電動汽車永磁同步電機(jī)電磁噪聲分析及控制

羅科，吳雙龍，任超，劉淵

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000）

永磁同步電機(jī)在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們對其振動噪聲性能提出了更高的要求，電磁噪聲為電動汽車最主要噪聲源之一，電機(jī)振動噪聲性能對電動汽車乘坐舒適性具有重要影響。

針對電磁噪聲問題，主要從5個方面進(jìn)行解決：1）電磁場重新配合設(shè)計；2）定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括斜極、斜槽、輔助槽等結(jié)構(gòu)；3）殼體模態(tài)動剛度優(yōu)化；4）聲學(xué)包裹優(yōu)化，以抑制輻射噪聲傳播；5）控制策略優(yōu)化。前4類涉及結(jié)構(gòu)改變，時間周期長，并且可能導(dǎo)致成本、重量增加[1]。在控制策略方面，前期研究表明電機(jī)在運(yùn)行過程中存在氣隙磁場畸變、死區(qū)時間、開關(guān)管壓降等逆變器非線性因素，導(dǎo)致了三相電流存在大量的諧波成分，這些諧波電流是電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動、振動和噪聲產(chǎn)生的主要原因，從而得出控制電流諧波是電機(jī)噪聲控制的有效方法的結(jié)論[2-4]。

對于如何控制諧波電流，國內(nèi)外學(xué)者對電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、逆變器非線性特征改善和諧波補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行了研究。逆變器非線性特征改善無法消除其他因素引起的諧波電流[5]。對電流諧波補(bǔ)償方法，主要以消除三相電流5次、7次等諧波成分為目標(biāo)，對電機(jī)d，q軸電流或者電壓進(jìn)行補(bǔ)償控制，進(jìn)而達(dá)到減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的目的。

此類方法在電機(jī)控制策略中增加諧波電流檢測和提取模塊、自適應(yīng)濾波器、補(bǔ)償量實時計算模塊等，大大增加了電機(jī)控制策略的復(fù)雜性，對更高次諧波成分的控制算法將更加復(fù)雜，并依賴精確的諧波電流實時檢測和計算結(jié)果[6-8]。同時，由于該方法是建立在理想結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的控制方法，而事實上電機(jī)電磁場結(jié)構(gòu)并非理想結(jié)構(gòu)，完全消除電流諧波成分并不一定能取得最好的噪聲控制效果。

為此，本文在分析電流諧波、電磁力和噪聲的基礎(chǔ)上，提出一種新的電流諧波注入方法，并通過了試驗驗證。該方法以降低電磁噪聲聲壓級為目標(biāo)，通過調(diào)試噪聲最優(yōu)狀態(tài)確定諧波電流幅值和相位參數(shù)，達(dá)到控制電磁噪聲的目的。該方法改善效果明顯，且相對于現(xiàn)有其他諧波抑制方法更加簡單易實現(xiàn)，已應(yīng)用于多款已上市電動汽車中，有效解決了電磁噪聲問題。

1 電磁噪聲問題及機(jī)理分析

1.1 永磁同步電機(jī)電磁噪聲問題

以某電動汽車用4對極永磁同步電機(jī)開發(fā)階段電磁噪聲問題為例，圖1列舉了電機(jī)搭載實車減速運(yùn)行過程電機(jī)近場噪聲頻譜圖。

圖1 電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩（70 N·m）減速工況電機(jī)近場噪聲頻譜圖Fig.1 Noise spectrum of motor under constant torque（70 N·m）deceleration condition

由圖1可知，該電機(jī)主要噪聲問題頻率為機(jī)械轉(zhuǎn)頻的24階噪聲，對應(yīng)6倍頻電流諧波頻率。

1.2 永磁同步電機(jī)電磁噪聲機(jī)理分析

1.2.1 電磁噪聲產(chǎn)生機(jī)理

永磁同步電機(jī)往往由轉(zhuǎn)子（含永磁體）、定子（含電樞）和殼體組成，永磁體磁場、電樞反應(yīng)磁場和定子槽及其之間的相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力場與結(jié)構(gòu)場耦合引起殼體結(jié)構(gòu)振動，進(jìn)而產(chǎn)生輻射噪聲，如圖2所示。

圖2 電磁噪聲產(chǎn)生過程分析Fig.2 Analysis of electromagnetic noise generation process

1.2.2 電流諧波分析

在考慮三相對稱電流，忽略定轉(zhuǎn)子槽、線圈繞組形式等影響因素情況下，電機(jī)三相電流可表示為

式中：Im為電流幅值；ian，ibn，icn分別為三相電流；ωe為電流基頻；θn諧波電流初始相位角；n為正整數(shù)。

考慮到三相電流幅值相等，相位相差±120°，并且星形連接，具有對稱性，事實上并不存在3次、6次、9次…和偶數(shù)次諧波，因此式（1）又可以表示為

也就是說，三相電流頻率除基波外，存在的諧波成分主要為5次、7次、11次……。

1.2.3 電磁力波分析

電磁力波由永磁體磁場、電樞電流磁場、槽結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生，徑向電磁力波表達(dá)式如下式[9-12]：

其中

式中：p為電機(jī)極對數(shù)；θ為徑向氣隙磁密相位角；μ0為真空磁導(dǎo)率；μ1，μ2為磁場諧波次數(shù)，μ1，μ2=1,3,5…；v1，v2為 三 相 電 流 諧 波 次 數(shù) ，v1,v2=1,5,7,11…；sv1，sv2為相應(yīng)階次諧波正反轉(zhuǎn)方向，取值為1或-1，并且相鄰階次諧波取值相反（依據(jù)v1,2的值確定），例如當(dāng)v1為1次時，如果sv1=1，那么v1為5次時，sv1=-1；Λ0為氣隙磁導(dǎo)；k為磁導(dǎo)諧波次數(shù)；Λk為氣隙磁導(dǎo)的第k階諧波成分；Q為定子槽數(shù)；Br為徑向氣隙磁密；Bm，Ba分別為轉(zhuǎn)子和定子磁動勢。

電磁振動噪聲主要受0階空間電磁力影響[10-12]。由式（3）可知，電磁力波主要由6個部分組成。其中，對于x1，x2，x4和x5，當(dāng)μ1=μ2時對應(yīng)0階空間電磁力，電磁噪聲頻率亦為0，因此可以不考慮相等的情況，v1=v2和μ=ν時亦同；x3為永磁體磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力，當(dāng)μ=ν時，該電磁力為空間0階電磁力，此時電磁力頻率為(μ-sν)pfr=6kpfr，fr為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率，與電流基頻存在ωe=2πpfr的關(guān)系，即產(chǎn)生6k倍電流頻率的電磁力和噪聲；x6為永磁體磁場與電樞磁場及定子槽結(jié)構(gòu)諧波共同相互作用產(chǎn)生力波成分，0階空間電磁力對應(yīng)μ和ν取值有如下6種情況：

也就是說，所述空間0階電磁力波總是對應(yīng)6k電流頻率，由此產(chǎn)生6k電磁噪聲。

切向電磁力波可表示為

式中：Bt為切向氣隙磁密；Bθ為定子和轉(zhuǎn)子磁場相互作用磁動勢。

可以看出，切向電磁力波頻率成分與徑向是一致的。也就是說，三相電流5次、7次等諧波將引起電流基頻的6倍、12倍等電磁振動，由此產(chǎn)生6倍、12倍等電磁噪聲，因此可以通過控制三相電流中5次、7次等諧波成分，達(dá)到控制電磁噪聲的目的。

永磁同步電機(jī)往往采用基于解耦的d，q軸矢量控制方法，通過坐標(biāo)變換將三相電流變換到d-q坐標(biāo)系可表示為

其中

式中：C為常數(shù)；i6k為第6k階諧波電流；θ6k為第6k階諧波電流對應(yīng)的相位，k=1，2，3…；正負(fù)號計算d軸時取正，q軸時取負(fù)。

因此，可以通過控制d，q軸的6倍、12倍等諧波電流，間接控制三相電流中的5次、7次等諧波，從而控制電磁噪聲。

2 基于電流諧波注入的電磁噪聲控制方法

為實現(xiàn)電磁噪聲最優(yōu)，可通過控制d，q軸電流諧波成分最優(yōu)、徑向力和切向力最優(yōu)，或電磁噪聲最優(yōu)為目標(biāo)?？紤]到存在定轉(zhuǎn)子槽、線圈繞組形式多樣和三相非完全理想對稱電流的情況下，消除d，q軸電流并不一定能使電磁噪聲最小，因此難以確定d，q軸電流諧波最優(yōu)解，而徑向電磁力無法通過試驗手段進(jìn)行驗證，因此本文以電磁噪聲最優(yōu)為目標(biāo)對電流諧波進(jìn)行控制。

2.1 基于電流諧波注入的電磁噪聲控制算法

在電機(jī)原有控制算法的d，q軸電流回路增加諧波電流注入環(huán)節(jié)，所注入的諧波電流頻率與噪聲相同，幅值和相位參數(shù)通過調(diào)試噪聲最優(yōu)狀態(tài)得到，無需增加諧波檢測與提取、實時補(bǔ)償計算等環(huán)節(jié)。具體算法如圖3所示。

圖3 基于電流諧波注入的電磁噪聲優(yōu)化算法Fig.3 Electromagnetic noise optimization algorithm based on current harmonic injection

圖3中，θe為電角度，其數(shù)值上等于轉(zhuǎn)子角度與極對數(shù)的乘積，id_in和iq_in為需要注入的電流諧波成分，具體可以表達(dá)為

式中：ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率，是電流基頻ωe的1/p；n為需要優(yōu)化的電磁噪聲相對于ωm的階次；Adn，Aqn，φdn，φqn分別為d，q軸對應(yīng)諧波電流幅值參數(shù)和對應(yīng)的相位參數(shù)，φdn，φqn在0°～360°之間取值。

2.2 參數(shù)調(diào)試方法

上述基于諧波注入的電磁噪聲控制算法存在4個控制參數(shù)，即d，q軸電流諧波幅值和相位。參數(shù)調(diào)試的目的是確定每個具體工況諧波電流參數(shù)表。

參數(shù)調(diào)試和效果驗證在實車搭載情況下，在半消聲轉(zhuǎn)轂實驗室進(jìn)行，通過整車電機(jī)控制單元控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使車輛處于相同電機(jī)轉(zhuǎn)矩下加速或者減速運(yùn)行。采用LMS Test.Lab測試加、減速工況電機(jī)近場噪聲，并依據(jù)噪聲測試結(jié)果調(diào)整注入諧波電流的幅值和相位，進(jìn)而確定噪聲最優(yōu)狀態(tài)下d，q軸電流諧波控制參數(shù)，具體調(diào)試基本流程如圖4所示。

圖4 控制參數(shù)調(diào)試基本流程Fig.4 Basic process of control parameter debugging

選取典型轉(zhuǎn)矩下加速或減速工況，單獨(dú)調(diào)試d，q軸電流諧波幅值和相位4個參數(shù)，調(diào)試順序依次為q軸電流相位、q軸電流幅值、d軸電流相位和d軸電流幅值。依次完成不同電機(jī)轉(zhuǎn)矩下加、減速工況噪聲控制參數(shù)調(diào)試，可得到電機(jī)不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速對應(yīng)下各階次諧波電流注入的幅值和相位參數(shù)最優(yōu)值。未針對性調(diào)試的工況，其幅值和相位參數(shù)可依據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速線性插值獲得，最終得到完整控制參數(shù)表。為減小調(diào)試工作量，可設(shè)置程序?qū)崿F(xiàn)自動參數(shù)調(diào)試。

3 試驗驗證與結(jié)論

3.1 參數(shù)調(diào)試結(jié)果

圖5和圖6給出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩為-70 N·m車輛減速過程q軸24階電磁噪聲電流諧波（對應(yīng)q軸6次電流諧波）幅值和相位參數(shù)調(diào)試結(jié)果。

圖5 針對24階電磁噪聲的q軸電流諧波相位調(diào)試結(jié)果Fig.5 Tuning results of q-axis current harmonic phase for 24 order electromagnetic noise

圖6 針對24階電磁噪聲的q軸電流諧波幅值調(diào)試結(jié)果Fig.6 Tuning results of q-axis current harmonic amplitude for 24 order electromagnetic noise

由圖5可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速0～1 800 r/min，2 400～3 000 r/min段電機(jī)噪聲峰值在諧波電流相位角為150°時聲壓級最小，2 000～2 200 r/min噪聲峰值在相位角為180°時聲壓級最小，由此可確定相應(yīng)的q軸相位參數(shù)為150°和180°；轉(zhuǎn)速1 800～2 000 r/min噪聲為谷值，相位參數(shù)影響不大，為避免參數(shù)突變可依據(jù)轉(zhuǎn)速做插值運(yùn)算作為相位參數(shù)。

由圖6可知，1 200～2 400 r/min轉(zhuǎn)速段，諧波電流幅值為15 A時電磁噪聲聲壓級最小，但當(dāng)幅值達(dá)到13 A時，噪聲已達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，由此確定該工況注入諧波電流幅值為13 A，其他轉(zhuǎn)速段噪聲本身達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，可將需要注入的電流諧波設(shè)置為0。

對d軸進(jìn)行諧波注入的方法與q軸相同。同樣的方法，選取其他轉(zhuǎn)矩下進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，得到針對電機(jī)24階噪聲優(yōu)化的諧波電流注入幅值和相位參數(shù)序列，未針對性調(diào)試的工況幅值和相位參數(shù)可通過轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速插值得到，由此可確定完整的諧波電流幅值和相位參數(shù)表。

3.2 電磁噪聲控制效果

通過上述方法完成特定轉(zhuǎn)矩加、減速工況噪聲控制，并通過插值運(yùn)算拓展到全工況。

圖7給出了電動汽車實車在70 N·m恒轉(zhuǎn)矩減速運(yùn)行時，電流諧波注入優(yōu)化后永磁同步電機(jī)電磁噪聲頻譜及24階電磁噪聲改善前后對比結(jié)果。

圖7 減速工況電磁噪聲改善效果（70 N·m恒轉(zhuǎn)矩減速）Fig.7 Improvement effect of electromagnetic noise under deceleration condition（70 N·m constant torque）

對比圖1和圖7可以看出，通過電流諧波優(yōu)化后電磁噪聲頻譜圖中24階次噪聲幾乎消除，階次噪聲最大改善量達(dá)到14 dB（A）。

圖8列舉了電機(jī)在其他轉(zhuǎn)矩下加速運(yùn)行工況產(chǎn)生的24階電磁噪聲改善情況。在各種工況下電機(jī)電磁噪聲均明顯改善，電機(jī)電磁噪聲聲壓級均達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

圖8 加速工況24階電磁噪聲改善效果Fig.8 Improvement effect of 24 order electromagnetic noise under acceleration conditions

針對永磁同步電機(jī)電磁噪聲問題，分析了電流諧波和電磁力特征，揭示了電流諧波成分是電磁噪聲產(chǎn)生的根本原因之一，得出了控制d，q軸電流諧波是電磁噪聲控制的最直接方法的結(jié)論。以降低電磁噪聲聲壓級為目標(biāo)，提出一種基于標(biāo)定參數(shù)控制的電流諧波注入方法，控制優(yōu)化后電磁噪聲達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，有效改善了電磁噪聲問題。該方法控制程序相對于現(xiàn)有其他諧波抑制方法更加簡單、易實現(xiàn)，大大減少了運(yùn)算量，已應(yīng)用于多款已上市電動汽車，在無額外成本、重量增加的情況下實現(xiàn)了較好的噪聲控制效果，對電機(jī)噪聲控制特別是項目開發(fā)中后期優(yōu)化具有重要的參考意義。