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
阅读说明：本技术 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 (Mixed carrier modulation-based high-frequency vibration noise suppression method for permanent magnet synchronous motor ) 是由 邱子桢 陈勇 成海全 张黎明 魏长银 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明为一种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,包括第一步、确定永磁同步电机及控制系统的载波频率和电信号基波频率；第二步、设定扩频宽度,得到边带电流谐波的上、下限以及振动噪声频谱分布截止频率的上、下限,并将这些参数输入到控制系统中,永磁同步电机运行至稳态；第三步、在控制系统的SVPWM模块的载波生成模块中引入周期性信号,将扩频宽度设为周期性信号的幅值,电信号基波频率设为周期性信号的频率；在SVPWM模块的载波生成模块中引入随机信号,将随机程度系数作为随机程度增益；随机信号与周期性信号进行叠加生成混合载波波动信号,并作用于SVPWM模块的载波生成模块,对边带电流谐波进行抑制。(The invention relates to a method for suppressing high-frequency vibration noise of a permanent magnet synchronous motor based on mixed carrier modulation, which comprises the following steps of determining carrier frequency and electric signal fundamental wave frequency of the permanent magnet synchronous motor and a control system; secondly, setting a spread spectrum width to obtain an upper limit and a lower limit of a sideband current harmonic wave and an upper limit and a lower limit of a vibration noise frequency spectrum distribution cut-off frequency, inputting the parameters into a control system, and enabling the permanent magnet synchronous motor to operate to a stable state; thirdly, introducing a periodic signal into a carrier generation module of an SVPWM module of the control system, setting the spread spectrum width as the amplitude of the periodic signal, and setting the fundamental wave frequency of the electric signal as the frequency of the periodic signal; introducing a random signal into a carrier generation module of the SVPWM module, and taking a random degree coefficient as a random degree gain; and the random signal and the periodic signal are superposed to generate a mixed carrier wave signal, and the mixed carrier wave signal acts on a carrier generation module of the SVPWM module to inhibit the harmonic waves of the sideband current.)
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，尤其涉及一种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。
背景领域
凭借高功率/转矩密度、高转速区间、高效率以及优良的动态响应等特点，永磁同步电机已被广泛用于电动汽车驱动系统。由于永磁同步电机及其控制系统所引入的电磁振动噪声，对动力传动系统的可靠耐久性、整车层面的NVH(Noise，Vibration&Harshness)性能具有重要影响，特别是电机控制系统搭载空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse-width Modulation，SVPWM)技术后，使主控电路的功率逆变器在运行过程中产生高频的谐波电压和谐波电流(或称边带谐波)，所产生的高频谐波磁场与永磁体磁场相互作用，导致电机系统产生高频振动与辐射噪声，这种高频振动噪声的频率分布于载波频率(或称开关频率)及整数倍附近，因而又被称为边带电磁振动噪声或开关电磁振动噪声。为了实现电机控制系统的高功率输出，大多数SVPWM技术将载波频率设定在5000Hz-10000Hz，此频率位于人耳的敏感频带范围内，会令乘驾人员产生不适感，因此亟需采取措施以抑制高频振动噪声。
抑制永磁同步电机高频振动噪声的方法主要有两种方式：提高载波频率与运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，该方法虽然能够有效削弱高频振动噪声对乘驾人员的影响，但是由于硅基的功率器件长时间处于高频工作状态时，会使逆变器开关损耗明显增加，降低电机系统的工作效率。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和离散随机信号的两种类型；波动范围被称为扩频宽度。其中，基于周期信号的谐波扩频调制，随着扩频宽度的增加，抑制效果趋向于饱和；基于离散随机信号的谐波扩频调制的抑制效果优于周期扩频调制，但常用的随机数生成策略方式主要基于数学计算生成方法，即伪随机数生成方法，这会使随机数产生过程中无法避免的产生连续多个随机数大于或小于平均数学期望，进而使载波频率表现出波动不均衡性，使逆变器产生额外的开关损耗；且较大扩频宽度的随机化，会使电机控制系统的谐波含量增加，控制系统的鲁棒性降低。
目前，基于谐波扩频调制技术的抑制方式均是通过单一的谐波扩频调制技术实现，无法克服各自的缺点，抑制效果不佳。
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，提供一种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。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种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，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步、确定永磁同步电机及控制系统的载波频率和电信号基波频率；
第二步、根据经验设定扩频宽度，得到边带电流谐波的上、下限以及振动噪声频谱分布截止频率的上、下限，并将这些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、在控制系统的SVPWM模块的载波生成模块中引入周期性信号，并在控制系统中将第二步得到的扩频宽度设为周期性信号的幅值，将第一步得到的电信号基波频率设为周期性信号的频率；
在SVPWM模块的载波生成模块中引入随机信号，在控制系统中将随机程度系数作为随机程度增益；随机信号与周期性信号进行叠加生成混合载波波动信号，并将混合载波波动信号作用于SVPWM模块的载波生成模块，对边带电流谐波进行抑制；调节扩频宽度和随机程度增益，当边带电流谐波的幅值不再降低时，则达到最优抑制效果。
所述周期性信号为方波信号，随机信号为离散随机信号，按照公式(7)将离散随机信号与方波信号进行叠加；
式(7)中，fm为周期性方波信号的频率，E为数学期望因子，f为边带电流谐波频率，β为周期性方波信号的调制因子，SH(f,β)为基于周期性方波信号的谐波扩频调制的边带电流谐波功率谱密度表达式，Re为随机程度系数，SH *(f,β)为SH(f,β)的复共轭函数，j为复数的虚部。
第三步的具体内容包括：
3-1、基于周期性方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方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SH(f,β)满足公式(1)：
式(1)中，f为边带电流谐波频率；β为周期性方波信号的调制因子；Cn为边带电流谐波的幅值；fc为载波频率；n＝1,2,3…，表示载波频率的整数倍；δ为特征函数；J为第一类贝塞尔函数；J0为第一类贝塞尔函数的0阶表达式；k为第一类贝塞尔函数的阶数，Jk为第一类贝塞尔函数的第k阶表达式；
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SR(f,T)满足公式(2)；
式(2)中，T为随机载波频率切换周期；
公式(2)中S(f)、E[S(f)]、E[|S(f)|2]满足公式(3)～(5)：
公式(4)和(5)中，P(T)为概率密度，且满足公式(6)；
3-2、将公式(1)和(2)进行叠加得到公式(7)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SN(f,β)，并生成混合载波波动信号，将混合载波波动信号作用于SVPWM模块的载波生成模块，对边带电流谐波进行抑制；
3-3、在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；当边带电流谐波的幅值最小时，达到最优抑制效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(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，将周期性方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SVPWM技术将SVPWM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；而本申请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)本发明所涉及的混合载波调制技术，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，电信号基波频率设为周期性方波信号的频率；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。本申请将扩频宽度、随机化程度等参数进行了量化，便于不同类型、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)本发明采用负反馈控制的双闭环控制回路，使载波频率随新的混合信号波动，从而实现永磁同步电机在原控制效果的基础上实现边带电流谐波以及高频振动噪声的抑制。本发明相对于其他谐波与声振抑制方法，可以有效改善抑制效果、不均衡性、不可控性以及饱和效应等缺陷。本发明所涉及的混合载波调制技术，不限于方波信号与离散随机信号，可推广至其他周期性信号与其他形式的随机信号，例如Markov随机信号等。
附图说明
图1是本发明的控制原理图；
图2是本发明的整体流程图；
图3(a)为常规SVPWM技术下的A相电流波形图；
图3(b)为应用本申请的混合载波调制技术后的A相电流波形图；
图4(a)为常规SVPWM技术下的A相电流的功率谱密度图；
图4(b)为应用本申请的混合载波调制技术后的A相电流的功率谱密度图；
图5(a)为常规SVPWM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；
图5(b)为应用本申请的混合载波调制技术后的永磁同步电机稳态运行时壳体的振动加速度信号频谱图；
图6(a)为常规SVPWM技术下的A计权声压级频谱图；
图6(b)应用本申请的混合载波调制技术后的A计权声压级频谱图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方法对本发明的技术方案进行详细说明，并不用于限定本申请的保护范围。
本发明为一种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(简称方法，参见图1-6)，图1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SVPWM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ωref，作为q轴控制回路的输入信号，d轴控制回路的初始输入信号为0；经过电机的转速与相电流PI调节，生成永磁同步电机旋转坐标系下的d轴、q轴电压分量ud和uq；ud和uq经过Park逆变换后被转化为永磁同步电机定子坐标系下的α轴、β轴电压分量uα和uβ，将uα和uβ作为SVPWM模块计算的基准参考电压矢量；SVPWM模块中包含载波生成模块、扇区判定模块、矢量作用时间模块、过调制模块、电压矢量切换时刻模块以及PWM信号生成模块；SVPWM模块生成的PWM信号输出至逆变器的主控电路，逆变器输出的电压信号作用于永磁同步电机(PMSM)；双闭环控制回路属于负反馈控制，包括永磁同步电机三相电流反馈与位置信号反馈；永磁同步电机A、B、C三相电流ia、ib和ic由电流传感器采集得到，ia、ib和ic经过Clark变换后得到永磁同步电机定子坐标系中的α轴、β轴电流分量iα和iβ；iα和iβ经过Park变换后得到永磁同步电机旋转坐标系中的d轴、q轴电流分量id和iq，id和iq与原输入信号进行比较并补偿；位置信号由安装在永磁同步电机上的位置传感器采集得到，并将位置信号转化为旋转角度θ，对旋转角度进行积分后得到旋转角速度，并与初始输入的旋转加速度进行比较并补偿。
该方法包括以下步骤：
第一步、确定永磁同步电机及控制系统的载波频率和电信号基波频率；
通常情况下有三种方式可以获得永磁同步电机及控制系统的载波频率；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SVPWM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；
电信号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信号基波频率。
第二步、根据经验设定扩频宽度，进而得到边带电流谐波的上、下限以及振动噪声频谱分布截止频率的上、下限，并将这些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、在控制系统的SVPWM模块的载波生成模块中引入周期性方波信号，并在控制系统中将第二步得到的扩频宽度设为周期性方波信号的幅值，将第一步得到的电信号基波频率设为周期性方波信号的频率；
在SVPWM模块的载波生成模块中引入离散随机信号，设定随机程度系数作为随机程度增益；按照公式(7)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上、下限内的随机波动，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SVPWM模块的载波生成模块，对边带电流谐波进行抑制；调节扩频宽度和随机程度增益，当边带电流谐波的幅值不再降低时，则达到最优抑制效果；
式(7)中，fm为周期性方波信号的频率，E为数学期望因子，f为边带电流谐波频率，β为周期性方波信号的调制因子，SH(f,β)为基于周期性方波信号的谐波扩频调制的边带电流谐波功率谱密度表达式，Re为随机程度系数，SH *(f,β)为SH(f,β)的复共轭函数，j为复数的虚部。
第三步的具体内容包括：
3-1、基于周期性方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方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SH(f,β)满足公式(1)：
式(1)中，f为边带电流谐波频率；β为周期性方波信号的调制因子，与周期性方波信号的幅值和频率相关，β的取值与周期性方波信号的幅值成正比，与周期性方波信号的频率成反比；Cn为边带电流谐波的幅值；fc为载波频率；n＝1,2,3…，表示载波频率的整数倍；δ为特征函数；；J为第一类贝塞尔函数，可用雅克比等式表示，随着函数阶数的增加，J的取值减小并趋近于定值；J0为第一类贝塞尔函数的0阶表达式；k为第一类贝塞尔函数的阶数，Jk为第一类贝塞尔函数的第k阶表达式；
由公式(1)可以得出以下结论，基于周期性方波信号的谐波扩频调制，可以有效减小边带电流谐波的幅值；边带电流谐波的分布形式发生改变，由原先的相对集中分布变为在扩频宽度范围内分布，且变化周期与周期性方波信号的周期相同；随着扩频宽度的增加，β的值增加，J的取值减小，边带电流谐波得到抑制；当扩频宽度增加到一定值之后，J的取值趋近于定值，边带电流谐波抑制效果趋近于饱和。
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SR(f,T)满足公式(2)；
式(2)中，T为随机载波频率切换周期；S*(f)为S(f)的复共轭函数；Re为随机程度系数；j为复数的虚部；
公式(2)中S(f)、E[S(f)]、E[|S(f)|2]满足公式(3)～(5)：
公式(4)和(5)中，P(T)为概率密度，且满足公式(6)；
由公式(3)-(6)可以得出以下结论，基于离散随机信号的谐波扩频调制，可以将原本相对集中的边带电流谐波离散且随机地分布在扩频宽度范围内；扩频宽度由随机程度系数Re决定，随着Re值增大，边带电流谐波得到进一步抑制；边带电流谐波的抑制程度受数学期望因子E的影响，由于伪随机数生成过程中的随机性能不可控制，E的取值出现不确定性，进而导致边带电流谐波抑制效果不均衡；
3-2、结合上述单一谐波扩频调制技术，本发明提出一种基于周期性方波信号与离散随机信号的混合载波调制，混合载波调制的边带电流谐波的功率谱密度表达式SN(f,β)满足公式(7)；
式(7)中，SH *(f,β)为SH(f,β)的复共轭函数；
本申请的混合谐波扩频调制可以进一步抑制边带电流谐波，从而实现对高频振动噪声的进一步抑制；在周期性方波信号上叠加离散随机信号，可以使随机性能得到改善，边带电流谐波的抑制效果更为均衡；
3-3、在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，对抑制效果进行判定，当边带电流谐波的幅值最小时，抑制效果最优，此时高频振动噪声的幅值也最小；若不是最优，则通过更改扩频宽度和随机程度增益，以达到最优抑制效果。
实施例1
利用本申请的方法对一台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：
第一步、确定永磁同步电机及控制系统的载波频率和电信号基波频率；
原控制系统搭载是固定载波频率SVPWM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；波动频率等于电信号基波频率，电信号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，电信号基波频率为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；
第二步、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SVPWM模块的载波生成模块中引入周期性方波信号，在控制系统中设定周期性方波信号的幅值为1000Hz，将电信号基波频率设为周期性方波信号，即周期性方波信号的频率为83.33Hz；
在SVPWM模块的载波生成模块中引入离散随机信号，设定随机程度系数作为离散随机程度增益；按照公式(7)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SVPWM模块的载波生成模块，对边带电流谐波进行抑制；
在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0.64时，抑制效果最佳。
试验结果：
分别利用常规SVPWM技术(固定载波频率为8000Hz)和本申请的混合载波调制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)为常规SVPWM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)为应用本申请的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)为常规SVPWM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)为应用本申请的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SVPWM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)为应用本申请的混合载波调制技术后的永磁同步电机稳态运行时壳体的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SVPWM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)应用本申请的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。
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。所述方法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可靠耐久性、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。
本发明未述及之处适用现有技术。
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