一种直流轴流风扇自适应降噪调速控制方法与流程

本发明涉及电机控制，具体为一种直流轴流风扇自适应降噪调速控制方法。

背景技术：

1、直流轴流风扇广泛应用于各类电子设备的散热系统中，通常通过调节电机转速来维持被散热对象的热平衡。在风扇实际运行过程中，特定的转速区间容易引发气动失速与声学共振，产生明显的结构噪声。

2、现有技术在处理这一问题时，通常采用出厂标定的固定转速区间作为避振盲区。由于设备在实际工作环境中的流场阻抗会随外部条件发生变化，预设的固定边界难以准确匹配实时的共振状态，导致对共振敏感带的识别不够准确。

3、常规的调速控制方法在目标转速落入该敏感带时，多采用直接跨越该区间的单一转速跳变策略。当发热设备处于高热负荷工况时，这种生硬的转速跳跃会引起风压的瞬态波动，导致散热能力短时间跌落，无法在抑制噪声的同时保障核心器件的热安全。在风扇驱动系统的底层控制层面，频繁的工况切换和外部干扰也容易引发电气运行不稳定。

4、传统的闭环控制算法在长时间无法达到目标温度时容易出现积分项饱和，从而在温度回落时造成转速严重的超调；并且在电流环进行高频信号叠加或前馈补偿时，通常缺乏对驱动逆变器安全输出余量的动态评估，直接注入的指令极易导致驱动电路瞬态过载或过流，影响了电机和硬件电路的整体安全性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种直流轴流风扇自适应降噪调速控制方法，解决了现有风扇调速控制方法无法自适应识别实时共振敏感带，且在进行降噪调节时难以兼顾发热设备热安全与驱动电路电气稳定性的问题。

2、为实现以上目的，本发明提供一种直流轴流风扇自适应降噪调速控制方法，包括：

3、根据散热对象的温度偏差计算理论目标转速；

4、提取电机相电流序列中的高频纹波有效值，根据所述高频纹波有效值确定气动失速与声学共振敏感带的上限边界转速与下限边界转速；

5、当所述理论目标转速处于所述上限边界转速与所述下限边界转速构成的区间之间时，根据所述温度偏差与安全裕度阈值的比对结果，选择执行避振步骤或谐波步骤。

6、优选的，所述根据散热对象的温度偏差计算理论目标转速，包括：

7、获取所述散热对象的实时温度数据，计算实际温度与预设目标温度的差值作为所述温度偏差；

8、将所述温度偏差作为外环速度控制器的输入变量，依据位置式比例-积分-微分控制算法计算维持热平衡所需的所述理论目标转速；

9、同步设定结合所述散热对象的实际热容积进行标定用于防止积分项无限累积的积分限幅阈值，当控制周期内的所述温度偏差的累加和的绝对值超过所述积分限幅阈值时，冻结积分项的继续累加，当未超过时，维持积分项的正常累加。

10、优选的，所述提取电机相电流序列中的高频纹波有效值，包括：

11、控制风扇电机执行离散扫频指令；

12、利用模数转换器对电机运行的相电流进行高频连续采样，获取离散的所述电机相电流序列；

13、采用高通数字滤波器对所述电机相电流序列进行处理，滤除直流分量以及驱动基波成分得到高频电流纹波序列；

14、在设定的计算窗口内，计算所述高频电流纹波序列的所述高频纹波有效值，并将所述高频纹波有效值与所述离散扫频指令对应的实时转速进行关联，构建高频纹波有效值随转速变化的序列。

15、优选的，所述根据所述高频纹波有效值确定气动失速与声学共振敏感带的上限边界转速与下限边界转速，包括：

16、计算所述高频纹波有效值随转速变化的序列的一阶导数序列；

17、遍历计算得到的所述一阶导数序列，识别一阶导数发生正向突变并且幅值超过预设导数阈值的连续转速区间；

18、校验正向突变对应的所述高频纹波有效值的绝对量是否超过预设的纹波基准阈值；

19、其中，所述预设导数阈值和所述预设的纹波基准阈值均由出厂阶段对风扇在标准空载流场下测得的纹波数据增加预设的容差余量标定生成；

20、当所述一阶导数超过所述预设导数阈值以及所述高频纹波有效值的绝对量超过所述预设的纹波基准阈值的双重超限状态在相邻的至少3个连续转速测试点中保持一致时，将连续转速区间划定为气动失速与声学共振敏感带，将连续转速区间的下边缘点记录为所述下限边界转速，将上边缘点记录为所述上限边界转速。

21、优选的，所述根据所述温度偏差与安全裕度阈值的比对结果，选择执行避振步骤或谐波步骤，包括：

22、所述安全裕度阈值为结合所述散热对象的热容特性以及允许的最大瞬态温度跃升率标定生成；

23、获取连续周期内的所述温度偏差构成实时的温度偏差序列，将所述实时的温度偏差序列施加一阶低通数字滤波处理获取平滑后的温度偏差；

24、将所述平滑后的温度偏差与所述安全裕度阈值进行对比；

25、当判定所述平滑后的温度偏差小于所述安全裕度阈值时，执行所述避振步骤，具体为：根据所述理论目标转速、所述上限边界转速与所述下限边界转速求解运行时间占空比进行交替跳变输出；

26、当判定所述平滑后的温度偏差大于或等于所述安全裕度阈值时，执行所述谐波步骤，具体为：计算目标气动扰动频率，提取相电流在所述目标气动扰动频率下的幅值与相位，依据所述幅值与所述相位生成反相的前馈补偿谐波电流指令并进行输出。

27、优选的，所述根据所述理论目标转速、所述上限边界转速与所述下限边界转速求解运行时间占空比进行交替跳变输出，包括：

28、依据风机相似定律建立时间等效热耗散方程，利用所述理论目标转速的3次方减去所述下限边界转速的3次方所得的差值，除以所述上限边界转速的3次方减去所述下限边界转速的3次方所得的差值，求解目标时间占空比作为所述运行时间占空比；

29、设定低频调度周期参数，限定所述低频调度周期参数大于电机动态阶跃响应时间且小于所述散热对象热时间常数的1/10；在设定的低频调度周期前段，按照所述运行时间占空比对应的时间跨度持续维持在所述上限边界转速运行；在剩余时间段内维持在所述下限边界转速运行。

30、优选的，所述当所述理论目标转速处于所述上限边界转速与所述下限边界转速构成的区间之间时，包括采用带有迟滞回差特性的区间判定算法进行判定，具体为：

31、当系统当前处于常规非敏感区运行状态时，仅当所述理论目标转速进入所述下限边界转速与所述上限边界转速构成的绝对区间内，判定处于所述区间之间；

32、当系统已处于敏感带控制状态时，限定所述理论目标转速向外侧越过附加了固定转速回差值的扩展边界，判定脱离气动失速与声学共振敏感带；所述固定转速回差值依据最大静态跟踪误差范围确立；当判定所述理论目标转速不处于所述区间之间时，直接输出理论目标转速指令。

33、优选的，所述计算目标气动扰动频率，包括：

34、读取风扇实际运行的机械转速与系统预先储存的叶片数量，将所述机械转速转换为每秒转数并乘以所述叶片数量求解基础的气动扰动频率；

35、结合电机的极对数将所述基础的气动扰动频率统一计算为电磁场旋转坐标系下的补偿电角频率作为所述目标气动扰动频率。

36、优选的，所述提取相电流在所述目标气动扰动频率下的幅值与相位，包括：

37、对采样的相电流执行坐标变换，获取实时的交轴电流反馈值与当前直轴电流；

38、采用自适应二阶广义积分器对所述交轴电流反馈值进行正交解耦，利用输入的所述目标气动扰动频率作为谐振参数，输出同相的直轴滤波分量以及滞后90°的交轴滤波分量；

39、利用所述直轴滤波分量以及所述交轴滤波分量计算对应频率下的交轴电流脉动幅值作为所述幅值，计算对应的脉动相位作为所述相位。

40、优选的，所述依据所述幅值与所述相位生成反相的前馈补偿谐波电流指令并进行输出，包括：

41、利用所述幅值与所述相位叠加180°的相移，结合系统固有延时引入相位超前补偿角，利用余弦函数与前馈补偿系数重构出所述前馈补偿谐波电流指令；

42、将所述前馈补偿谐波电流指令注入交轴电流环中进行输出，包括：将所述前馈补偿谐波电流指令叠加至外环速度控制器输出的原始交轴电流参考指令中获取合成后的最终电流指令；

43、获取驱动逆变器最大安全输出电流的平方与所述当前直轴电流的平方之差的平方根作为限幅阈值，利用所述限幅阈值对合成后的所述最终电流指令执行动态限幅校验，将经过限幅保护后的最终电流指令作为内环电流控制的给定值进行输出。

44、本发明提供了一种直流轴流风扇自适应降噪调速控制方法。具备以下有益效果：

45、1、本发明通过提取电机相电流序列中的高频纹波有效值，并结合其一阶导数序列的正向突变特征进行多维度校验，能够准确标定气动失速与声学共振敏感带的上下边界转速，避免了传统方法中对共振区间的固定估算误差，使控制系统能根据实际流场变化自适应确立声学边界，提高了降噪调度的针对性。

46、2、本发明基于实时温度偏差与安全裕度阈值的比对结果，动态切换避振与谐波控制策略。在热负荷较低时通过占空比调节使转速在边界外跳变运行，在热负荷偏高时则维持恒定目标转速并注入反相谐波电流抵消振动，在保障核心器件不发生瞬态热损毁的前提下，抑制了风扇敏感带内的气动噪音。

47、3、本发明在外环速度控制阶段设定了防止误差无限累积的积分限幅阈值，并在交轴电流环注入前馈补偿指令时，利用当前直轴电流余量执行动态限幅校验，防止了极端工况下的转速异常超调和逆变器过载超流，保障了风扇电机及其驱动架构在复杂调速过程中的运行安全性。