一种电机特定频率处电磁噪声消除方法

1.本发明涉及电机振动与噪声优化技术领域，具体涉及一种电机特定频率处电磁噪声消除方法。


背景技术：

2.永磁体同步电机由于其高功率/转矩密度、调速范围较为宽广在电动汽车上得到了广泛的应用。电动汽车由于采用电机取代了传统的内燃机，因而电机是整车振动噪声的主要来源之一。车用电机噪声的研究对于改善电动汽车的声振品质，提高其舒适性具有重要意义，因而对于车用电机来说，振动与噪声特性是其性能评价的重要指标。
3.永磁同步电机采用空间矢量脉宽调制策略进行调制，产生的高频谐波电流不仅会增加电机的铁损，降低效率，其产生的电枢反应磁场与永磁体磁场相互作用产生边频电磁力，还会引起电机的结构振动并辐射出高频噪声。由于边频噪声与边频电压的形状相同，因而一般是通过改变调制策略来分散电压频谱。根据帕塞瓦尔定理定律，信号频域的总能量等于其时域的总能量。由于边频电压谐波主要集中在开关频率附近，因而如果开关频率附近的边频谐波能够分散到更多频率下，那么原有固定开关频率附近的电压和电流谐波幅值就会降低，从而削弱振动噪声。这种调制技术一般被称为扩频调制技术。扩频调制技术主要包括随机调制技术和周期频率调制技术，最开始被广泛应用于降低逆变器的电磁干扰，近些年来开始用来削弱电机的边频电流。
4.然而，由于扩频调制技术由于分散了输出的电压频谱，导致开关频率附近的边频电磁力变成了连续的频谱，如果靠近模态频率，因而很容易引起电机的共振。本发明就是在这种背景下提出的。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中扩频调制技术由于分散了输出的电压频谱，因而容易引起电机的共振的问题。通过建立开关位置和占空比之间的关系，可以在不增加开关损耗的前提下，有效实现了特定频率处的电流谐波和电磁噪声消除策略。该方法可以为低噪声车用驱动的设计提供参考。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
7.本发明提供了一种电机特定频率处电磁噪声消除方法，包括以下步骤：
8.s1：基于脉冲位置调制时输出电压脉冲任意时刻的幅值与开关位置的关系，简化逆变器开关位置r
m 1
的计算公式，获得开关位置rm与占空比dm的关系；
9.s2：在s1的基础上，得到一种进行随机pwm选择性谐波消除的方法，并获得开关位置rm、有效随机数k及占空比dm的关系；确定待消除次谐波频率f0，利用r
m 1
的计算公式，在给定待消除次谐波频率f0、占空比dm和开关位置rm范围的前提下，得到随机整数k的取值范围；在随机整数k的取值范围内随机选择1个k值；将k、开关周期ts和占空比dm代入逆变器开关位置r
m 1
的计算公式，计算下一开关位置值r
m 1
。
10.s3：根据开关位置计算各电压矢量的分配时间，再根据所述电压矢量分配时间生成igbt的开关信号，从而在pwm控制中消除特定次谐波频率f0处的谐波。
11.作为本发明的进一步优化方案，所述s1的具体方法为：
12.电机逆变器输出pwm电压脉冲任意时刻的幅值gm(t)可以表示为：
[0013][0014]
式中，a代表pwm电压，ts为开关周期，dm为占空比，rm为开关位置；则总的pwm电压脉冲g(t)可以表示为：
[0015][0016]
n为pwm电压脉冲的周期数；
[0017]
对式(2)进行傅里叶变换，可得：
[0018][0019]
其中，g(f)为脉冲序列g(t)的傅里叶变换，f为频率，j表示傅里叶变换的虚部；
[0020]
令式在频率f＝f0处的值为0，则只需要：
[0021][0022]
定义c(f0)为(4)式两个方程之和，从而，
[0023][0024]
f0为待消除谐波的频率，为正弦sin的初始相位角。
[0025]
作为本发明的进一步优化方案，所述s2的具体方法为：
[0026]
将式(3)代入式(5)，化简可得c(f0)值为：
[0027][0028]
计算当所选频率电压脉冲为零时，开关位置和占空比之间的关系：
[0029]
由于c(f0)＝0，因此，
[0030][0031]
当上式的左侧第m项与右侧的第m n项对应相等时，即可相互抵消，从而使其值为0，n为正整数；因此：
[0032][0033]
取n＝1，则开关位置rm与占空比dm满足：
[0034][0035]
其中k为整数；由于rm的范围为0～1，因此：
[0036][0037]
从而
[0038]
tsf0(1-r
m-dm)≤k≤tsf0(2-r
m-dm)
ꢀꢀ
(11)
[0039]
由开关周期和选择的消除定频率可以确定k的取值范围，通过在每个开关周期内对k在进行随机取值，计算该开关周期的开关位置。
[0040]
作为本发明的进一步优化方案，所述s3的具体方法为：
[0041]
根据开关位置计算各电压矢量的分配时间为：
[0042][0043]
式(12)中，ug为输出电压幅值；其中，每个周期内开关位置是由上一周期的占空比和开关位置共同决定；第一个周期的占空比和开关位置根据标准空间矢量脉宽调制进行计算，后续每个周期的开关位置均由式(12)获取；
[0044]
根据计算得到的各电压矢量分配时间生成igbt的开关信号。
[0045]
本发明的有益效果在于：一方面通过建立开关位置和占空比之间的关系，可以在不增加开关损耗的前提下，有效实现了特定频率处的电流谐波和电磁噪声消除，不增加原有的开关损耗；另一方面硬件实现相对较为容易，值得被推广使用。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例中的电机的结构示意图；
[0047]
图2为本发明实施例中提供的电机特定频率处电磁噪声消除方法流程图；
[0048]
图3为本发明实施例中提供的采用所提策略后电流的功率谱密度示意图；
[0049]
图4为本发明实施例中提供的采用所提策略前电机声功率级示意图；
[0050]
图5为本发明实施例中提供的采用所提策略后电机声功率级示意图；
[0051]
图1中：1、端盖；2、定子；3、转轴；4、机壳；5、永磁体。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施
方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
[0053]
针对某型额定转速600rpm的30极27槽(30p27s)电机，其结构如图1所示，进行了本发明的实施试验。
[0054]
如图2所示，本实施例提供一种技术方案：一种电机特定频率处电磁噪声消除方法，包括以下步骤：
[0055]
s1：确定电机需要消除噪声所在的频率，对于该电机，选择消除7000hz附近的电磁噪声。
[0056]
s2：理论推导该频率处电压脉冲开关位置和占空比之间的关系，包括：
[0057]
s201：理论推导电压脉冲表达式：
[0058]
基于脉冲位置调制时输出电压脉冲任意时刻的幅值可以表示为：
[0059][0060]
式中，ts为开关周期，dm为占空比，rm为开关位置；
[0061]
则总的输出电压可以表示为：
[0062][0063]
对上式进行傅里叶变换，可得：
[0064][0065]
令式在频率f＝f0处的值为0，则只需要：
[0066][0067]
从而，
[0068][0069]
将式代入式，化简可得c(f0)值为：
[0070][0071]
s202：计算所选频率电压脉冲为零时，开关位置和占空比之间的关系。由于c(f0)＝0，因此，
[0072][0073]
当上式的左侧第m项与右侧的第m n项对应相等时，即可相互抵消，从而使其值为0，这里n为正整数。因此，
[0074][0075]
n值越大，会导致计算更加的复杂，并且增加dsp内存占用，因此这里取n＝1，则脉冲位置与占空比满足：
[0076][0077]
其中k为整数。
[0078]
s3：通过随机选择常数k，计算开关位置，并判断开关位置是否在0和1之间，若是，进行s4，若否，重新进行s3，计算开关位置包括：
[0079]
s301：由于rm的范围为0～1，因此：
[0080][0081]
从而
[0082]
tsf0(1-r
m-dm)≤k≤tsf0(2-r
m-dm)
ꢀꢀ
(11)
[0083]
s302：由开关周期和选择的消除定频率可以确定k的取值范围，在实际实施过程中通过在每个开关周期内对k在进行随机取值，即可实现开关位置的随机化。
[0084]
s4：根据计算得到的开关位置产生igbt的开关信号。
[0085]
s401：根据开关位置计算各电压矢量的分配时间为：
[0086][0087]
式中，ug为输出电压幅值。与随机位置调制不同，基于脉冲位置的特定频率消除策略每个周期内开关位置不是随机的，而是由上一周期的占空比和开关位置共同决定。第一个周期的占空比和开关位置根据标准空间矢量脉宽调制进行计算，后续每个周期的开关位置均由式(12)获取。
[0088]
s402：根据计算得到的各电压矢量分配时间生成产生igbt的开关信号。此时电机输出的电流功率谱密度如图3所示，可以看出采用所提策略后，7000hz处的电流谐波得到了有效的消除。
[0089]
s5：对比该电机采用所提策略前后的噪声频谱，验证策略的有效性。采用本发明实
施例中提供的采用所提策略前后电机声功率级如图4和图5所示，可以看出改策略可以有效降低7000hz处的电磁噪声。
[0090]
综上所述，上述实施例的电机特定频率处电磁噪声消除方法，采用恒定的开关频率，通过建立开关位置和占空比之间的关系，可以在不增加开关损耗的基础上，有效消除低速下特定频率处的电流谐波和电磁力，从而避免随机调制策略可能导致的与固有模态发生共振的缺陷。该方法可以为低噪声车用驱动的设计提供参考，值得被推广使用。
[0091]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。