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《电工技术学报》2019年优秀论文｜电动汽车用感应电机削弱振动和噪声的随机PWM控制策略
感应电机作为电驱动系统具有可靠性高、维护简单、成本低等优点，因此在新能源汽车领域被广泛应用。新能源汽车内的噪声主要来自于感应电机的振动和噪声，因此减小感应电机的振动和噪声具有重要研究意义。本文针对感应电机固有频率较低的特点，提出了电流谐波频谱整形结合RFPWM的矢量控制方法：使用带通滤波器提取反馈d、q轴电机固有频率范围内的电流谐波，并设计算法对其抑制，均匀其频谱特性，从而有效的削弱了电机的振动与噪声。
研究背景
图1 电机固有频率仿真
电机的共振是引起电动汽车噪声的主要原因，当电流中的谐波频率与电机的固有频率相同时会使电机产生共振。电动汽车用感应电机本体的固有频率较低，一般在0.6~5kHz之间，而随机调制技术开关频率范围在8~12kHz之间，所以仅采用随机调制技术无法避免电机的低频共振，因此需要对随机调制技术以及电机固有频率范围内的谐波进行深入研究。
论文方法及创新点
图2 感应电机矢量控制系统框图
为了削弱低频谐波引起的共振，本文在RFPWM的控制方法上加入了谐波频谱整形算法。如图2所示。谐波频谱整形算法作用于电流环，在计算电流误差的环节引入了带通滤波器，我们以q轴的电流为例进行分析，d轴的参数与q轴完全相同。在图5中，将帕克变化之后得到的q轴电流分解为4个部分如式1所示：
因此，能够引起电机共振的电流谐波就会被消除掉，从而削弱电机的共振。带通滤波器的传递函数如式4所示：
本文中电机1~2阶固有频率的范围是0.85~1.16kHz，3~4阶固有频率范围是3.1~3.9kHz。考虑到控制器的频率输出范围是0~200Hz，电流的19次谐波的频率才能够达到3.9kHz，此时电流谐波的幅值很小，引起电机振动的幅值很小，故可忽略其影响，所以仅对电机1~2阶的共振进行削弱。
根据以上分析得到滤波器的中心频率为1025Hz，带宽为735Hz，将以上参数带入到式5中，可以得到滤波器的表达式如式5所示。
在实际的控制程序当中，对信号的采集和处理都是离散的，所以将滤波器的传递函数转换为差分序列的形式，如式6所示。
在MATLAB中搭建了电动汽车用感应电机矢量控制系统的模型。固定载波频率仿真中设定模型开关频率为10kHz，随机载波频率仿真中设定模型开关频率的中心频率为10kHz，变化区间为[8~12kHz]。
在仿真过程中设定电机的转速为3000rpm，负载转矩30N•m，此时电机线电流交流幅值为183A，取电动汽车用感应电机的A相电流为分析对象，仿真得到的波形如图3所示。从图3(a)中可以看出，固定载波频率情况下，电流波形的PSD有集中于开关频率(10、20、30kHz)及其倍频的窄带宽谐波簇。
采用RFPWM技术之后，原有的谐波簇被均匀的分散在开关频率范围(8~12kHz、16~24kHz)之内，有效的降低了谐波的幅值，如图3(b)中红色箭头区域所示，削弱了电流波形PSD中的窄带宽谐波簇，从而削弱了电机的振动和噪声。
图3 感应电机A相电流的PSD
采用RFPWM控制策略，削弱了感应电机线电流PSD中开关频率处能量的峰值，但开关频率在8kHz以上，因此仅采用RFPWM控制策略不能削弱感应电机低频共振。为了削弱电机低频共振，本文设计了一种电流谐波频谱整形算法，仿真得到A相电流波形PSD的低频部分如图4所示。
图4 电机A相电流PSD的低频波形
在图4中，提取共振频率范围内的波形，将其放大并与没加入电流谐波频谱整形算法的波形进行比较。放大部分图形中蓝色虚线表示加入电流谐波频谱整形算法前的波形，黑色实线表示加入电流谐波频谱整形算法后的波形。
从图中可以看出，加入电流谐波频谱整形算法之后，感应电机线电流PSD中共振频率范围内的谐波得到了有效的抑制。因此可以明显的削弱电机的共振，从而减小电机的噪声。图4中右下角部分表示开关频率范围内谐波的PSD，该部分谐波仍旧均匀的分布在开关频率范围之内，可见加入电流谐波频谱整形算法不会影响RFPWM的性能。
为了验证所提出算法的有效性,本文搭建了基于矢量控制策略的感应电机对拖实验平台。该平台采用德州仪器公司的TMS320F28069作为核心处理器、MOSFET作为开关器件，处理器留有接口，可对其进行编程控制。
图5 电动汽车用感应电机对拖实验平台
实验中固定载波频率设置为10kHz，随机载波频率的平均频率设置为10kHz，频率的变化区间为[8~12kHz]。通过查随机数表的方式生成随机数，随机数表中包含1000个随机数，实验平台如图5所示。
实验中设定电机的转速为3000rpm，电机负载转矩为30N•m，此时感应电机线电流交流幅值为183A，各个参数设置保持与仿真中的工况一致。在固定载波频率、随机载波频率以及随机载波频率加入滤波算法的情况下，分别用示波器采集电机A相线电流的波形的数据，对采集到的数据分析得到线电流的PSD如图6所示。
图6 实验中感应电机A相电流的PSD
从图6中可以看出，本文所提出的电流谐波频谱整形的RFPWM控制策略在实际的工况中有着明显的效果。应用此控制策略后，电机线电流波形的PSD均匀的分布在开关频率范围之内，降低了线电流PSD的峰值，同时该控制策略能够对共振频率范围内的谐波进行抑制，削弱共振引起的电机振动。实验的结果与仿真结果一致，证明了仿真以及控制策略理论的正确性。
为验证控制算法削弱振动的有效性，用振动测量仪测量电机的振动，测量实验台如图7所示。测量得到的电机的振动频谱的PSD如图8所示。
图7 感应电机振动实验
图8 电机振动波形的PSD
图8(a)波形中标号1、2、3、4、5、7均为电机共振频率点的振动峰值,标号6、8、9分别为载波频率10、20、30kHz的谐波引起的振动峰值。在采用RFPWM控制策略后，在图8(b)中标号10、11、12处的振动峰值得到了明显的抑制，同时在标号10处原共振点的峰值降低，集中的振动能量得以分散，证明了RFPWM控制策略对振动和噪声控制的有效性。
在RFPWM控制策略中，加入电流谐波频谱整形算法前后振动频谱PSD的低频部分如图9所示。
图9 电机振动波形PSD的低频部分
在图9(a)中标号1、 2代表电机转速引起的振动，与电机转速和机械结构相关，无法通过控制策略避免，标号3、4代表共振引起的振动。采用电流谐波频谱整形算法之后，共振引起的振动得到了削弱，如图9(b)中标号7、8所示，实验证明了电流谐波频谱整形算法的有效性。
结论
随机PWM技术的出发点是减小和抑制系统的噪声和电磁干扰，本文针对电动汽车用异步电机矢量控制系统的特点，在随机化开关周期脉宽调制（RFPWM）的基础上，提出了带有电流谐波频谱整形环节的RFPWM控制策略。
分析和实验表明该控制策略能够将电流频谱均匀分散在较宽的频率范围内，减小整数倍载波频率的谐波幅值，同时能够抑制电机共振频率范围内的电流谐波，明显的削弱电机的共振。该方法不需要修改系统硬件、改变调节器参数，不影响矢量控制性能，具有很好的通用性。
引用本文
刘和平, 刘庆, 张威, 苗轶如, 刘平. 电动汽车用感应电机削弱振动和噪声的随机PWM控制策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(7): 1488-1495. Liu Heping, Liu Qing, Zhang Wei, Miao Yiru, Liu Ping. Random PWM Technique for Acoustic Noise and Vibration Reduction in Induction Motors Used by Electric Vehicles. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1488-1495.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171747
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