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振动电机调频范围

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)、湖南大学电气与信息工程学院的研究人员刘和平、刘庆、张威、苗轶如、刘平,在2019年第7期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“电动汽车用感应电机削弱振动和噪声的随机PWM控制策略”)指出,采用随机开关频率脉宽调制(RFPWM)策略可使电流频谱特性趋于均匀,从而削弱电机的电磁振动和噪声。电动汽车用感应电机的固有频率较低,一般在0.6~5kHz之间,所以仅用RFPWM策略效果不明显。

该文提出了电流谐波频谱整形结合RFPWM的矢量控制策略: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,并设计电流谐波频谱整形算法对其抑制,均匀其频谱特性,从而有效削弱了电机的电磁振动和噪声。最后对所提出的控制策略进行了理论分析和仿真验证,并搭建了10kW电动汽车用感应电机对拖实验平台,通过分析控制器电流以及电机振动的数据,验证了控制策略的有效性和可行性。同时该控制策略不需要对硬件做出修改,具有很好的实用性。

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电磁振动和噪声,因此减小感应电机的电磁振动和噪声十分必要。

感应电机驱动系统的核心为采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术的逆变器,通常由控制芯片和功率开关器件构成。根据脉宽调制原理,逆变器输出的电流中包含开关频率的倍频及其边频带的谐波。这类谐波具有高频、带宽窄的特性,会引起电机振动,产生窄带噪声,使人感到不适。提高开关频率(例如开关频率高于20 kHz)可以抑制这种噪声,但是会增加开关损耗而不被广泛采用。

随机调制技术将随机变量引入到逆变器的控制单元,当开关信号随机变化时,根据统计通信原理,由该开关信号控制的功率器件,将改善集中在开关倍频谐波频谱的能量分布,分散谐波能量,使之具有更宽的带宽,从而达到减小高频噪声的目的。振动电机调频范围

共振是引起电机振动的主要原因,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,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。

为了实现随机调制技术,国内外的研究人员相继提出了一些调制策略。

有学者采用随机零矢量的调制策略,控制算法简单,但在高压情况下频谱分布不均匀。有学者采用随机开关频率调制策略,高压频谱得到改善,但仅采用三种开关频率,频谱分布不理想。有学者采用消除特定频率谐波的随机开关频率的方法,均匀频谱分布的同时考虑了共振的影响,但开关频率范围内的低频频率过低,输出电流纹波过大。有学者采用频谱整形的随机开关频率策略,应用对象为开关磁阻电机,且没有对谐波和共振的关系进行详细的讨论。振动电机调频范围本文针对电动汽车感应电机矢量控制系统,提出了一种电流谐波频谱整形结合随机调制技术的控制策略,该控制策略在均匀电流频谱特性的同时削弱了电机的共振。通过有限元仿真得到了电机的固有频率,基于此固有频率设计了电流谐波整形算法,通过仿真和实验,验证了本文所提出控制策略的有效性。

图5 感应电机矢量控制系统框图
图8 电动汽车用感应电机对拖实验平台
图10 感应电机振动实验

结论

本文针对电动汽车用感应电机矢量控制系统,在随机化开关频率脉宽调制技术的基础上,提出了带有电流谐波频谱整形环节的RFPWM控制策略。理论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,减小开关频率整数倍谐波能量幅值,同时能够抑制电机共振频率范围内的电流谐波,削弱电机的共振。该控制策略不需要修改系统硬件、改变调节器参数,不影响矢量控制系统性能,具有很好的通用性。

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