直線電機(jī)振動(dòng)抑制的載波移相策略研究

吳振興 王逸林 王志偉 冀相

摘 要：PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中，在功率元件開(kāi)關(guān)狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)。針對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)雙三相直線電機(jī)會(huì)導(dǎo)致高頻振動(dòng)噪聲的問(wèn)題，提出使用載波移相技術(shù)降低噪聲。首先根據(jù)電機(jī)高頻振動(dòng)與磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系，推導(dǎo)了互移30°的雙三相直線電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式，經(jīng)過(guò)分析得出結(jié)論：通過(guò)調(diào)節(jié)載波移相角改變電機(jī)兩繞組電流中的高頻諧波的角度差，能夠有效地抵消電機(jī)合成磁動(dòng)勢(shì)的高頻分量，降低了電機(jī)的徑向電磁力和高頻振動(dòng)噪聲，且載波移相角選取90°時(shí)整體抑制效果最好，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后基于RT-LAB軟件搭建了全系統(tǒng)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文提出的控制策略及相關(guān)的分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高頻振動(dòng)噪聲;載波移相;直線電機(jī);磁動(dòng)勢(shì);實(shí)時(shí)仿真

DOI：10.15938/j.emc.2019.12.000

中圖分類號(hào)：TM 359.4，TM 464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2019）12-0000-00

Abstract：In the PWM drive motor system， high frequency vibration occurs when the power element switches. Aiming at the problem of high frequency vibration and noise caused by frequency conversion driving multiphase linear motor， a carrier phase shifting technique is proposed to reduce noise. According to the relationship between the motor vibration and the magnetomotive force， the formula for calculating the MMF of a dual shift 30°multiphase linear motor is deduced. The conclusion is that the amplitude of the high frequency component of the motor synthesis magnetomotive force is effectively counteracted by adjusting the carrier shifted angle and the optimal phaseshifting angle is 90 degrees， which is carried out in the MATLAB/Simulink environment. The realtime simulation platform is built based on RTLAB software， the control strategy proposed in this paper and the related analysis and calculation is verified by experiments.

Keywords：high frequency vibration noise; carrier phase shifted; linear motor; magnetomotive force（MMF）; realtime simulation

0 引 言

現(xiàn)代電力驅(qū)動(dòng)中，振動(dòng)噪聲越來(lái)越引起關(guān)注，在系統(tǒng)中電機(jī)振動(dòng)必然會(huì)造成其輸出質(zhì)量的下降，對(duì)環(huán)境噪聲有一定的影響及污染，而且高頻的振動(dòng)噪聲對(duì)人體的影響更強(qiáng)烈[1-2]。降低電機(jī)振動(dòng)噪聲能保證人們正常健康的工作環(huán)境，特別在特殊情況下，如需求隱蔽航行的艦艇上，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的高頻振動(dòng)噪聲能有效保證其隱蔽性和安全性。

PWM逆變器供電時(shí)，定子繞組電流中必然含開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻邊頻帶處的諧波分量[3-5]。文獻(xiàn)[6]和[7]則分析了，由PWM引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電機(jī)振動(dòng)和噪聲的主要來(lái)源。這些高頻諧波電流產(chǎn)生高頻磁動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致電機(jī)高頻振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。如果降低這些高頻諧波電流，高頻磁動(dòng)勢(shì)分量也會(huì)隨之降低，從而降低由PWM 供電引入的高頻振動(dòng)噪聲。

文獻(xiàn)[3]中提出，通過(guò)調(diào)整2臺(tái)逆變器載波之間相位角度，使得2臺(tái)逆變器輸出電流中相應(yīng)邊頻帶諧波相位角變化，削弱氣隙磁動(dòng)勢(shì)中的對(duì)應(yīng)頻率諧波，達(dá)到降低電機(jī)高頻振動(dòng)目的。實(shí)際中為了抵消部分諧波等因素，雙三相電機(jī)的2個(gè)繞組間空間上常采用互差30度的設(shè)計(jì)，即逆變器的參考波也需相應(yīng)互差30°（下文稱互移30°雙三相直線電機(jī)），因此有必要針對(duì)載波移相調(diào)制技術(shù)進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)互移30°直線電機(jī)的高頻振動(dòng)噪聲問(wèn)題，推導(dǎo)了電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)公式，分析了載波移相角的最優(yōu)選取方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真進(jìn)行了驗(yàn)證90°為最優(yōu)載波移相角。

1 電機(jī)高頻振動(dòng)與諧波磁動(dòng)勢(shì)的關(guān)系

在PWM逆變器供電電機(jī)系統(tǒng)中，逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程都會(huì)引發(fā)電機(jī)的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[1]和[8]分析了PWM逆變器供電的電機(jī)電磁激振力及其振動(dòng)噪聲理論模型，提出感應(yīng)電機(jī)的徑向電磁力決定了電機(jī)的振動(dòng)特性。

由表1可知，由于本文研究的直線電機(jī)系統(tǒng)中第二組逆變器（對(duì)應(yīng)2Y繞組）的調(diào)制波滯后30°，與文獻(xiàn)[3]中常規(guī)的載波移相技術(shù)得到的結(jié)論不同。常規(guī)的并聯(lián)載波移相技術(shù)（即對(duì)于2組負(fù)載的調(diào)制波沒(méi)有互差30°的系統(tǒng)）中，載波移相角為180°時(shí)，疊加電流能達(dá)到奇次倍（1、3、5等階次）載波頻率處完全抑制的效果，而載波移相角為90°只能達(dá)到2倍載波頻段的諧波完全抑制的效果，對(duì)比下，一般都使用效果更好的移相角180°為系統(tǒng)的最優(yōu)移相角。但對(duì)于本文研究的該電機(jī)系統(tǒng)中，載波移相角為180°時(shí)對(duì)各點(diǎn)沒(méi)有抑制效果，且載波移相角為90°、270°等角度時(shí)的諧波抑制只能做到對(duì)應(yīng)某幾個(gè)諧波點(diǎn)的抑制，同時(shí)單從上表中還無(wú)法得知各載波移相角對(duì)整體諧波的抑制效果，還需要進(jìn)行進(jìn)一步深入分析和計(jì)算。

通過(guò)上圖，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論調(diào)制比多大，90°的諧波平方和都是最小的（由于移相角為90°和270°的對(duì)諧波抑制的整體效果一致，本章下文結(jié)論性敘述中均采用90°移相角）。故總體抑制效果都是最好的，且調(diào)制比越小，衰減抑制效果越明顯。因此，可以判定90°為該系統(tǒng)的最佳移相角。

3 仿真分析

根據(jù)互移30°雙三相直線電機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行載波移相調(diào)制技術(shù)的驗(yàn)證。直線電機(jī)部分使用M語(yǔ)言的S函數(shù)進(jìn)行建模：輸入量為2組角度互差30°的三相初級(jí)繞組電壓、一組輸入為0的三相次級(jí)繞組電壓以及位置和速度信號(hào)，狀態(tài)方程為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下磁鏈方程，輸出量為2組初級(jí)繞組電流和一組次級(jí)繞組電流，以及力和能量。這里采集分析所用的2組A相電流就是從直線電機(jī)的S函數(shù)輸出所得的兩組初級(jí)繞組A相電流得到。

系統(tǒng)仿真參數(shù)：仿真步長(zhǎng)設(shè)置為Ts=5 μs，模擬超級(jí)電容輸出直流電壓E=500 V，基波頻率為10 Hz，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置4 kHz。調(diào)制比ma設(shè)置為1進(jìn)行分析。仿真結(jié)果如圖2～圖6所示。

當(dāng)載波移相角不同時(shí)，疊加電流的波形差異較小，為行文簡(jiǎn)潔，故直接給出FFT圖。

考慮到載波移相對(duì)3倍及以上開(kāi)關(guān)頻率處諧波影響并不大，而且其諧波含量也較小，忽略不計(jì)，考慮到高頻振動(dòng)量級(jí)K∝∑I2kn，可以捕捉1～2倍開(kāi)關(guān)頻率處的主要諧波點(diǎn)進(jìn)行平方和分析。

由表2數(shù)據(jù)可得，仿真數(shù)據(jù)分析：載波移相角選取為90°/270°時(shí)，對(duì)8 kHz處各點(diǎn)諧波基本抑制，抑制效果達(dá)到（1-0.025/0.096）=74%;載波移相角選取為90°時(shí)，對(duì)4 020和4 040 Hz諧波點(diǎn)基本抑制，抑制效果分別為（1-0.093/0.315）=71%和（1-0.003/0.010）=70%，載波移相角選取為270°時(shí)，對(duì)3 980和3 960 Hz諧波點(diǎn)基本抑制，抑制效果為分別為（1-0.094/0.315）=71%和（1-0.003/0.010）=70%，且載波移相角取180°時(shí)各點(diǎn)諧波基本無(wú)抑制作用。

又由表2可以算得，每個(gè)移相角對(duì)應(yīng)的各諧波點(diǎn)含量的平方和如下表所示。

通過(guò)圖表可以發(fā)現(xiàn)，載波移相角為180°時(shí)，諧波衰減抑制效果與0°時(shí)差別不大，載波移相角為90°時(shí)諧波抑制效果較好（由于90°/270°總體效果基本一致，下文敘述中均以90°為例）。經(jīng)過(guò)上述判斷，可以得到結(jié)論：載波移相角取90°時(shí)，不僅單個(gè)諧波點(diǎn)的抑制效果好，考慮到總振級(jí)效果（諧波含量平方和），90°得到的數(shù)值也更低，故此互移30°直線電機(jī)系統(tǒng)的降低振動(dòng)噪聲總振級(jí)的最優(yōu)載波移相角為90°。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)由圖7所示，主要包括RTLAB實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)、底層控制器、控制器上位機(jī)組成，其中RTLAB實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)主要包括實(shí)時(shí)仿真上位機(jī)、OP5600仿真機(jī)及接口板。

按照?qǐng)D7的結(jié)構(gòu)配置好本文所需的硬件設(shè)備，配置完成如圖8所示。其中，從左至右介紹，左1（電腦）為逆變器控制器上位機(jī)，左2（顯示器）為上位機(jī)軟件調(diào)試顯示設(shè)備，左3（3個(gè)控制盒）為數(shù)據(jù)IO轉(zhuǎn)換器及相關(guān)設(shè)備，左4為逆變器控制器，右3為接口板卡箱，右2為OP5600仿真機(jī)及示波器，右1為實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)上位機(jī)。

移相角依次取為0°、90°、180°和270°，可以得到不同移相角下的2組定子A相疊加電流的示波器波形，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析得到FFT分析圖。

考慮到載波移相角不同時(shí)，疊加電流的波形看不出差別，為了行文簡(jiǎn)潔，不再給出其他載波移相角時(shí)的疊加電流波形。直接給出FFT分析圖，如圖10至圖13所示。

使用FFT分析圖提取出各主要諧波點(diǎn)含量，數(shù)據(jù)如下表4所示。

由表3數(shù)據(jù)可得，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：載波移相角選取為90°/270°時(shí)，對(duì)8kHz處各點(diǎn)諧波基本抑制，對(duì)7 990和8 010 Hz諧波點(diǎn)的抑制效果達(dá)到（1-0.034 4/0.103 5）=68%;載波移相角選取為90°時(shí)，對(duì)4 020和4 040 Hz諧波點(diǎn)基本抑制，抑制效果分別為（1-0.077 5/0.242 6）=69%和（1-0.0186/0.044 8）=60%，載波移相角選取為270°時(shí)，對(duì)3 980和3 960 Hz諧波點(diǎn)基本抑制，抑制效果為分別為（1-0.071 7/0.250 1）=72%和（1-0.014 3/0.035 7）=60%。且載波移相角取180°時(shí)各點(diǎn)諧波基本無(wú)抑制作用。與仿真分析結(jié)論基本一致。

又由表4的數(shù)據(jù)可以算得，每個(gè)移相角對(duì)應(yīng)的各諧波點(diǎn)含量的平方和如下表所示：

由表5可知，載波移相角為180°時(shí)，諧波衰減抑制效果與0°時(shí)差別不大，載波移相角為90°時(shí)，效果較好，抑制效果達(dá)到衰減（0.146 1-0.100 2）/0.146 1=31%。經(jīng)過(guò)上述判斷，可以得到結(jié)論：90°不僅單個(gè)諧波點(diǎn)的抑制效果好，考慮到總振級(jí)（諧波含量平方和）的比較，90°得到的數(shù)值也更低，故90°應(yīng)為此互移30°直線電機(jī)系統(tǒng)減振降噪的最優(yōu)載波移相角。

5 結(jié) 論

并聯(lián)逆變器供電的電機(jī)系統(tǒng)中，由PWM調(diào)制會(huì)產(chǎn)生的高頻諧波電流以及帶來(lái)的電機(jī)高頻振動(dòng)，而通過(guò)載波移相策略，能抑制電機(jī)電流的高頻諧波分量，從而降低了電機(jī)的合成諧波磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到，在雙三相互移30°的直線電機(jī)系統(tǒng)中，載波移相角選取90°時(shí)，能最有效地降低系統(tǒng)的高頻諧波分量，從而降低電機(jī)的高頻振動(dòng)噪聲。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：張 楠）