- 頭條河北工大學者在永磁同步電機高頻邊帶聲振抑制研究上取得新進展2022-11-01 作者：邱子楨、陳勇 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語周期諧波擴頻調制可以有效抑制邊帶諧波成分及聲振響應，且對系統動態性能影響較小。然而，目前的研究中仍然缺少關于不同周期信號與調制參數的理論解析與對比。因此，河北工業大學天津市新能源汽車動力傳動與安全技術重點實驗室、哈德斯菲爾德大學效率與效能工程中心、省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室的研究人員邱子楨、陳勇、成海全、劉旭、谷豐收，在2022年第10期《電工技術學報》上撰文，以電動汽車后橋驅動用12槽-10極永磁同步電機及其控制系統為研究對象，基于周期諧波擴頻調制技術，對常規空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術所引入的邊帶諧波成分與高頻聲振響應進行抑制與優化研究。
當前，憑借高功率密度、高轉速區間、較好的動態響應等優點，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）已被廣泛應用于各種工業環境。然而，在電動汽車電驅動系統應用當中，由于電機及電控系統所引入的電磁激勵，對動力傳動系統的可靠耐久性、整車層面的電磁干擾與NVH（noise, vibration, harshness）性能均具有重要的影響，受到了國內外學者及企業的廣泛關注。
通常，永磁同步電機由電壓源型逆變器（Vector Source Inverter, VSI）驅動，為了實現良好的穩態與瞬態性能，以空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse-Width Modulation, SVPWM）策略為代表的調制技術被廣泛搭載使用。然而，常規SVPWM技術采用固定的載波頻率，致使主控電路功率逆變器在運行過程中產生高頻的邊帶電壓和電流諧波成分，集中在載波頻率及其整數倍范圍內，進而導致電機系統產生受邊帶電磁激勵力影響的高頻機械振動與輻射噪聲。
為了滿足高功率輸出，大多數VSI工作條件被設定于4000～8000Hz，而人耳的敏感頻帶位于5000～10000Hz，此類寄生效應所輻射的“嘯叫”，會令駕乘人員感到反感不適；此外，邊帶諧波分量會增加定子鐵心損耗、電樞銅耗以及永磁體渦流損耗，影響電機工作效率，因而亟待解決。
對于邊帶電壓與電流諧波成分與聲振響應的時間與空間特征分析，涉及到電機控制、電磁場、電機本體結構、聲振響應的多物理場預測模型，諸多學者采用有限元數值計算與解析法進行了研究。他們的特征分析與預測方法可為邊帶電流諧波及聲振響應的抑制優化提供思路，其中，最為有效且常用的方法被稱為諧波擴頻調制（harmonic spread spectrum modulation），即基于帕斯維爾（Parseval）原理，信號在時域和頻域內的能量保持不變，通過擴大諧波分布頻譜范圍，以達到降低諧波幅值的效果。
根據所選信號種類，諧波擴頻調制可以分為基于周期性信號和離散隨機性信號兩種方式。有學者對基于三角波和正弦波的兩種周期性載波擴頻調制效果進行了分析，初始的固定載波頻率以確定的方式在截止頻率的范圍內進行波動，結果表明邊帶諧波成分得到了有效抑制優化。
另外，基于離散隨機信號的脈寬調制（Random Pulse Width Modulation, RPWM）技術應用最為廣泛，離散的隨機信號可以使載波頻率隨機化，從而使原本集中的邊帶諧波能量擴展至較寬的頻域范圍，且抑制效果要優于周期擴頻調制；相比于周期性擴頻調制，載波頻率隨機化會使逆變器開關損耗增加[18-19]，且使系統魯棒性降低。
周期諧波擴頻調制可以有效抑制邊帶諧波成分及聲振響應，且對系統動態性能影響較小。然而，目前的研究中仍然缺少關于不同周期信號與調制參數的理論解析與對比。因此，河北工業大學天津市新能源汽車動力傳動與安全技術重點實驗室、哈德斯菲爾德大學效率與效能工程中心、省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室的研究人員邱子楨、陳勇、成海全、劉旭、谷豐收，在2022年第10期《電工技術學報》上撰文，以電動汽車后橋驅動用12槽-10極永磁同步電機及其控制系統為研究對象，基于周期諧波擴頻調制技術，對常規空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術所引入的邊帶諧波成分與高頻聲振響應進行抑制與優化研究。
圖1 實驗與測試平臺
圖2 實驗平臺布置原理
研究人員分析了邊帶電流諧波頻譜與徑向電磁力主要的階次特征分布。建立了完整的諧波擴頻功率譜解析模型，對鋸齒波和正弦波兩種典型的周期信號進行了理論解析，并分析了擴頻寬度和調制因子對抑制效果的影響。通過樣機及測控實驗平臺，對不同工況下的邊帶電流諧波和聲振響應進行驗證，分析了調制參數對抑制效果的影響。
他們的研究結果表明：
1）基于典型的鋸齒波和正弦波周期信號的功率譜解析模型，能夠有效分析擴頻調制后的頻譜分布與抑制效果。
2）對不同轉速工況下的實驗結果表明，所提出的兩種典型的周期擴頻調制方法能夠有效抑制邊帶電流諧波分量；在聲振響應中也呈現出顯著的優化效果，中心頻帶的噪聲響應達到了20dBA以上。
3）所提出的周期擴頻調制方法中，鋸齒波擴頻調制的抑制效果優于正弦波擴頻調制；正弦波擴頻調制受擴頻寬度影響較為敏感，并且隨著擴頻寬度的持續增加，抑制效果逐漸趨于飽和。
4）所提出的功率譜解析模型與實驗驗證結果可以被拓展到基于其他周期信號的擴頻調制技術，對于調制參數的選擇仍需針對不同系統進行多目標優化。此外，本研究成果為開發新型混合擴頻調制策略，實現低聲振電驅動系統提供了理論依據與實踐參考。
本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于周期諧波擴頻調制的永磁同步電機高頻邊帶聲振抑制”。本課題得到了寧波市科技計劃項目、國家留學基金項目和河北省研究生創新項目的支持。
