《電工技術學報》2019年度優秀論文獲獎論文簡報

《光伏發電出力預測技術研究綜述》等15篇優秀論文入選《電工技術學報》2019年度優秀論文，榮獲中國電工技術學會表彰?，F將部分獲獎論文的文章簡報分享給各位讀者，以期促進本領域的技術交流。

團隊介紹

重慶大學劉和平教授團隊專注于電動汽車電機、電控、電池PACK、分布式充換電儲能柜等的理論研究和產業化。團隊結合工程實際和科學前沿，長期從事新能源汽車驅動控制領域的研究，已形成電動汽車驅動電機本體設計、電控本體設計、電機控制算法優化等多個優勢鮮明的研究方向。

劉和平

1957出生，教授，博士生導師。從事汽車電子、電動汽車動力總成、電力電子與電力傳動等領域的電機設計與電機控制理論和電源變換理論及其工程應用研究。承擔了重慶市科委（重點攻關項目7266-1）“混合動力汽車外掛式ISG電機及其控制系統”、863子項目“50kW鋰電池純電動汽車電機和控制系統研究”等。獲國家教委科技進步二等獎1項，重慶市計算機應用成果二等獎1項。發表科研論文148篇，已經出版譯著和教材18部。擔任多個公司的技術總監、總經理、總工程師多年，具備科技成果產業化的豐富經驗和公司運營管理經驗，長期在企業領導電動汽車動力總成和汽車電子的研發和產業化工作。

研究背景

圖1 電機固有頻率仿真

電機的共振是引起電動汽車噪聲的主要原因，當電流中的諧波頻率與電機的固有頻率相同時會使電機產生共振。電動汽車用感應電機本體的固有頻率較低，一般在0.6~5kHz之間，而隨機調制技術開關頻率范圍在8~12kHz之間，所以僅采用隨機調制技術無法避免電機的低頻共振，因此需要對隨機調制技術以及電機固有頻率范圍內的諧波進行深入研究。

論文方法及創新點

圖2 感應電機矢量控制系統框圖

為了削弱低頻諧波引起的共振，本文在RFPWM的控制方法上加入了諧波頻譜整形算法。如圖2所示。諧波頻譜整形算法作用于電流環，在計算電流誤差的環節引入了帶通濾波器，我們以q軸的電流為例進行分析，d軸的參數與q軸完全相同。在圖5中，將帕克變化之后得到的q軸電流分解為4個部分如式1所示：

因此，能夠引起電機共振的電流諧波就會被消除掉，從而削弱電機的共振。帶通濾波器的傳遞函數如式4所示：

本文中電機1~2階固有頻率的范圍是0.85~1.16kHz，3~4階固有頻率范圍是3.1~3.9kHz?？紤]到控制器的頻率輸出范圍是0~200Hz，電流的19次諧波的頻率才能夠達到3.9kHz，此時電流諧波的幅值很小，引起電機振動的幅值很小，故可忽略其影響，所以僅對電機1~2階的共振進行削弱。

根據以上分析得到濾波器的中心頻率為1025Hz，帶寬為735Hz，將以上參數帶入到式5中，可以得到濾波器的表達式如式5所示。

在實際的控制程序當中，對信號的采集和處理都是離散的，所以將濾波器的傳遞函數轉換為差分序列的形式，如式6所示。

在MATLAB中搭建了電動汽車用感應電機矢量控制系統的模型。固定載波頻率仿真中設定模型開關頻率為10kHz，隨機載波頻率仿真中設定模型開關頻率的中心頻率為10kHz，變化區間為[8~12kHz]。

在仿真過程中設定電機的轉速為3000rpm，負載轉矩30N?m，此時電機線電流交流幅值為183A，取電動汽車用感應電機的A相電流為分析對象，仿真得到的波形如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，固定載波頻率情況下，電流波形的PSD有集中于開關頻率(10、20、30kHz)及其倍頻的窄帶寬諧波簇。

采用RFPWM技術之后，原有的諧波簇被均勻的分散在開關頻率范圍(8~12kHz、16~24kHz)之內，有效的降低了諧波的幅值，如圖3(b)中紅色箭頭區域所示，削弱了電流波形PSD中的窄帶寬諧波簇，從而削弱了電機的振動和噪聲。

圖3 感應電機A相電流的PSD

采用RFPWM控制策略，削弱了感應電機線電流PSD中開關頻率處能量的峰值，但開關頻率在8kHz以上，因此僅采用RFPWM控制策略不能削弱感應電機低頻共振。為了削弱電機低頻共振，本文設計了一種電流諧波頻譜整形算法，仿真得到A相電流波形PSD的低頻部分如圖4所示。

圖4 電機A相電流PSD的低頻波形

在圖4中，提取共振頻率范圍內的波形，將其放大并與沒加入電流諧波頻譜整形算法的波形進行比較。放大部分圖形中藍色虛線表示加入電流諧波頻譜整形算法前的波形，黑色實線表示加入電流諧波頻譜整形算法后的波形。

從圖中可以看出，加入電流諧波頻譜整形算法之后，感應電機線電流PSD中共振頻率范圍內的諧波得到了有效的抑制。因此可以明顯的削弱電機的共振，從而減小電機的噪聲。圖4中右下角部分表示開關頻率范圍內諧波的PSD，該部分諧波仍舊均勻的分布在開關頻率范圍之內，可見加入電流諧波頻譜整形算法不會影響RFPWM的性能。

為了驗證所提出算法的有效性,本文搭建了基于矢量控制策略的感應電機對拖實驗平臺。該平臺采用德州儀器公司的TMS320F28069作為核心處理器、MOSFET作為開關器件，處理器留有接口，可對其進行編程控制。

圖5 電動汽車用感應電機對拖實驗平臺

實驗中固定載波頻率設置為10kHz，隨機載波頻率的平均頻率設置為10kHz，頻率的變化區間為[8~12kHz]。通過查隨機數表的方式生成隨機數，隨機數表中包含1000個隨機數，實驗平臺如圖5所示。

實驗中設定電機的轉速為3000rpm，電機負載轉矩為30N?m，此時感應電機線電流交流幅值為183A，各個參數設置保持與仿真中的工況一致。在固定載波頻率、隨機載波頻率以及隨機載波頻率加入濾波算法的情況下，分別用示波器采集電機A相線電流的波形的數據，對采集到的數據分析得到線電流的PSD如圖6所示。

圖6 實驗中感應電機A相電流的PSD

從圖6中可以看出，本文所提出的電流諧波頻譜整形的RFPWM控制策略在實際的工況中有著明顯的效果。應用此控制策略后，電機線電流波形的PSD均勻的分布在開關頻率范圍之內，降低了線電流PSD的峰值，同時該控制策略能夠對共振頻率范圍內的諧波進行抑制，削弱共振引起的電機振動。實驗的結果與仿真結果一致，證明了仿真以及控制策略理論的正確性。

為驗證控制算法削弱振動的有效性，用振動測量儀測量電機的振動，測量實驗臺如圖7所示。測量得到的電機的振動頻譜的PSD如圖8所示。

圖7 感應電機振動實驗

圖8 電機振動波形的PSD

圖8(a)波形中標號1、2、3、4、5、7均為電機共振頻率點的振動峰值,標號6、8、9分別為載波頻率10、20、30kHz的諧波引起的振動峰值。在采用RFPWM控制策略后，在圖8(b)中標號10、11、12處的振動峰值得到了明顯的抑制，同時在標號10處原共振點的峰值降低，集中的振動能量得以分散，證明了RFPWM控制策略對振動和噪聲控制的有效性。

在RFPWM控制策略中，加入電流諧波頻譜整形算法前后振動頻譜PSD的低頻部分如圖9所示。

圖9 電機振動波形PSD的低頻部分

在圖9(a)中標號1、 2代表電機轉速引起的振動，與電機轉速和機械結構相關，無法通過控制策略避免，標號3、4代表共振引起的振動。采用電流諧波頻譜整形算法之后，共振引起的振動得到了削弱，如圖9(b)中標號7、8所示，實驗證明了電流諧波頻譜整形算法的有效性。

結論

隨機PWM技術的出發點是減小和抑制系統的噪聲和電磁干擾，本文針對電動汽車用異步電機矢量控制系統的特點，在隨機化開關周期脈寬調制（RFPWM）的基礎上，提出了帶有電流諧波頻譜整形環節的RFPWM控制策略。

分析和實驗表明該控制策略能夠將電流頻譜均勻分散在較寬的頻率范圍內，減小整數倍載波頻率的諧波幅值，同時能夠抑制電機共振頻率范圍內的電流諧波，明顯的削弱電機的共振。該方法不需要修改系統硬件、改變調節器參數，不影響矢量控制性能，具有很好的通用性。

引用本文

劉和平, 劉慶, 張威, 苗軼如, 劉平. 電動汽車用感應電機削弱振動和噪聲的隨機PWM控制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(7): 1488-1495. Liu Heping, Liu Qing, Zhang Wei, Miao Yiru, Liu Ping. Random PWM Technique for Acoustic Noise and Vibration Reduction in Induction Motors Used by Electric Vehicles. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1488-1495.