七段式SVPWM 優(yōu)化電機(jī)電磁噪聲的量產(chǎn)可行性驗(yàn)證

摘要：某插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）樣車存在明顯的高頻電磁噪聲，該噪聲被確認(rèn)由電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生。將該電機(jī)采用的五段式空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）軟件改為七段式SVPWM 軟件。在不降低電機(jī)性能的條件下，探索降低電磁噪聲的可量產(chǎn)優(yōu)化方案。七段式SVPWM 正弦性好，諧波含量小，噪聲表現(xiàn)好。采用七段式SVPWM 軟件，在臺(tái)架及實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：七段式SVPWM 軟件能有效改善電磁噪聲，且對(duì)電機(jī)的性能影響輕微，可量產(chǎn)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；電磁噪聲；空間矢量脈寬調(diào)制；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 前言

插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）作為節(jié)能車輛能有效降低碳排放。PHEV 性能優(yōu)，保有成本低，因此日益受消費(fèi)者青睞。但PHEV 零部件多，結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，性能指標(biāo)多，開發(fā)難度大。某項(xiàng)目開發(fā)了一款理論效率高且各項(xiàng)性能均衡的電機(jī)系統(tǒng)，但在PHEV 實(shí)車評(píng)價(jià)階段，噪聲評(píng)分低，亟需優(yōu)化。

1 電機(jī)噪聲問題

動(dòng)態(tài)評(píng)審該P(yáng)HEV 樣車時(shí)，在怠速發(fā)電和純電低速行駛時(shí)有高頻刺耳噪聲。經(jīng)過測(cè)試分析，該噪聲呈傘狀階次，如圖1 所示，是典型的電磁噪聲［1］。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

該P(yáng)HEV 樣車采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。永磁同步電機(jī)［2］因具有高效率、高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)矩密度和良好動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車。它由定子、轉(zhuǎn)子和附件組成，其中：定子由殼體、鐵心和三相繞組組成，相間為星形連接，鐵心由硅鋼片疊壓而成；轉(zhuǎn)子由永磁體、鐵心和軸組成，常用釹鐵硼永磁體，以提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁能密度。

該驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心結(jié)構(gòu)如圖2 所示，定子外徑為270 mm，軸向長(zhǎng)60 mm；定子共24 槽，采用圓銅線制成集中式繞組；轉(zhuǎn)子8 對(duì)級(jí)，永磁體軸向分段角度布置；電機(jī)通過殼體液冷。

3 優(yōu)化方案

永磁同步電機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)影響電磁噪聲。電機(jī)宏觀參數(shù)［3］包括定子槽數(shù)、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)、氣隙；電機(jī)定子參數(shù)［4-5］包括結(jié)構(gòu)模態(tài)、齒槽幾何、繞組（整數(shù)繞組、分?jǐn)?shù)繞組）；轉(zhuǎn)子參數(shù)［6］ 包括永磁體布置、磁橋的形態(tài)等。原電機(jī)結(jié)構(gòu)曾進(jìn)行基于徑向電磁力的優(yōu)化設(shè)計(jì)，后續(xù)提升困難，且電機(jī)模具、夾具、產(chǎn)線均已定型，結(jié)構(gòu)變動(dòng)受限。

永磁同步電機(jī)的軟件改動(dòng)周期短、成本低，是重點(diǎn)突破方向。該P(yáng)HEV 永磁同步電機(jī)采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制法驅(qū)動(dòng)。根據(jù)矢量的合成方式，SVPWM 可分為五段式和七段式。原PHEV 永磁同步電機(jī)采用五段式SVPWM 軟件控制，開關(guān)次數(shù)少，效率和輸出特性好。七段式SVPWM 正弦性好，諧波少，噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度（NVH）性能好，因此嘗試采用七段式SVPWM 軟件控制。

以往的研究通常基于虛擬樣機(jī)，鮮有產(chǎn)品數(shù)據(jù)，難以參考。使用環(huán)境、工況和駕駛習(xí)慣的差別，要求電機(jī)系統(tǒng)具有較好的綜合性能。電機(jī)系統(tǒng)在功率、轉(zhuǎn)矩、效率、NVH 等方面均有開發(fā)指標(biāo)。因此需要對(duì)七段式SVPWM 軟件進(jìn)行全面測(cè)試，以確認(rèn)其量產(chǎn)的可行性。

4 永磁同步電機(jī)的控制

4. 1 逆變電路

電機(jī)控制器可以實(shí)現(xiàn)直流電和特定交流電之間的轉(zhuǎn)化。特定交流電的定子產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，吸引或排斥電機(jī)轉(zhuǎn)子（永磁體）產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化［7］。

電機(jī)控制器的開關(guān)逆變電路原理［8］如圖3 所示。電路通過橋臂與繞組L0相連，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）充當(dāng)開關(guān)器件。每個(gè)橋臂含2 個(gè)IGBT（VT1～VT6），可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制控制（PWM），模擬出正弦交流電。驅(qū)動(dòng)電路與IGBT 連接，根據(jù)駕駛需求，解析出開關(guān)狀態(tài)。

4. 2 矢量控制原理

矢量控制對(duì)磁通、電流及角度進(jìn)行了精確控制，具有響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此在永磁同步電機(jī)控制中得到了廣泛應(yīng)用［2，9］。

1 個(gè)橋臂上的2 個(gè)開關(guān)只能導(dǎo)通1 個(gè)，每個(gè)橋臂存在2 種狀態(tài)，可以用0 和1 代表橋臂的狀態(tài)，共8 種組合（包含零矢量和非零矢量）。零矢量實(shí)際是上臂全通或下臂全通，無完整回路。6 個(gè)非零矢量幅值均為2/3 V DC，角度差60°。將6 個(gè)非零矢量的頂點(diǎn)（V1～V6）連起來（向量后括號(hào)內(nèi)標(biāo)注的三位數(shù)代表了3 個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)），正好是正六邊形。2 個(gè)相鄰矢量與六邊形的邊構(gòu)成等邊三角形，稱為扇區(qū)，共有6 個(gè)扇區(qū)（Ⅰ～Ⅵ），如圖4 所示。兩相靜止參考坐標(biāo)系（α，β）中任意矢量Vδ 必然分布在某扇區(qū)中，可用扇區(qū)的2 邊（如g、h）來合成矢量（如Vg、Vh）。為每次只變化1 個(gè)橋臂，至少需將1 個(gè)矢量分兩等份，首尾添加零矢量，形成五段序列。在此基礎(chǔ)上，將另一個(gè)矢量也等分并中間插入零矢量，形成了七段式序列，如圖5 所示。

5 七段式SVPWM 試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試七段式SVPWM 軟件對(duì)電磁噪聲的影響，確認(rèn)是否能顯著地降低噪聲；在不削弱產(chǎn)品的性能的條件下，全面測(cè)試電機(jī)系統(tǒng)采用七段式SVPWM 軟件后的噪聲、功率、轉(zhuǎn)矩、效率表現(xiàn)，確認(rèn)其量產(chǎn)可行性。

5. 1 電磁噪聲測(cè)試

在同一臺(tái)樣機(jī)上分別采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM 軟件，并在專用臺(tái)架上測(cè)試噪聲，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出：相比于五段式SVPWM 軟件，采用七段式SVPWM 軟件的樣機(jī)在全轉(zhuǎn)速段的噪聲降低了5 dB，降噪效果明顯。

在同一臺(tái)樣機(jī)上分別采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM 軟件，并在純電低速行駛工況下測(cè)試駕駛室內(nèi)噪聲，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出：五段式SVPWM 軟件的電磁噪聲在圖譜上清晰可見，駕駛員可明顯感知噪聲；七段式SVPWM 軟件的電磁噪聲在圖譜上無突出亮線，駕駛員未感知噪聲。試驗(yàn)表明七段式SVPWM 軟件能消除駕駛員噪聲抱怨。

5. 2 輸出特性試驗(yàn)

在同一臺(tái)樣機(jī)上分別采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM 軟件，并在專用電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)試輸出特性，比較二者的差異，驗(yàn)證開發(fā)目標(biāo)的達(dá)成情況，開發(fā)目標(biāo)見表1。車載電池的電壓范圍為270～407 V，低于額定電壓（350 V）時(shí)，峰值轉(zhuǎn)矩不變，但峰值功率下降，目標(biāo)功率降為70 kW。

5. 2. 1 峰值功率和轉(zhuǎn)矩

測(cè)試時(shí)：電機(jī)預(yù)熱30 min；設(shè)定電機(jī)控制器入水口溫度為60 ℃、入口體積流量為10 L/min；測(cè)試母線電壓為270 V、350 V、407 V 下的電動(dòng)、發(fā)電6種組合狀態(tài)；設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍為500～5 500 r/min，以500 r/min 為步長(zhǎng)；采樣頻率為100 Hz；電機(jī)溫度報(bào)警保護(hù)限值為150 ℃（定子繞組處），電機(jī)控制器（IGBT 處）溫度報(bào)警保護(hù)限值為160 ℃；指令發(fā)出后運(yùn)行15 s，采集第3 s 到第13 s 數(shù)據(jù)取均值作為測(cè)量結(jié)果，出現(xiàn)過溫報(bào)警則無效，需降低轉(zhuǎn)矩再次測(cè)試，每測(cè)1 點(diǎn)應(yīng)空載運(yùn)行3 min。

2 種狀態(tài)下，上述測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)過溫，數(shù)值有效。將低轉(zhuǎn)速段（500～2 500 r/min）5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值轉(zhuǎn)矩取平均，峰值功率是在5 500 r/min 的功率，結(jié)果見表2。從表2 可知，五段式SVPWM 軟件高速功率稍優(yōu)，七段式SVPWM 軟件低速轉(zhuǎn)矩略好。

無論采用五段式SVPWM 軟件還是七段式SVPWM 軟件，均可達(dá)到開發(fā)目標(biāo)，兩者峰值功率轉(zhuǎn)矩最大相差2.5 N·m，相對(duì)偏差為0.89%，峰值功率最大相差1.3 kW，相對(duì)偏差為1.6%。

在特征點(diǎn)（母線電壓350 V、電機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r/min、電機(jī)轉(zhuǎn)矩280 N·m）發(fā)出電機(jī)控制指令后，不限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)（其他同峰值試驗(yàn)），直至溫度限值觸發(fā)臺(tái)架卸載，記錄整個(gè)過程數(shù)據(jù)，間隔15 min 空載運(yùn)行，測(cè)量3 次取均值。比較峰值功率轉(zhuǎn)矩的輸出極限時(shí)長(zhǎng)。結(jié)果表明：采用五段式SVPWM 軟件的電機(jī)電動(dòng)工況持續(xù)運(yùn)行19 s、發(fā)電工況持續(xù)運(yùn)行19 s；采用七段式SVPWM 軟件的電機(jī)電動(dòng)工況持續(xù)運(yùn)行18 s、發(fā)電工況持續(xù)運(yùn)行19 s。二者峰值輸出能力相當(dāng)，都滿足開發(fā)目標(biāo)要求。

5. 2. 2 持續(xù)功率和轉(zhuǎn)矩

在特征點(diǎn)（350 V、2 800 r/min、140 N·m、32 kW）發(fā)出電機(jī)指令后，不限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)（其他同峰值試驗(yàn)），持續(xù)運(yùn)行30 min，不能出現(xiàn)過溫，采集整個(gè)過程數(shù)據(jù)，觀察溫度是否達(dá)到平衡（3 min 內(nèi)溫度變化小于1 K 視為平衡）。結(jié)果表明：采用五段式SVPWM 軟件的電機(jī)可在運(yùn)行30 min 后達(dá)到溫度平衡，電機(jī)溫度為142 ℃ ，電機(jī)控制器溫度為156 ℃；采用七段式SVPWM 軟件的電機(jī)也可以在運(yùn)行30 min 后達(dá)到溫度平衡，電機(jī)溫度為143 ℃，電機(jī)控制器溫度為157.5 ℃，未觸發(fā)溫度保護(hù)，滿足開發(fā)指標(biāo)要求（溫度偏差在3 K 內(nèi)）。二者持續(xù)輸出能力相當(dāng)。

5. 2. 3 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

電機(jī)控制器入水口溫度為20 ℃、入口體積流量為10 L/min，冷機(jī)工況下使用機(jī)械構(gòu)件鎖住輸出軸，給電機(jī)滿載指令，運(yùn)行5 s，記錄過程數(shù)據(jù)，若觸發(fā)過溫保護(hù)則需要降低負(fù)荷再次測(cè)試。在軸的圓周上均勻測(cè)試5 個(gè)點(diǎn)，以5 個(gè)點(diǎn)中轉(zhuǎn)矩最小值作為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。結(jié)果表明：2 個(gè)軟件均未觸發(fā)過溫保護(hù)，五段式SVPWM 軟件的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為280.7 N·m，七段式SVPWM 軟件的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為281.2 N·m，兩者偏差微小。

5. 3 電機(jī)系統(tǒng)效率測(cè)試

在電機(jī)臺(tái)架上，直流母線、三相線電壓及電流，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是比較容易精確測(cè)量的。能量流過直流母線、電機(jī)控制器和電機(jī)，可以通過這些測(cè)量量計(jì)算出流經(jīng)3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率，并通過相應(yīng)比值得到效率。電動(dòng)狀態(tài)下，能量從母線流到電機(jī)；發(fā)電狀態(tài)下，能量從電機(jī)流向母線。2 種狀態(tài)能量流動(dòng)方向相反，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)電機(jī)為正轉(zhuǎn)矩、發(fā)電狀態(tài)時(shí)電機(jī)為負(fù)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變。

為了數(shù)據(jù)的可比性，試驗(yàn)條件需要保持恒定。母線電壓為350 V，控制器入水口溫度為60 ℃、入口體積流量為10 L/min，油溫為90 ℃，環(huán)境溫度為（25±5） ℃，完成磨合，試驗(yàn)前先熱機(jī)。轉(zhuǎn)速范圍為500～5 500 r/min，500 r/min 為步長(zhǎng)；空載到滿載，電機(jī)轉(zhuǎn)矩10 N·m 作為步長(zhǎng)。運(yùn)行時(shí)間8 s，采樣頻率為100 Hz，取均值。電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)均需要測(cè)試。

采用五段式SVPWM 軟件和七段式SVPWM軟件的電機(jī)系統(tǒng)效率見表3（效率占比是大于某效率的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)與測(cè)點(diǎn)總數(shù)的比）。由表3 可見，采用不同軟件的電機(jī)系統(tǒng)效率均優(yōu)于目標(biāo)值，其中采用七段式SVPWM 軟件的電機(jī)系統(tǒng)效率略遜于采用五段式SVPWM 軟件的電機(jī)系統(tǒng)效率。

整車經(jīng)濟(jì)性與工況相關(guān)，法規(guī)工況區(qū)的效率尤為重要。在仿真軟件Cruise 中使用同一模型（該模型已通過精度校準(zhǔn)），分別導(dǎo)入2 種軟件的實(shí)測(cè)電機(jī)系統(tǒng)效率脈譜圖，計(jì)算法規(guī)工況下的整車經(jīng)濟(jì)性。從計(jì)算結(jié)果來看，2 種脈譜圖的全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（WLTC）純電續(xù)航里程均為64 km，燃料消耗模式的百公里燃油耗均為6.13 L（電池電量變化為0.8%），經(jīng)濟(jì)性無差異。

臺(tái)架測(cè)試和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真結(jié)果表明，2 種算法軟件的系統(tǒng)效率差異對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性無影響，故認(rèn)為2 種軟件的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過以上臺(tái)架、整車試驗(yàn)、整車仿真，驗(yàn)明七段式SVPWM 軟件能明顯優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的電磁噪聲，電機(jī)的輸出特性、系統(tǒng)效率僅輕微變化，達(dá)到開發(fā)指標(biāo)，整車表現(xiàn)無差異，可以作為量產(chǎn)方案。以上優(yōu)化案例可為該款PHEV 電機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能平衡和電機(jī)軟件方案選擇提供參考。

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