一种降低开关磁阻电机噪声的方法
【专利摘要】本发明公开了一种降低开关磁阻电机噪声的方法，基于调节电机各相开通角和关断角，通过为每相引入不同的角度偏移量，使得各相开通角和关断角不同，以破坏激励的周期性，进而破坏电磁力周期性，避免其频率与电机固有频率一致，达到破坏共振、降低电机噪声的目的。本发明提出的调节开通角和关断角降低开关磁阻电机噪声的方法无需任何硬件电路辅助，应用成本低廉，易于实现。
【专利说明】
一种降低开关磁阻电机噪声的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及独立式绕组的开关磁阻电机，尤其涉及一种降低开关磁阻电机噪声的方法，该方法基于调节开通角和关断角，可以避免电磁力变化频率与定子固有频率重合，达到破坏共振、降低噪声。特别适用于某些对噪声要求敏感的场合，如航空、电动汽车、家用电器等，属于电机控制技术领域。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机由于其无需永磁体材料及转子无绕组，相比于传统的交流感应电机、永磁同步电机等具有简单可靠、免维护、启动力矩大、效率平台宽等优点，已引起电动汽车产业的广泛关注。然而，由于开关磁阻电机的双凸极结构和非连续电流控制方式，其运行时噪声大于传统电机，使得其在对噪声敏感的场合受到了发展限制，如航空、电动汽车、家用电器等。
[0003]在机加工过程控制优良的前提下，噪声主要来源于电磁力的变化，其产生机理是:由于开关磁阻电机为双凸极结构，其在换相周期内电磁力出现剧烈变化，在运行过程中导致定子产生周期性的伸缩变形后产生振动，尤其当这个变化频率与定子固有频率重合时，振动程度显著增大。因此，需要一种非周期性的控制方式，破坏电磁力变化周期，进而避免电磁力变化频率与定子固有频率一致，达到破坏共振、降低噪声的目的。
【发明内容】
[0004]本发明针对开关磁阻电机运行过程中周期性的电磁力与定子固有频率重合引起的共振噪声，提出一种降低开关磁阻电机噪声的方法，该方法基于调节电机各相的开通角和关断角，可以避免电磁力变化频率与定子固有频率重合，达到破坏共振、降低噪声。
[0005]本发明的技术方案如下:一种降低开关磁阻电机噪声的方法，开关磁阻电机为独立式绕组开关磁阻电机，以不对称半桥功率变换器作为电源，Aup、BUp、CUp信号分别为控制A相、B相、C相桥臂中的上开关功率管栅极的信号，Adn、Bdn、Cdn信号分别为控制A相、B相、C相桥臂中的下开关功率管栅极的驱动信号，不对称半桥功率变换器通过轮流开通或关断三相电机绕组接通电源，驱动电机运行，完成包括励磁、续流和回流的控制过程；
[0006]其特征在于:首先，根据实际应用需求，为各相设定相同的开通角和关断角，然后，为每相引入不同的角度偏移量，使得各相的开通角和关断角不同，并以此获得各相新的开通角和新的关断角，但引入的角度偏移量不应使新的开通角和新的关断角进入绕组电感下降区，在角度位置控制APC模式下，采用霍尔位置信号传感器采样开关磁阻电机三相位置信号，并送入微型处理器MCU，利用微型处理器MCU中内置的角度计算算法，分别获取各相当前所处的转子角度位置，当某相的当前转子角度位置介于该相新的开通角及新的关断角之间时，则微型处理器MCU输出对应该相上开关管及下开关管的开通信号；当该相当前的转子角度位置小于新的开通角或大于新的关断角时，则微型处理器MCU输出对应该相上开关管及下开关管的关断信号，实现破坏激励的周期性，避免电磁力变化频率与定子固有频率重合，达到破坏共振、降低电机噪声。
[0007]可采用以下步骤实现:
[0008]I)为各相设定相同的开通角Inl和关断角In2，作为初始值；
[0009]2)为A、B、C三相分别引入角度偏移量In3、In4、In5，In3乒In4乒In5，用以破坏激励周期性，In3、In4、In5的取值应始终保持产生的新的开通角和新的关断角处于非绕组电感下降区；
[0010]3)计算得到A相新的开通角In6、新的关断角In7; B相新的开通角In8、新的关断角In9;C相新的开通角InlO、新的关断角为Inll，计算公式如下:
[0011]In6 = Inl_In3
[0012]In7 = In2_In3
[0013]In8 = Inl_In4
[0014]In9 = In2_In4
[0015]InlO = Inl-1n5
[0016]Inll = In2_In5;
[0017]4)微型处理器MCU通过霍尔位置信号传感器获取开关磁阻电机A、B、C三相当前的转子角度位置信号Inl2、Inl3、Inl4;
[0018]5)经过微型处理器M⑶中内部的转子位置角度算法，计算得到电机A、B、C三相对应的转子当前的位置角度Inl5、Inl6、Inl7;
[0019]6)当A相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，S卩In6彡Inl5彡In7，则微型处理器M⑶将A相上、下开关管控制信号Aup、Adn置高，A相导通，进入励磁状态；而当A相转子位置角度不介于新的开通角及新的关断角之间时，S卩Inl5〈In6或Inl5>In7时，微型处理器MCU将A相上、下开关管控制信号Aup、Adn置低，A相不导通；同理，当B相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，即InS彡Inl6彡In9时，微型处理器M⑶将B相上、下开关管控制信号Bup、Bdn置高，B相导通，进入励磁状态；而当Inl6〈In8或Inl6>In9时，微型处理器M⑶将B相上、下开关管控制信号Bup、Bdn置低，B相不导通；当C相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，即InlO彡Inl7彡Inll时，微型处理器M⑶将C相上、下开关管控制信号Cup、Cdn置高，C相导通，进入励磁状态，而当Inl7〈InlO或Inl7>Inl I时，微型处理器MCU将C相上、下开关管控制信号Cup、Cdn置低，C相不导通；
[0020]7)若电机相数N>3，每相均采用上述控制方法。
[0021]本发明具有如下优点及显著效果:
[0022]I)本发明在不影响开关磁阻电机转速、转矩、效率等性能的情况下，大大降低了电机运行过程中的振动噪声。
[0023]2)噪声抑制范围广，任何转速范围、负载条件下均适用。
[0024]3)方法简单，无需复杂算法，易于实现。
[0025]4)无需任何硬件电路辅助，成本低，可靠性高。
【附图说明】
[0026]图1是本发明基于调节开通角和关断角降低开关磁阻电机噪声方法的运行流程图；
[0027]图2是应用本发明后开关磁阻电机控制系统整体结构图；
[0028]图3是本发明中独立绕组式开关磁阻电机绕组示意图。
[0029]图4是本发明中功率变换器所采用的不对称半桥电路结构图。
[0030]图5是使用本发明前后电流及径向电磁力对比图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实例详细说明本发明提供的具体方法和运行过程(以三相12/8极开关磁阻电机为例)。
[0032]本发明方法的运行流程图如图1所示。首先，根据实际应用需求，为各相设定相同的开通角Inl和关断角In2，作为初始值(i);其次为A、B、C三相分别引入角度偏移量In3、In4、In5，In3^In4^In5，用以破坏激励周期性，In3、In4、In5的取值应始终保持产生的新的开通角和新的关断角处于非绕组电感下降区(ii);经计算得到A相新的开通角、新的关断角为In6、In7，B相新的开通角、新的关断角为In8、In9，C相新的开通角、新的关断角为InlO、Inll(iii);微型处理器M⑶通过霍尔位置信号传感器获取开关磁阻电机A、B、C三相当前的转子角度位置信号11112、11113、11114(^);经过10]中内部的转子位置角度算法，计算得到电机八^、(:三相对应的转子当前的位置角度11115、11116、11117(￥);当4相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，即In6彡Inl5彡In7，则微型处理器MCU将A相上、下开关管控制信号Inl8、Inl9置高，而当A相转子当前的位置角度不介于新的开通角及新的关断角之间时，S卩Inl5〈In6或Inl5>In7时，微型处理器MCU将A相上、下开关管控制信号Inl8、Inl9置低(vi);同理，当B相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，S卩InS彡Inl6彡In9时，微型处理器MCU将B相上、下开关管控制信号In20、In21置高，而当Inl6〈In8或Inl6>In9时，微型处理器M⑶将B相上、下开关管控制信号In20、In21置低(vii);当C相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，即InlO<Inl7<Inll时，微型处理器MCU将C相上、下开关管控制信号In22、In23置高，而当Inl7〈InlO或Inl7>Inll时，微型处理器MCU将C相上、下开关管控制信号In22、In23置低(vi i i)。
[0033]若电机相数N>3，每相均可采用上述控制方法。
[0034]上述方法中，A、B、C三相新的开通角In6、In8、InlO及三相新的关断角In7、In9、Inll计算公式为:
[0035]In6 = Inl_In3
[0036]In7 = In2_In3
[0037]In8 = Inl_In4
[0038]In9 = In2_In4
[0039]InlO = Inl-1n5
[0040]Inll = In2-1n5o
[0041]应用本发明后的整个开关磁阻电机控制系统结构图如图2所示，其为整个电机驱动系统提供动力。其工作原理是:根据实际应用需求，为各相设定相同的开通角和关断角，然后为每相引入不同的角度偏移量，使得各相的开通角和关断角不同，并以此获得各相新的开通角和关断角，但引入的角度偏移量不应使新的开通角和新的关断角进入绕组电感下降区，。在角度位置控制APC模式下，在角度位置控制APC模式下，采用霍尔位置信号传感器采样开关磁阻电机三相位置信号，并送入微型处理器MCU，利用微型处理器MCU中内置的角度计算算法，分别获取各相当前所处的转子角度位置，当某相的当前转子角度位置介于该相新的开通角及新的关断角之间时，则微型处理器MCU输出对应该相上开关管及下开关管的开通信号，当该相当前的转子角度位置小于新的开通角或大于新的关断角时，则微型处理器MCU输出对应该相上开关管及下开关管的关断信号。图2中所示电源根据电动车行业通常采用48V?72V直流电源，微型处理器M⑶采用意法半导体ST公司的STM32F103R8T6，功率变换器为不对称半桥功率变换器，电流采样使用集成在控制器内部的康铜丝进行采样，电机为独立绕组式开关磁阻电机，霍尔位置信号传感器US4881KUA用于开关磁阻电机转子位置检测。
[0042]图3所示为独立绕组式开关磁阻电机结构示意图，以12/8极电机为例，定子凸极均采用集中绕组，共12个定子凸极，分为三相，每相包含4个定子凸极，4个凸极间的绕线采用两并两串形式，每一相均可以独立控制。
[0043]图4所示为本发明中功率变换器所使用的不对称半桥结构，为广泛使用的已知结构。其中，Aup、Bup、Cup分别为三相上桥臂开关管驱动信号，And、Bdn、Cdn对应三相下桥臂开关管驱动信号。按照指定的顺序，三相轮流激励，驱动电机连续旋转。
[0044]图5所示为使用本发明前后，电流及径向电磁力示意图。在未使用本发明前，三相开通角Inl、In2相同，在转速稳定的情况下，三相以相同的速度换相激励，三相各自产生的径向电磁力以固定的周期T施加在电机定子，这个周期T反比于电机转速，在全转速范围内，必然有一个转速使得径向电磁力的频率f= 1/T与定子固有频率重合，引发共振，产生噪声。使用本发明后，以初始开通角、关断角为0°、15°43、(:相的偏置角度分别为0°、1°、-3°为例，施加在定子上的径向电磁力将不再以固定的周期T变化，以此破坏共振，消除噪声。
[0045]本发明的优点是在不影响开关磁阻电机转速、转矩、效率等性能的情况下，大大降低了电机运行过程中的振动噪声，抑制范围广，无需任何硬件电路辅助，成本低，可靠性高，易于实现。
[0046]以上借助实例描述了本发明的【具体实施方式】，但是应该理解的是，前述具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
【主权项】
1.一种降低开关磁阻电机噪声的方法，开关磁阻电机为独立式绕组开关磁阻电机，以不对称半桥功率变换器作为电源，Aup、BUp、CUp信号分别为控制A相、B相、C相桥臂中的上开关功率管栅极的信号，Adn、Bdn、Cdn信号分别为控制A相、B相、C相桥臂中的下开关功率管栅极的驱动信号，不对称半桥功率变换器通过轮流开通或关断三相电机绕组接通电源，驱动电机运行，完成包括励磁、续流和回流的控制过程； 其特征在于:首先，为各相设定相同的开通角和关断角，然后，为每相引入不同的角度偏移量，使得各相的开通角和关断角不同，并以此获得各相新的开通角和关断角，但引入的角度偏移量不应使新的开通角和新的关断角进入绕组电感下降区，在角度位置控制APC模式下，采用霍尔位置信号传感器采样开关磁阻电机三相位置信号，并送入微型处理器MCU，利用微型处理器MCU中内置的角度计算算法，分别获取各相当前所处的转子角度位置，当某相的当前转子角度位置介于该相新的开通角及新的关断角之间时，则微型处理器MCU输出对应该相上开关管及下开关管的开通信号，当该相当前的转子角度位置小于新的开通角或大于新的关断角时，则微型处理器MCU输出对应该相上开关管及下开关管的关断信号，实现破坏激励的周期性，避免电磁力变化频率与定子固有频率重合，达到破坏共振、降低电机噪声。2.根据权利要求1所述的降低开关磁阻电机噪声的方法，包括以下步骤: 1)为各相设定相同的开通角Inl和关断角In2，作为初始值； 2)为六3、(:三相分别引入角度偏移量1113、1114、1115，1113#1114#1115，用以破坏激励周期性，In3、In4、In5的取值应始终保持产生的新的开通角和新的关断角处于非绕组电感下降区； 3)计算得到A相新的开通角In6、新的关断角In7； B相新的开通角In8、新的关断角In9 ； C相新的开通角InlO、新的关断角为Inll，计算公式如下: In6 = Inl_In3 In7 = In2_In3 In8 = Inl_In4 In9 = In2_In4 InlO = Inl_In5 Inll = In2_In5; 4)微型处理器MCU通过霍尔位置信号传感器获取开关磁阻电机A、B、C三相当前的转子角度位置信号Inl2、Inl3、Inl4; 5)经过微型处理器MCU中内部的转子位置角度算法，计算得到电机A、B、C三相对应的转子当前的位置角度Inl5、Inl6、Inl7; 6)当A相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，S卩In6彡Inl5彡In7，则微型处理器M⑶将A相上、下开关管控制信号Aup、Adn置高，A相导通，进入励磁状态;而当A相转子位置角度不介于新的开通角及新的关断角之间时，即Inl5〈In6或Inl5>In7时，微型处理器M⑶将A相上、下开关管控制信号Aup、Adn置低，A相不导通；同理，当B相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，即InS彡Inl6彡In9时，微型处理器MCU将B相上、下开关管控制信号Bup、Bdn置高，B相导通，进入励磁状态；而当Inl6〈In8或Inl6>In9时，微型处理器M⑶将B相上、下开关管控制信号Bup、Bdn置低，B相不导通；当C相转子当前的位置角度介于新的开通角及新的关断角之间，即InlO<Inl7<Inll时，微型处理器MCU将C相上、下开关管控制信号Cup、Cdn置高，C相导通，进入励磁状态，而当Inl7〈InlO或Inl7>Inll时，微型处理器MCU将C相上、下开关管控制信号Cup、Cdn置低，C相不导通； 7)若电机相数N>3，每相均采用上述控制方法。
【文档编号】H02P25/08GK106059443SQ201610580106
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月21日 公开号201610580106.2, CN 106059443 A, CN 106059443A, CN 201610580106, CN-A-106059443, CN106059443 A, CN106059443A, CN201610580106, CN201610580106.2
【发明人】钟锐, 郭小强, 张铭书, 孙伟锋, 陆生礼, 时龙兴
【申请人】东南大学