基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化方法

技术领域

本发明属于电动汽车驱动用永磁同步电机空间矢量脉宽调制技术控制领域，尤其涉及基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化方法。

背景技术

凭借高功率密度、宽转速范围等优势，永磁同步电机广泛应用于新能源汽车电驱动系统中。永磁同步电机及其控制系统引入多种调制策略对电驱动系统及整车性能都具有重要的影响，不连续脉宽调制因其特殊的钳位可以有效地降低逆变器的开关损耗，提高效率，这使得该策略适用于高开关频率和大功率器件中，而新能源电动汽车电机调制技术的载波频率多设定在5000-10000Hz，存在比较高的开关损耗，因此应用DPWM有利于降低电机控制器损耗。但相较于空间矢量脉宽调制技术，DPWM不同程度地恶化了永磁同步电机的NVH性能，引起驾乘人员较大的烦恼度，需要对其引起声振性能进行优化。

抑制永磁同步电机高频振动噪声的方法主要有两种方式：提高载波频率与采用谐波扩频调制技术。提高载波频率主要是通过将载波频率提高至人耳不敏感频带甚至超过20000Hz以上，由此消除高频振动噪声对人耳的影响。实践证明，提高载波频率提高声学性能的同时会使得逆变器长期处于一个高功率状态，不利于系统的经济性和稳定性；而谐波扩频调制技术是基于帕斯维尔(Parseval)原理，即谐波信号在时域和频域内的能量保持恒定，通过扩大谐波信号在频域的分布范围，以达到降低谐波幅值的效果。谐波扩频调制技术可以将原本固定的载波频率以一定的形式、在一定范围内进行波动；波动形式可以分为基于周期信号、离散随机信号和混合信号等类型；波动范围被称为扩频宽度。周期信号的谐波扩频调制随着扩频宽度的增加，谐波赋值抑制趋于饱和，优化效果有限；离散型随机信号谐波扩频调制对谐波的优化效果较好，但由于本身的随机性导致系统的不确定性提高，控制系统的稳定性较差；而混合信号是将单一的周期性信号与离散的随机信号相结合的谐波扩频技术，既提高了谐波幅值的抑制效果又降低了信号的不确定性提高了控制系统的稳定。

目前，将混合信号载波调制技术与DPWM相结合来提高永磁同步电机系统经济型和效率的研究较少，二者结合可以互相补充不足。因此，本发明亟需一种基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化方法，以解决现有技术中的不足之处。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提出一种基于不连续脉宽调制的永磁同步电机高频声振抑制与效率优化的方法。

为实现上述目的，本发明提供了基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化方法，包括以下步骤：

确定永磁同步电机的脉宽调制数据，所述脉宽调制数据包括脉宽调制方式、载波频率和电流基波频率；

获取相电流和振动噪声信号，并设置扩频范围；

将混合载波调制信号输入所述永磁同步电机，并基于所述扩频范围和所述电流基波频率对边带电流谐波进行抑制，实现基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化。

可选的，确定所述永磁同步电机的脉宽调制数据包括：

所述脉宽调制方式为不连续脉宽调制；

对所述永磁同步电机稳态或瞬态工况下的参数进行分析，获取所述载波频率；

采集所述永磁同步电机的转速和极数，获取波动频率，所述波动频率等于所述电流基波频率。

可选的，获取所述相电流和所述振动噪声信号，并设置所述扩频范围包括：

设置所述永磁同步电机的采样频率；

基于所述采样频率，获取所述相电流和所述振动噪声信号；

将所述相电流和所述振动噪声信号输入所述永磁同步电机进行多工况运行，获取信号频谱图；

基于所述信号频谱图，设置所述扩频范围。

可选的，获取所述混合载波调制信号包括：

根据电流信号的相位角度，获取离散随机信号和周期性锯齿波信号；

基于所述周期性锯齿波信号的谐波扩频调制，将所述边带电流谐波由集中分布变为在所述扩频范围内分布，获取所述周期性锯齿波信号的功率谱密度；

基于所述离散随机信号的谐波扩频调制，将所述边带电流谐波离散且随机分布在所述扩频范围内，获取所述离散随机信号的功率谱密度；

将所述周期性锯齿波信号的功率谱密度和所述离散随机信号的功率谱密度进行叠加，获取混合载波调制信号的功率谱密度，并生成所述混合载波调制信号。

可选的，所述混合载波调制信号的功率谱密度为：

其中，S

可选的，所述载波频率需要满足的条件为：

其中，f

可选的，所述扩频宽度需要满足的条件为：

可选的，所述相电压谐波平均值0时的自相关函数需要满足的条件为：

其中，E[·]表示数学期望因子，U

可选的，将所述混合载波调制信号输入所述永磁同步电机，并基于所述扩频范围和所述电流基波频率对所述边带电流谐波进行抑制，实现基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化包括：

将所述混合载波调制信号输入所述永磁同步电机，使所述永磁同步电机多工况运行，采集所述永磁同步电机的数据信息，所述数据信息包括直流电压、电流信号，交流电压、电流信号以及声振信号；

利用所述扩频范围设置所述混合载波调制信号的上下线，并以所述电流基波频率为所述混合载波调制信号的频率；

基于所述数据信息、所述混合载波调制信号的上下线和所述混合载波调制信号的频率，提高所述永磁同步电机的效率损耗，对所述边带电流谐波进行抑制，获取最优电机高频声振，进而实现基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种基于周期信号与离散随机信号的混合载波调制技术，将周期性锯齿波信号和离散随机信号的谐波扩频调制进行融合，克服了单一载波调制技术的缺陷，能够抑制边带电流谐波，进而抑制高频振动噪声；

(2)常规的DPWM技术将DPWM模块中的载波生成模块设定为固定值，其所生成的载波信号为固定载波频率，而本发明设置有明确的边带电流谐波与振动噪声频谱分布截止频率上、下限，因此载波频率可在一定范围内波动，从而实现谐波能量在边带电流谐波与振动噪声的幅值抑制；

(3)本发明所涉及的不连续脉宽频率调制技术，通过设置明确的调制参数用于量化谐波与声振抑制效果，也就是将扩频宽度设为周期性方波信号的幅值，电流基波频率设为周期性锯齿波信号的频率；将随机程度系数作为随机程度增益，设定适当的随机程度系数可以实现是最优的边带谐波抑制效果。本申请将于不同类型、不同载波频率的永磁同步电机及其控制系统实现最优的抑制效果；

(4)本发明所涉及的不连续脉宽频率调制技术，通过设置明确的调制参数用于量化谐波与声振抑制效果，也就是将扩频宽度设为周期性方波信号的幅值，电流基波频率设为周期性锯齿波信号的频率；将随机程度系数作为随机程度增益，设定适当的随机程度系数可以实现最优的边带谐波抑制效果；本发明将于不同类型、不同载波频率的永磁同步电机及其控制系统实现最优的抑制效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提出的控制原理图；

图3为本发明实施例提出的不同控制技术下永磁同步电机稳态运行的A相电流波形图，其中(a)为DPWM技术下的A相电流波形图，(b)为应用混合载波调制技术后的A相电流波形图；

图4为本发明实施例提出的不同控制技术下的功率谱密度图，其中(a)为DPWM技术下的A相电流的功率谱密度图，(b)为应用混合载波调制技术后的A相电流的功率谱密度图；

图5为本发明实施例提出的不同控制技术下永磁同步电机稳态运行时壳体振动加速度信号频谱图，其中(a)为常规DPWM技术下永磁同步电机稳态运行时壳体振动加速度信号频谱图，(b)为应用混合载波调制技术后的永磁同步电机稳态运行时壳体振动加速度信号频谱图；

图6为本发明实施例提出的不同控制技术下的A计权声压级频谱图，其中(a)常规DPWM技术下的A计权声压级频谱图，(b)为应用混合载波调制技术后的A计权声压级频谱图；

图7本发明实施例提出的混合载波调制技术前后的电机系统损耗对比图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明所研究对象DPWM技术与目前广泛永磁同步电机系统广泛使用的SVPWM技术在声振性能方面具有类似的特征，即在载波频率及其相邻频带内会产生边带谐波分量及声振响应，但搭载DPWM技术时电机控制器的开关次数明显减少，这在降低控制器开关损耗的同时也使得电机声振响应更加恶化，为保留DPWM技术损耗低的优点并优化声振性能差的劣势，本发明提出混合载波扩频调制方法，将其应用于DPWM载波生成模块，该技术在抑制声振的同时并不影响开关损耗，弥补了DPWM技术的不足。

如图1所示，本实施例中提供基于不连续脉宽调制的永磁同步电机声振与损耗优化方法，图2是本发明的永磁同步电机搭载空间矢量脉宽调制技术的控制原理示意图，控制系统包括DPWM模块和双闭环控制回路，一个是q轴控制回路，另一个是d轴控制回路；永磁同步电机的目标转速被转化为旋转角速度ω

该方法包括以下步骤：

步骤一、确定永磁同步电机及其控制系统的脉宽调制方式、载波频率以及电流基波频率；

脉宽调制方式采用不连续脉宽调制。

获得永磁同步电机及其控制系统的载波频率有三种方式：第一种是采集永磁同步电机稳态或瞬态工况下的三相电流，将采集到的电流时域信号转化为频域信号，经过相电流频谱分析后识别边带谐波成分，从而得到永磁同步电机及控制系统的载波频率；第二种是通过获得原DPWM模块中的载波生成模块的参数，得到永磁同步电机及控制系统的载波频率；第三种是对永磁同步电机稳态或瞬态工况下的振动噪声频谱进行分析得到；

电流基波频率与电机转子极对数和转速相关，采集永磁同步电机的转速即可得到电流基波频率。

步骤二、设置采样频率，得到相电流以及振动噪声信号，并将其输入控制系统中，永磁同步电机多工况下运行，根据经验以及数据的频谱图设定扩频范围；

步骤三、在DPWM控制模块处引入混合载波调制信号，以步骤二中的扩频范围设置混合载波调制的上下限，以电流基波频率为混合载波调制信号的频率，在提高电机系统效率损耗的同时对边带电流进行抑制，优化电机高频声振；

在DPWM技术中的载波生成模块中设定判断模块，根据电流信号的相位角度来输出离散随机性信号或者周期性的锯齿波信号，根据混合信号生成频率变化的载波信号，对谐波幅值进行抑制，在满足效率损耗要求的情况下，调节扩频宽度和随机信号的离散程度使得抑制谐波幅值的程度达到最优。

步骤三的具体内容包括：

基于周期性锯齿波信号的谐波扩频调制，使得边带电流谐波由原来的集中分布变为在扩频宽度范围内分布，进而使得基于周期性锯齿波信号的谐波扩频调制的边带电流谐波的功率谱密度表达式S

其中，n为次数，C

基于离散随机信号的谐波扩频调制，使边带电流谐波离散且随机分布在扩频宽度范围内，进而使得边带电流谐波的功率谱密度表达式S

其中，T

混合载波调制信号为锯齿波和离散随机信号相结合的结果，使得DPWM调制时的载波信号频率处的边带电流扩频到更宽的频带内并随即分布。周期信号为锯齿波信号，随机信号为离散随机信号，按照公式(3)将离散随机信号与锯齿波信号进行叠加。

将公式(1)和(2)进行叠加得到公式(3)的混合载波调制技术的边带电流谐波的功率谱密度表达式S

其中，ω为频率，γ

公式(1)中f

公式(3)中γ

其中，f

式(3)中R

其中，E[·]表示数学期望因子，U

永磁同步电机多种工况运行的情况下，采集永磁同步电机系统直流电压、电流信号，交流电压、电流信号以及声振信号，确定在满足效率要求的情况下声振抑制到最优的效果。

实施例1

利用本发明的方法对一台12槽10极3kW永磁同步电机的高频振动噪声进行抑制，包括以下步骤：

步骤一、确定永磁同步电机及其系统的载波频率和电流基波频率；

原控制系统搭载是固定载波频率DPWM技术，载波频率为8000Hz，因此将永磁同步电机及控制系统的载波频率设为8000Hz；波动频率等于电流基波频率，电流基波频率由电机转速和电机极数共同决定，以永磁同步电机运行转速1000r/min为例，电流基波频率为83.33Hz，即波动频率为83.33Hz；设置永磁同步电机的给定转矩为4N·m；

步骤二、根据经验设定扩频宽度为1000Hz，则边带电流谐波的上、下限以及振动噪声频谱分布截止频率的上、下限分别为7000Hz和9000Hz，表明边带电流谐波的特征频率以及振动噪声的特征频率从原来的8000Hz附近被扩展到7000Hz～9000Hz范围内；将扩频宽度、边带电流谐波的上、下限以及振动噪声频谱分布截止频率的上、下限参数输入到控制系统中，控制系统控制永磁同步电机运行至稳态；

第三步、在DPWM模块的载波生成模块中按照公式(3)将离散随机信号与周期性方波信号进行叠加，即可实现载波频率在振动噪声频谱分布截止频率附近的随机波动，进而生成混合载波波动信号，并将混合载波波动信号作用于DPWM模块的载波生成模块，对边带电流谐波进行抑制；

永磁同步电机稳态或瞬态工况条件下，采集永磁同步电机的相电流信号与振动噪声信号，经频谱分析后得到边带电流谐波的幅值和高频振动噪声的幅值；调节扩频宽度和随机程度增益，当边带电流谐波的幅值最小时，达到最优抑制效果；本实施例中当扩频宽度为1000Hz，离散随机程度增益为0.56时，抑制效果最佳。

试验结果：

分别利用DPWM技术(固定载波频率为8000Hz)和混合载波调制技术后的DPWM技术对该永磁同步电机进行控制，利用霍尔电流传感器测得两种控制技术下永磁同步电机稳态运行时的A相电流；图3(a)为DPWM技术下的A相电流波形图，由于存在边带电流谐波，电流波形呈现出小的畸变，或称为“毛刺”现象；图3(b)为应用混合载波调制技术后的A相电流波形图，结果表明边带电流谐波得到有效抑制，“毛刺”现象显著削弱。

图4(a)为DPWM技术下的A相电流的功率谱密度图，边带电流谐波的功率谱密度集中于8000Hz附近，峰值为-25dB/Hz；图4(b)为应用混合载波调制技术后的A相电流的功率谱密度图，边带电流谐波的功率谱密度被扩展到7000Hz和9000Hz范围内，幅值被抑制到-50dB/Hz以下，8000Hz附近的功率谱密度的幅值被抑制到-45dB/Hz以下。

图5(a)为常规DPWM技术下永磁同步电机稳态运行时壳体振动加速度信号频谱图，谐振频谱主要集中在8000Hz附近，主要阶次的振动加速度幅值均高于0.05m/s2，峰值约为0.18m/s2；图5(b)为应用混合载波调制技术后的永磁同步电机稳态运行时壳体振动加速度信号频谱图，谐振频谱被扩展至7000Hz和9000Hz，振动加速度幅值被抑制到0.02m/s2以下，原8000Hz附近的功率谱密度幅值抑制到0.01m/s2以下。

图6是永磁同步电机稳态运行时高频辐射噪声(用A计权声压级频谱表示)的抑制效果对比图，辐射噪声频谱分布与壳体振动加速度信号频谱分布呈现出较强的关联性；图6(a)为常规DPWM技术下的A计权声压级频谱图，8000Hz附近的A计权声压级位于45dBA以上，峰值接近55dBA；图6(b)应用混合载波调制技术后的A计权声压级频谱图，噪声频谱被扩展至7000Hz和9000Hz，A计权声压级被抑制到35dBA以下，原8000Hz附近的A计权声压级被抑制到30dBA以下。

图7为永磁同步电机系统在应用混合载波调制前后各部分损耗的对比柱状图，能够看出电机铜损几乎没有变化，但是铁损略有提高，这是因为混合载波调制虽然使得电流谐波幅值降低，但底带电流谐波更加丰富使得电机磁滞损耗和涡流损耗变多，但总体而言损耗的增加较小，在牺牲部分损耗的同时极大的优化了不连续脉宽调制下电机的NVH性能，说明该方法可以应用。

综上所述，本发明提出的基于混合载波调制的永磁同步电机高频振动噪声抑制方法，可以有效地抑制边带电流谐波，进而有效抑制高频振动噪声；可通过改变扩频宽度和随机程度系数实现最优抑制效果，具有较高的可控性、可移植性等优点，对电动汽车动力传动系统的经济性、整车层面的NVH性能以及抗电磁干扰性能有明显的工程价值。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。