降，目標功率降為70 kW。

5. 2. 1 峰值功率和轉矩

測試時：電機預熱30 min；設定電機控制器入水口溫度為60 ℃、入口體積流量為10 L/min；測試母線電壓為270 V、350 V、407 V 下的電動、發(fā)電6種組合狀態(tài)；設定轉速范圍為500～5 500 r/min，以500 r/min 為步長；采樣頻率為100 Hz；電機溫度報警保護限值為150 ℃（定子繞組處），電機控制器（IGBT 處）溫度報警保護限值為160 ℃；指令發(fā)出后運行15 s，采集第3 s 到第13 s 數(shù)據(jù)取均值作為測量結果，出現(xiàn)過溫報警則無效，需降低轉矩再次測試，每測1 點應空載運行3 min。

2 種狀態(tài)下，上述測點均未出現(xiàn)過溫，數(shù)值有效。將低轉速段（500～2 500 r/min）5 個測點的峰值轉矩取平均，峰值功率是在5 500 r/min 的功率，結果見表2。從表2 可知，五段式SVPWM 軟件高速功率稍優(yōu)，七段式SVPWM 軟件低速轉矩略好。

無論采用五段式SVPWM 軟件還是七段式SVPWM 軟件，均可達到開發(fā)目標，兩者峰值功率轉矩最大相差2.5 N·m，相對偏差為0.89%，峰值功率最大相差1.3 kW，相對偏差為1.6%。

在特征點（母線電壓350 V、電機轉速2 800 r/min、電機轉矩280 N·m）發(fā)出電機控制指令后，不限運行時長（其他同峰值試驗），直至溫度限值觸發(fā)臺架卸載，記錄整個過程數(shù)據(jù)，間隔15 min 空載運行，測量3 次取均值。比較峰值功率轉矩的輸出極限時長。結果表明：采用五段式SVPWM 軟件的電機電動工況持續(xù)運行19 s、發(fā)電工況持續(xù)運行19 s；采用七段式SVPWM 軟件的電機電動工況持續(xù)運行18 s、發(fā)電工況持續(xù)運行19 s。二者峰值輸出能力相當，都滿足開發(fā)目標要求。

5. 2. 2 持續(xù)功率和轉矩

在特征點（350 V、2 800 r/min、140 N·m、32 kW）發(fā)出電機指令后，不限運行時長（其他同峰值試驗），持續(xù)運行30 min，不能出現(xiàn)過溫，采集整個過程數(shù)據(jù)，觀察溫度是否達到平衡（3 min 內溫度變化小于1 K 視為平衡）。結果表明：采用五段式SVPWM 軟件的電機可在運行30 min 后達到溫度平衡，電機溫度為142 ℃ ，電機控制器溫度為156 ℃；采用七段式SVPWM 軟件的電機也可以在運行30 min 后達到溫度平衡，電機溫度為143 ℃，電機控制器溫度為157.5 ℃，未觸發(fā)溫度保護，滿足開發(fā)指標要求（溫度偏差在3 K 內）。二者持續(xù)輸出能力相當。

5. 2. 3 堵轉轉矩

電機控制器入水口溫度為20 ℃、入口體積流量為10 L/min，冷機工況下使用機械構件鎖住輸出軸，給電機滿載指令，運行5 s，記錄過程數(shù)據(jù)，若觸發(fā)過溫保護則需要降低負荷再次測試。在軸的圓周上均勻測試5 個點，以5 個點中轉矩最小值作為堵轉轉矩。結果表明：2 個軟件均未觸發(fā)過溫保護，五段式SVPWM 軟件的堵轉轉矩為280.7 N·m，七段式SVPWM 軟件的堵轉轉矩為281.2 N·m，兩者偏差微小。

5. 3 電機系統(tǒng)效率測試

在電機臺架上，直流母線、三相線電壓及電流，以及電機的轉速和轉矩是比較容易精確測量的。能量流過直流母線、電機控制器和電機，可以通過這些測量量計算出流經(jīng)3 個節(jié)點的功率，并通過相應比值得到效率。電動狀態(tài)下，能量從母線流到電機；發(fā)電狀態(tài)下，能量從電機流向母線。2 種狀態(tài)能量流動方向相反，電動狀態(tài)時電機為正轉矩、發(fā)電狀態(tài)時電機為負轉矩，電機轉動方向不變。

為了數(shù)據(jù)的可比性，試驗條件需要保持恒定。母線電壓為350 V，控制器入水口溫度為60 ℃、入口體積流量為10 L/min，油溫為90 ℃，環(huán)境溫度為（25±5） ℃，完成磨合，試驗前先熱機。轉速范圍為500～5 500 r/min，500 r/min 為步長；空載到滿載，電機轉矩10 N·m 作為步長。運行時間8 s，采樣頻率為100 Hz，取均值。電動和發(fā)電狀態(tài)均需要測試。

采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM軟件的電機系統(tǒng)效率見表3（效率占比是大于某效率的測點個數(shù)與測點總數(shù)的比）。由表3 可見，采用不同軟件的電機系統(tǒng)效率均優(yōu)于目標值，其中采用七段式SVPWM 軟件的電機系統(tǒng)效率略遜于采用五段式SVPWM 軟件的電機系統(tǒng)效率。

整車經(jīng)濟性與工況相關，法規(guī)工況區(qū)的效率尤為重要。在仿真軟件Cruise 中使用同一模型（該模型已通過精度校準），分別導入2 種軟件的實測電機系統(tǒng)效率脈譜圖，計算法規(guī)工況下的整車經(jīng)濟性。從計算結果來看，2 種脈譜圖的全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（WLTC）純電續(xù)航里程均為64 km，燃料消耗模式的百公里燃油耗均為6.13 L（電池電量變化為0.8%），經(jīng)濟性無差異。

臺架測試和計算機輔助工程（CAE）仿真結果表明，2 種算法軟件的系統(tǒng)效率差異對整車經(jīng)濟性無影響，故認為2 種軟件的經(jīng)濟性相當。

6 結語

經(jīng)過以上臺架、整車試驗、整車仿真，驗明七段式SVPWM 軟件能明顯優(yōu)化電機系統(tǒng)的電磁噪聲，電機的輸出特性、系統(tǒng)效率僅輕微變化，達到開發(fā)指標，整車表現(xiàn)無差異，可以作為量產方案。以上優(yōu)化案例可為該款PHEV 電機系統(tǒng)的各項性能平衡和電機軟件方案選擇提供參考。

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