阅读说明：本技术 用于bldc电机的噪声减小的方法及控制单元 (Method and control unit for noise reduction of BLDC motor ) 是由 T.拉斯科迪 P.西拉吉 T.鲁博夫卡克 于 2019-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于控制无刷DC电机(100)的方法(500),其中,电机(100)包括具有N个磁体(102)的转子和具有M个定子极(103)的定子。方法(500)包括确定(501)转子相对于定子的转子位置(307)。此外,方法(500)包括根据转子位置(307)来修改(502)用于使用定子产生旋转磁场的定子电流,使得由电机(100)在转速(351)的K次谐波下引起的声学噪声减小,其中,K是N和M的最小公倍数或其倍数。(The invention relates to a method (500) for controlling a brushless DC motor (100), wherein the motor (100) comprises a rotor with N magnets (102) and a stator with M stator poles (103). The method (500) includes determining (501) a rotor position (307) of the rotor relative to the stator. Furthermore, the method (500) comprises modifying (502) a stator current for generating a rotating magnetic field using the stator as a function of the rotor position (307) such that acoustic noise caused by the electric machine (100) at a K harmonic of the rotational speed (351) is reduced, wherein K is the least common multiple of N and M or a multiple thereof.)

用于BLDC电机的噪声减小的方法及控制单元

技术领域

本文件针对无刷DC（BLDC）电机。特别地，本文件针对减小由BLDC电机产生的噪声。

背景技术

BLDC电机用于各种不同的应用中，尤其是由于它们相对高的功重比。然而，BLDC电机的一个可能的缺点是在BLDC电机的运行期间产生噪声。可使用特殊的电机设计来减小噪声。然而，此类电机设计可增加BLDC电机的成本。

发明内容

本文件针对以成本有效的方式减小由BLDC电机产生的噪声。该技术问题通过每个独立权利要求的主题解决。在从属权利要求、以下描述和附图中描述了优选的实例。

根据一个方面，描述了一种用于控制无刷DC电机的方法，其中，电机包括具有N个磁体的转子和具有M个定子极的定子。该方法包括确定转子相对于定子的转子位置。此外，该方法包括根据转子位置来修改用于使用定子产生旋转磁场的定子电流，使得由电机在电机的转速的K次谐波下引起的声学噪声减小，其中，K是N和M的最小公倍数或其倍数。

根据另一个方面，描述了一种用于控制无刷DC电机的控制单元，其中，电机包括具有N个磁体的转子和具有M个定子极的定子。控制单元被构造成确定转子相对于定子的转子位置。此外，控制单元被构造成根据转子位置来修改用于使用定子产生旋转磁场的定子电流，使得由电机在转速的K次谐波下引起的声学噪声减小，其中，K是N和M的最小公倍数或其倍数。

应注意，方法和系统包括其如本文件中概述的优选实施例可单独使用或与本文件中公开的其他方法和系统组合使用。另外，在系统的背景下概述的特征也可应用于对应的方法。此外，本文件中概述的方法和系统的所有方面均可任意组合。特别地，权利要求的特征可以任意方式彼此组合。

附图说明

下文参考附图以示例性方式解释本发明，其中：

图1a和图1b示出了示例BLDC电机的横截面；

图1c示出了用于控制BLDC电机的示例控制单元；

图2图示了在BLDC电机的定子极处观察到的齿槽转矩；

图3a、图3b和图3c示出了用于运行具有减小的、齿槽转矩诱导的噪声的BLDC电机的示例控制方案；

图4a和图4b图示了注入于控制回路中以用于减小齿槽转矩诱导的噪声的注入电流；

图4c图示了修改的同步位置，其用于控制BLDC电机的控制方案的Park变换或直接-正交-零（Direct-quadrature-zero）变换；

图5示出了用于控制BLDC电机的示例方法的流程图；

图6a图示了修改的目标电流和对应的测量电流；

图6b图示了在不使用和使用注入电流的情况下定子电流的不同相位；

图7图示了在不使用和使用对同步位置的修改的情况下定子电流的不同相位；

图8a图示了在不使用和使用对同步位置的修改的情况下的目标电压；以及

图8b图示了在不使用和使用对同步位置的修改的情况下定子电流的不同相位。

具体实施方式

如上文所指示的，本文件针对减小由BLDC电机产生的噪声。在该背景下，图1a示出了示例BLDC电机100的横截面，该BLDC电机具有旋转轴101和附接到旋转轴101的转子。转子包括数目为N的永磁体102。在所图示的示例中，N=8。转子的永磁体102可布置成以交替的方式展现朝向电机100的定子的北极和南极。图1a的电机100包括具有M=12个定子齿或定子极103的定子。定子极103各自包括线圈，该线圈被构造成在相应的定子极处产生磁场。可通过将不同相位的定子电流施加通过定子极103的线圈来产生旋转磁场。

图1b示出了图1a的节选部分。特别地，图1b示出了转子的磁体102，该磁体沿稳定轴线105与定子极103对齐。通常，存在位于转子磁体102和定子极103之间的气隙104。通过气隙104的适当设计，可减小由BLDC电机100的运行产生的噪声。

如果转子磁体102沿稳定轴线105与定子极103对齐，则转子磁体102通常处于稳定位置中。因此，存在将转子磁体102拉入稳定位置中的磁力。由于该力，在电机100的运行期间，每当转子磁体102经过定子极103时，总是产生齿槽转矩。图2图示了作为轴101的旋转角度210的函数（即，作为转子位置的函数）的在定子极103处产生的转矩211。特别地，图2（上区段）图示了转矩函数201，其指示作为轴101的旋转角度210的函数的齿槽转矩211。此外，图2（中间区段）图示了恒定的负载转矩202。另外，图2（下区段）图示了齿槽转矩201和负载转矩202的叠加203。能够看出，齿槽转矩201基本上在转子磁体102通过定子极103的稳定轴线105的角度212处发生显著变化。

齿槽转矩201可导致轴101的振动，且因此导致正使用电机100的应用件（例如，家用电器）的振动。振动可导致噪声的产生。

齿槽转矩力的幅值是基本波形次数的函数，其是定子极或齿103与转子磁体102重叠的结果。基本波形次数K是定子极103的数目M与转子磁体102的数目N之间的最小公倍数。在所图示的示例（其中M=12且N=8）中，最低公倍数是K=24（24能够除以12和8）。可通过增加最小基本波形次数的值K和/或通过减小定子极103和/或转子磁体102的数目来减小齿槽转矩力的幅值。因此，可通过电机100的适当硬件设计来减小齿槽转矩力的幅值。

在本文件中描述了控制方案，所述控制方案针对通过对BLDC电机100的适当（速度）控制来减小齿槽转矩力。图3a示出了可用于控制BLDC电机100的示例控制方案300。可使用模拟和/或数字硬件（例如，使用微处理器）来实施控制方案300。图1c示出了被构造成控制BLDC电机100的示例控制单元110。控制单元110可被构造成确定来自电机100的一个或多个传感器111的传感器信号。所述传感器信号可指示电机100的轴101的转速。替代地或另外，所述传感器信号可指示电机100的转子相对于定子的位置。此外，所述传感器信号可指示通过定子极103的线圈的实际定子电流。控制单元110可被构造成实施本文件中所描述的控制方案中的一个或多个控制方案。

图3a的控制方案300针对控制电机100的转速ω。使用传感器111感测电机100的实际速度，并将该实际速度与目标速度进行比较，由此提供速度误差信号或速度偏差301。使用速度调节器302，尤其是PI（比例，积分）调节器，可确定目标电流305（在DQ参考系的q轴中）。通常，目标电流305对应于速度调节器302的输出303。

将目标（定子）电流305与测量的（定子）电流306（在静止DQ参考系的q轴中）进行比较，由此提供电流误差信号或电流偏差308（在q轴中）。以类似的方式，将目标电流309（在d轴中）与测量电流310（在d轴中）进行比较，以提供电流误差信号或电流偏差311（在d轴中）。通常，如果将一个或多个永磁体102用于转子，则目标电流309（在d轴中）为零。使用调节器313、312，相应的电流误差信号311、312分别被变换为控制电压U_d（在d轴中）和U_q（对于q轴）。使用Park变换单元314（其考虑到转子的瞬时或同步位置307）和随后的Clarke变换单元316或使用组合的直接-正交-零变换，可确定用于电机100的定子的三个相位的控制电压U_a、U_b、U_c（在ABC参考系中）。控制电压U_a、U_b、U_c指示用于三个相位的AC电压的幅值。使用逆变器（未示出），可产生用于三个相位的AC电压，由此以一定的目标速度运行电机100。AC电压具有对应于目标速度的频率。

为了至少部分地补偿齿槽转矩，可修改由调节器302提供的输出电流303的幅值。特别地，可将注入电流304加到调节器302的输出电流303，由此提供修改的目标电流305。注入电流304的幅值依赖于转子的同步位置307。图3a示出了注入电流确定单元317，其被构造成确定注入电流I_Inj 304的值，如

，

其中θ是同步位置307，n是谐波次数，且A_n是谐波次数n的幅值。可针对特定类型的电机100确定幅值A_n，其中，仅对于作为基本波形次数K/T的倍数的n，幅值A_n可以是非零，其中，T是电机100的极对的数目。可基于测量转矩函数201来确定注入电流I_Inj 304，该测量转矩函数指示作为特定电机100的同步位置307的函数的齿槽转矩211。特别地，可基于转矩函数201的反或补函数来确定注入电流I_Inj 304。

如上文所指示的，齿槽转矩201通常以对应于K乘以电机100的转速ω（或其倍数）的频率出现。电机100可包括大于一个极对。在图1a的示例中，电机包括T=4个极对（其中，使用两个磁体102提供每个极对，使得T=N/2）。为了产生轴101的一次完整旋转，旋转磁通量执行T次旋转。换句话说，由于电机100的T个极对，轴101的机械转动或演化（revolution）的持续时间是电气演化的T倍。因此，如果齿槽转矩产生噪声，该噪声是机械频率ω的K次谐波次数，则需要注入频率被减小倍数T的注入电流I_Inj 304以便消除对应的机械频率Kω。因此，注入电流I_Inj 304通常（仅）包括项，n=K/T（或其倍数）。

在示例中，可在训练阶段期间以迭代方式调整幅值A_n以便确定注入电流I_Inj 304，该注入电流减小、尤其是最小化齿槽转矩201和/或由齿槽转矩201引起的声学噪声。为此目的，可使用传感器来感测电机100的轴101和/或壳体处的振动和/或由电机100引起的声学噪声的水平。传感器可直接安装到电机100上，例如安装在电机100的壳体或轴101上。传感器可包括加速度计。可将由传感器提供的传感器数据称为振动数据。

可设定一个或多个项的幅值A_n，并且可使用传感器来确定对应的振动数据。可基于振动数据来调整一个或多个项的幅值A_n，以便减小或最小化振动和/或声学噪声的量。然后可在电机100的运行期间使用一个或多个项的幅值A_n（这些幅值减小或最小化振动和/或声学噪声），以产生注入电流I_Inj 304并由此向电机100提供减小的振动和/或声学噪声。

通过将注入电流I_Inj 304注入到目标电流I_q（用于q轴）中，注入电流I_Inj 304被均匀地分布到定子电流的所有三个相位中。这抑制了齿槽转矩，由此减小了由电机100产生的声学噪声。图4a图示了作为时间的函数（即，作为同步位置307的函数）的注入电流I_Inj 304的值400。

替代地或另外，可通过分析振动数据来确定一个或多个项的幅值A_n。振动数据可指示作为时间的函数的电机100（例如，电机100的轴101和/或壳体）的振动（例如，加速度）。使用时间-至-频率变换（诸如，快速傅里叶变换FFT），可确定电机100的振动的功率谱。基于功率谱，能够确定需要消除的一个或多个谐波频率（nω）。此外，可确定一个或多个谐波频率的谱功率的大小。然后，可使用一个或多个谐波频率的谱功率的大小来确定一个或多个项的幅值A_n，该幅值导致振动和/或声学噪声的减小。然后，可在电机100的运行期间（使用一个或多个项的适当的相位和大小）来施加所得的注入电流I_Inj 304。

通常，在电机100的稳态运行期间，目标电流I_q（用于q轴）随时间的推移而基本上恒定。图6a图示了当使用电流注入时的目标电流305、601。此外，图6a图示了当使用电流注入时的测量电流306、602。能够看出，注入电流I_Inj 304导致目标电流305的实质变化。目标电流305的这些变化导致对用于不同相位的控制电压U_a、U_b、U_c的调制，并因此导致对定子电流的不同相位的调制（见图6b，下区段）。图6b的上区段图示了在没有电流注入的情况下的定子电流。能够看出，定子电流的不同相位各自展现出显著的高次谐波（尤其是对于6次谐波分量，即K/T，其中，T是电机100的极对的数目），该高次谐波产生至少部分地消除由电机100产生的声学噪声的转矩。

图3a图示了另一个控制方案330，其利用至Clark变换单元314（即，用于将静止参考系变换到旋转参考系中的dq/αβ变换块）中的注入。通过修改同步位置307来执行注入。控制方案310包括注入余弦电流发生器331，其被构造成使用以下公式产生余弦电流

控制方案还包括注入正弦电流发生器332，其被构造成使用以下公式产生正弦电流

。

基于此，可确定修改的同步位置334，其用于执行Clark变换。应注意，该修改的同步位置334也用于逆变换，执行该逆变换以确定测量电流（在q轴中和d轴中）。

可如上文所概述来确定一个或多个项的幅值A_n。然而，所得的注入电流304可仅被注入到电机100的完整旋转的片段（slice）的子集中。通过示例，360°的完整旋转可被细分为45°的片段。注入电流可仅被注入到这些片段中的一个或多个片段中。

上文提到的对同步位置334的修改具有使用注入电流410进行电流注入的效应，如图4b中所图示的。然而，电流并没有（如在控制方案300中）在同步位置307的整个范围（0至2π）期间注入，而是仅在预定义的片段或节段内注入。图7（下区段）图示了定子电流的不同相位，所述相位是使用控制方案330获得的。

图3c图示了控制方案350，其利用函数353来修改同步位置307。函数353可依赖于电机100的转速ω 351。通过将该函数应用于同步位置307和/或通过使用函数353的输出来偏移同步位置307，可确定修改的同步位置352并且可在Clark变换单元314内使用该修改的同步位置。应注意，该修改的同步位置352也用于逆变换，执行该逆变换以确定测量电流（在q轴中和d轴中）。实际同步位置307的改变使实际电压矢量（包括目标电压）移位。其结果是，定子电流的形状也改变，且因此能够抑制声学噪声。

通过示例，在完整旋转的片段的期间执行对同步位置307的修改，该片段可依赖于马达100的转速351。特别地，所述片段的尺寸可随着转速351的增加而增大。替代地或另外，修改的值（例如，施加到同步位置307的偏移）可依赖于转速351。

图4c（上区段）图示了在不对同步位置307进行修改的情况下同步位置307的时间演化421。此外，图4c（下区段）图示了使用图3c的修改方案的同步位置307的时间演化422。此外，图8a图示了在不对同步位置307进行修改（上区段）和对同步位置进行修改（下区段）的情况下在旋转参考系中的目标电压U_α、U_β。图8b图示了在不对同步位置307进行修改（上区段）和对同步位置进行修改（下区段）的情况下定子电流的三个相位。

图5示出了用于控制无刷DC电机100的示例方法500的流程图。电机100包括具有N个磁体102（尤其是永磁体）的转子和具有M个定子极103的定子。N个磁体102固定在轴101上。磁体102可展现出在相邻的磁体102之间交替的磁性取向。在示例中，N=4、8或更大。M个定子极103通常各自包括用于产生磁通量的线圈。定子极103的线圈可用于产生旋转磁场。为此目的，可使若干组相邻定子极103屈从于多相定子电流（尤其是三相定子电流）的不同相位。在示例中，M=6、12或更大。

方法500包括在时刻t确定501转子相对于定子的转子位置307（本文中也称为同步或瞬时位置）。可使用传感器111（例如，霍尔传感器）来确定转子位置307。通常，转子位置307可在一定范围内（例如，在0和2π之间）变化。通过确定转子位置307，可确定转子的磁体102是否与定子极103一起在稳定轴线105附近。因此，可确定轴101的转子是否屈从于实质的齿槽转矩（对于测量的转子位置307）。这可基于电机100的预定转矩函数201来确定。

此外，方法500包括根据转子位置307来修改502用于产生旋转磁场的定子电流。特别地，可修改定子电流，使得由电机100在电机100的或电机的轴101的转速351的K次谐波下引起的声学噪声减小，其中，K是N和M的最小公倍数或其倍数。

因此，方法500利用对定子电流的根据转子位置的调整来减小齿槽转矩的影响。特别地，可调整定子电流以至少部分地补偿齿槽转矩。

通常针对一系列时刻重复方法500。特别地，可基于实际的转子位置307连续地修改定子电流。这可在反馈控制方案的背景下实现，其中实际的和/或测量的转子位置307用于调整实际控制信号（尤其是实际控制电压U_α、U_β）以用于控制通过定子极103的线圈的定子电流（的不同相位）。

方法500可用于控制轴101的转速351。为此目的，可确定转速351的测量速度与转速351的目标速度的速度偏差301。然后，可使用速度偏差301来调整定子电流的目标值。可在静止参考系内设定和控制目标值，由此使得能够稳定且有效地调节定子电流（且因此调节转速351）。因此，方法500可包括基于速度偏差301并使用调节器302（尤其是PI调节器）来确定静止参考系的q轴上的用于定子电流的目标电流303、305。

可根据转子位置307调整用于定子电流的目标电流303、305，以至少部分地补偿齿槽转矩的声学效应。可根据电机100的齿槽转矩的转矩函数201来执行对目标电流303、305的调整。通过这样做，可实现特别稳健和精确的噪声减小。

方法500还可包括确定q轴上的测量电流306与q轴上的（可能经调整的）目标电流303、305的电流偏差308。可使用电流传感器111来确定测量电流306。此外，可使用调节器312（尤其是使用PI调节器）基于q轴上的电流偏差308来确定用于控制电机100的q轴上的目标电压U_q。q轴上的目标电压U_q可用作用于控制定子电流的控制信号。为此目的，可使用（Park）变换将q轴上的目标电压U_q从静止参考系变换到旋转参考系（尤其是变换到ABC参考系），由此提供待施加到不同定子极103的不同线圈的电压U_a、U_b、U_c（尤其是电压U_a、U_b、U_c的幅值）以用于产生旋转磁通量。

方法500还可包括确定静止参考系的d轴上的测量电流310与d轴上的目标电流309的电流偏差311。可使用电流传感器111来确定测量电流310。当使用转子永磁体102时，d轴上的目标电流309可以是零。此外，方法500可包括基于q轴上的电流偏差311并使用调节器313（尤其是PI调节器）来确定用于控制电机100的d轴上的目标电压U_d。

因此，可在静止参考系内提供目标电压U_q、U_d。可根据（测量的、实际的）转子位置307将这些电压变换到旋转参考系（例如，α、β参考系）中。为此目的，可使用Park变换。

方法500可利用对转子位置307的调整以至少部分地补偿齿槽转矩的声学效应。调整转子位置307可对定子电流（的不同相位）具有与在静止参考系中调整一个或多个目标电压U_q、U_d类似的作用。特别地，当调整转子位置307时，可以有效的方式均匀地调整定子电流的所有相位。

方法500还可包括使用Park变换矩阵将目标电压U_q、U_d从静止参考系变换到ABC参考系以用于控制定子的多个（尤其是三个）相位。Park变换矩阵可依赖于（可能经调整的）转子位置307。

使用上文提到的控制方案，可提供对电机100的稳健且有效的速度控制，而同时补偿齿槽转矩的声学效应。

如上文所概述的，齿槽转矩211通常依赖于转子位置307。这图示于例如图2中。可通过转矩函数201来描述齿槽转矩211的位置依赖性。可针对特定类型的电机100确定转矩函数201，例如使用实验设置。方法500可包括基于转矩函数201来修改502定子电流，使得至少部分地补偿齿槽转矩211。特别地，可基于转矩函数201来执行对目标电流303、305的调整和/或对转子位置307的调整，由此提供对齿槽转矩211的声学效应的有效且稳健的补偿。

方法500可包括针对静止参考系的q轴确定用于定子电流的目标电流303（例如，基于速度偏差301）。此外，方法500可包括使用依赖于转子位置307的注入电流304来修改目标电流303，以提供修改的目标电流305。然后，可基于修改的目标电流305来确定定子电流。

注入电流304可包括以下项中的一个项或多个项之和：

其中θ是转子位置307，n是谐波次数，且A_n是幅值（针对一个或多个不同的谐波次数n）。可基于转矩函数201来确定注入电流304。特别地，至少一个项的幅值可依赖于转矩函数201。此外，注入电流304可包括至少一个项针对n=K/T，其中，T是转子的极对的数目。极对的数目可以是T=N/2。通过这样做，可以有效且稳健的方式补偿齿槽转矩的声学效应。

可使用转矩函数201的谱分析来确定至少一个项的幅值。可使用传感器来确定转矩函数201，该传感器安装在电机100上（例如，安装在电机100的轴101或壳体上）。传感器可被构造成提供振动数据，该振动数据指示电机100的振动和/或由电机100产生的声学噪声。可基于振动数据来确定转矩函数201。因此，可基于振动数据（尤其是基于振动数据的谱分析）来确定至少一个项的幅值。

方法500可包括针对转子的完整旋转（即，范围为0至2π）的至少一小部分（fraction）或片段来修改转子位置307，以提供修改的转子位置334、352。修改转子位置307可包括根据转子的转速351来偏移转子位置307。可基于修改的转子位置334、352来执行将控制信号（尤其是目标电压U_q、U_d）从静止参考系Park变换到用于产生旋转磁场的定子电流的域（domain）中（尤其是变换到ABC参考系中）。通过这样做，可以有效且稳健的方式补偿齿槽转矩的声学效应。

转子的完整旋转可被细分为多个片段。可仅针对多个片段的子集修改转子位置307。可通过在转子的完整旋转的多个片段的子集期间注入电流304的注入来实现对转子位置307的修改。通过这样做，可提高电机100的噪声减小的效率。

此外，描述了用于控制无刷DC电机100的控制单元110。电机100包括具有N个磁体102的转子和具有M个定子极103的定子。控制单元110被构造成确定转子相对于定子的转子位置307。此外，控制单元110被构造成根据转子位置307来修改用于使用定子产生旋转磁场的定子电流，使得由电机100在转速351的K次谐波下引起的声学噪声减小，其中，K是N和M的最小公倍数或其倍数。

本文件中概述的方面使得能够以成本有效的方式减小BLDC电机100的噪声和振动。特别地，不需要附加的传感器111来实施本文件中描述的控制方案300、330、350。此外，不需要硬件修改。

应注意，描述和附图仅仅图示了所提出的方法和系统的原理。本领域技术人员将能够实施各种布置，虽然在本文中未明确描述或示出，但这些布置体现了本发明的原理并且包括在其精神和范围内。此外，本文件中概述的所有示例和实施例主要旨在明确地仅用于解释目的，以帮助读者理解所提出的方法和系统的原理。此外，本文中的提供本发明的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例旨在涵盖其等同物。