基于全频域电流谐波抑制的永磁同步电机电磁噪声控制

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车用电机尖锐的电磁噪声会影响车辆的舒适性,恶化驾乘人员的出行体验。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machines,PMSM)电磁噪声的产生受电流谐波的影响。电机逆变器的固有非线性特性和电控系统的调制策略,使得全频域范围内电磁噪声谐波复杂。因此在人耳可听频域范围(20~20000Hz)内电磁噪声问题凸显,亟需有效的抑制策略。为此,本文提出了基于电流谐波抑制的永磁同步电机全频域电磁噪声抑制策略。研究内容和成果主要分为以下三部分:(1)永磁同步电机电流谐波来源与特征分析。首先,分析了电机控制器引入的时间谐波和电机本体结构引入的空间谐波特征,建立了考虑时空谐波影响的永磁同步电机谐波数学模型和基础控制模型。然后,建立了永磁同步电机控制-电磁有限元联合仿真模型,分析了电流谐波对电磁力、转矩脉动及电磁噪声的影响。研究结果表明:低次电流谐波特征频率为(6k±1)fc,引起6k次转矩脉动,增大2mfc次电磁力分量的幅值,从而恶化振动噪声;高频边带电流谐波特征频率为afs±bfc,集中在整数倍开关频率附近,引起高频转矩脉动,增大nfs附近高频电磁力分量的幅值,导致电机产生高频啸叫。其中,k,m,a,b,n为正整数,fs为开关频率,fc为电流基频。(2)永磁同步电机全频域电流谐波抑制策略研究。针对以5、7、11、13次为主的低次电流谐波,提出了基于模型参考自适应系统的谐波注入策略;针对高频边带电流谐波,提出了考虑转子的位置变化的混合开关频率脉宽调制策略。通过稳态和非稳态仿真,对比分析了传统策略和本文所提策略对全频域内电流谐波、电磁力和转矩脉动的抑制效果。研究结果表明:相比于传统谐波注入策略,基于模型参考自适应系统的谐波注入策略能够考虑时变参数的影响,具有更好的低次谐波抑制效果;考虑转子位置变化的混合开关频率脉宽调制策略,能够考虑电机端对脉宽调制的影响,实现了更好的扩频分散效果;全频域电流谐波的抑制能够降低电磁力和转矩脉动,进而实现全频域电磁噪声的抑制。(3)永磁同步电机全频域电磁噪声抑制效果实验验证。搭建了电机控制和驱动软硬件系统,并在稳态、非稳态、空载和负载各工况下开展了电机三相电流、振动和噪声的采集实验,验证了本文所提出的全频域电流谐波抑制策略在削弱电磁噪声方面的效果。实验结果表明:本文所提策略在各个工况下均可实现对全频域主要阶次电流谐波的抑制,不仅抑制了低频振动噪声,并且显著抑制了高频振动和电磁啸叫。
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