一种基于伪随机技术的PMSM驱动器噪声抑制方法

本发明属于永磁同步电机控制领域，可应用于永磁同步电机在低速高频注入时降低高频噪声，大幅度增加永磁同步电机无位置传感器控制方法的可靠性，拓展了适用的环境范围。

背景技术：

与现有的交流和直流电动机不同，永磁同步电动机具有许多优势，例如高转矩惯性比，高功率密度，高动态响应的优点。但是永磁同步电机，气隙中存在的基本交流磁通会产生麦克斯韦力，会引起噪声和振动，这些噪声和振动会通过电机传递到其周围环境。

电机噪声包括机械振动、空气动力振动与电磁振动三种，其中电磁噪声是噪声产生最大原因，其有两种来源分别是磁滞伸缩力和麦克斯韦力。麦克斯韦力有两种类型：径向力和切向力。作用在定子齿尖上的麦克斯韦力的径向分量是电机中电磁噪声的主要原因，麦克斯韦力的切向力分量的大小与径向分量相比很小，可以忽略不计。由于高阶定子电流时间谐波而产生的这些寄生振荡转矩大于由空间谐波产生的振荡转矩。脉动转矩可能会对电动机的振动和声音产生重大影响，并且主要是由于pwm产生的定子电流波动而产生的。在高速情况下，转矩脉动通常会被系统滤除。但是，在低速时，转矩脉动会产生明显的影响，会影响位置控制并且产生较大噪音。

当谐波磁通量集中在特定频率(例如开关频率及其倍数)时，会产生较大噪声。pwm逆变器的开关频率对整个机器噪声有重大影响。在高频注入频谱分析时可以发现，对于周期性信号，频谱离散分布，而对于非周期性信号，频谱为连续分布。根据帕萨瓦尔定理，在时域内能量分布不变时，其在频域内能量也是恒定不变的，为了确保频域内的能量恒定，随着谐波频带的增加，其谐波的幅值必然会降低。即，当谐波电流频谱向一个较宽范围的频段分散时，消除明显的尖峰，就能改善高频噪声特性。本发明利用周期性改变频率的方式扩大频谱，削弱高频谐波信号峰值，从而降低噪声干扰。

技术实现要素：

本发明用于解决永磁同步电机高频注入无传感器控制时的高频谐波噪声问题，意在通过伪随机高频注入扩展高频谐波频谱，降低各频率高频谐波幅值，减少高频噪声干扰。

本发明技术方案所述的方法如附图1流程图表示，主要有以下步骤：(1)永磁同步电机高频注入噪声来源分析，低速时高频谐波集中于特定频率范围；(2)建立静止坐标系、旋转坐标系与虚拟旋转坐标系，建立永磁同步电机高频数学模型；(3)确定注入频率范围，将最高频率fmax与最低频率fmin做差值并进行n等分获取累加频率(4)最低频率fmin加上不同整数倍的累加频率δf获取初始频率集；(5)对初始频率集最简整数比进行奇偶判定，最终保存为一频率集；(6)对频率集中每一个频率分配注入概率为进行随机依次注入，也即每频率注入一次后舍弃，保证每一频率均被注入且注入概率相同；(7)使用复矢量pi控制器代替电流环中普通pi控制器，以实现对高频信号的快速响应、一定的滤波性能和信号无误差跟踪；(8)用差分法获取高频响应信号，并用包络线法解调转子位置信息。

进一步的，发明中建立的坐标系分为静止坐标系、旋转坐标系与虚拟旋转坐标系，三坐标系之间的角度关系如图2所示，在高频电流解调时，当旋转坐标系与虚拟旋转坐标系之间的角度在复矢量pi控制器输出为零时，也即实现了对转子位置的实时跟踪。

进一步的，本专利在高频注入时，由虚拟直轴注入高频方波电压用于激发高频电流，在虚拟交轴注入正交方波电压，用于位置信息解调。由静止坐标系提取高频响应电流，并使用差分法分离高频电流与基波电流，避免了低通滤波器的使用。

进一步的，随机高频注入时会在基波电流出产生较多的谐波干扰，因此电机电流环既需要实现对给定信号的无误差跟踪、电流信号快速响应又需要一定的滤波性能，本专利设计复矢量pi控制器代替普通pi控制器，在实现电流环功能的同时，利用复矢量pi控制器的陷波特性实现一定的滤波性能；

进一步的，高频响应电压解调时，遵循如图3所示步骤，先提取出高频响应电压峰值包络线，求出包络线公式。由包络线公式可得出转子角度与包络线相关的结论，此时作均一化处理并做反正切运算即可得出转子位置初始值；

进一步的，通过psd分析可知，当注入频率最简整数比数值全为奇数时，功率密度频谱中一定有离散频谱的生成，在特定频率幅值较大，产生较大噪声。当注入频率中最简整数比中含有偶数时，无离散频谱生成，根据帕萨瓦尔定理可知，此时频谱能量被分散，可较大程度抑制噪声；

进一步的，本专利所采用的伪随机频率切换技术即所有注入频率伪随机生成，即通过确定频率累加的方式产生频率，因累加的频率值有确定的由1开始的顺序整数倍关系，所以在约分为最简整数比后必然为奇偶相间。由最低频率加上上述所得累加频率值后，所得频率必然不可能为纯奇数频率，进行最简整数比奇偶判定后保留为一频率集。保证了所有频率取最简整数比后，仍有偶数存在，从而保证抑制离散频谱的生成。

如上所述，本发明提供的一种基于伪随机技术的pmsm驱动器噪声抑制方法，本发明的有益效果如下：

1、本发明使用高频方波注入法，极大程度避免在解调时使用滤波器，可实现更低频注入。

2、本发明使用复矢量pi控制器代替pi控制器，实现电流环对电流的无误差跟踪与一定的滤波性能。

3、本发明使用限定判偶累频的方式实现伪随机频率信号注入，杜绝离散频谱的生成，拓宽能量分布，降低噪声。

4、本方法适用于永磁同步电机低速状态下的各种应用场合，硬件电路易实现，可靠性高。

附图说明

图1为本发明具体实施例的伪随机注入噪声抑制流程图；

图2为本发明具体实施例的电机模型与坐标系；

图3为本发明具体实施例的转子位置解调方法图；

图4为本发明具体实施例的伪随机注入方法框图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

所述旋转坐标系与虚拟旋转坐标系是定义转子n极指向方向为d轴，与其垂直方向为q轴，虚拟d轴即γ轴与d轴夹角为δθ，与其垂直的轴为虚拟q轴，坐标系分布如图2所示。高频注入时高频信号有虚拟直轴注入，高频响应信号由静止坐标系提取。

所述复矢量pi控制器，即把pi控制器的中心频率从零点偏移到需要的频率处，在中心频率处的增益为无穷大，在其余位置增益较小，实现一定的滤波性能，并且可以实现对交流信号与直流信号的无误差跟踪。

所述伪随机频率技术即按照随机累频注入的方式改变信号频率，因累加频率有由1开始的整数倍关系，必为奇偶相间的最简整数比关系，累加至最低频率后所得频率最简整数比不可能全为奇数，此时附加一限定条件如下：在注入的各频率中，判定有最简整数比数值为偶数的频率时才保存频率集。

详细的操作过程如下：

s1、如图2为永磁同步电机坐标系的建立，其中包括静止坐标系、旋转坐标系与虚拟旋转坐标系，当电机转速较低且注入信号频率远大于转子磁场旋转频率时，反电动势所占电压比例小，且不含高频成分，则高频电压模型如下式：

其中udh、uqh分别为直轴与交轴高频电压，ldh、lqh为直轴与交轴高频电感，p为微分算子，idh、iqh为直轴与交轴响应电流。

电机绕组呈感性，因此注入的高频方波信号必须是一个连续函数；方波注入法在原理上可允许更低的谐波注入频率，且可以实现无滤波器解调转子位置信息。在高频注入时，由虚拟直轴注入高频方波电压，由虚拟交轴注入正交解调方波，由静止坐标系提取高频响应电流，避免低通滤波器的使用。方波电压注入时，注入信号为两注入信号相互正交，以便位置信息解调，式中uh为方波幅值，t为注入方波周期，n为大于零的整数。

s2、如图4为伪随机频率注入原理框图，将最低频率fmin(f1)与最高频率fmax(fn)做差并求出频率变化量δf，如下式：

由频率累加可取得一系列即：f1+δf、f1+2δf、f1+kδf等，k值为0至n的任意整数。可获得初始频率集为：

{fmin+δffmin+2δf…fmin+kδf…fmax}；

s3、对初始频率集中的频率进行最简整数比奇偶判定，也即频率最简整数lk/2取余数，若余数为零，则判定为偶数，若余数不为零，则判定其为奇数。

因累加的频率值有确定的由1开始的顺序整数倍关系，所以在约分为最简整数比后必然为奇偶相间，即为1：2：3：…：n，而最低频率fmin为确定实数，非奇即偶。由最低频率加上上述所得累加频率值后，对最简整数比进行奇偶判定后保留为一频率集。判定为奇数时，在此频率的相近值中取一偶数频率fb代替此频率fa,保留剩余频率与fb于频率集中；

s4、对最终保留的频率集中每一个频率分配注入概率为在频率切换注入时，根据概率随机选取频率进行注入，也即完成随机切换。每频率仅注入一次就将其从频率集中舍弃，确保随机频率注入每一频率的注入概率不变，避免同一频率持续注入引起离散频谱的生成，同时保证奇偶判定结果不发生改变；

s5、利用差分法将高频电流与基波电流分离后，使用包络线解调法解调高频电流，可得响应电压包络线公式：

iγhsin＝-uhωh[l-δlcos(2θe)]；

iγhcos＝u[rs+(2ω-ωe)δlsin(2θe)]；

iδhsin＝uhωhδlsin(2θe)；

iδhcos＝uh[ωel+(ωe-2ω)δlcos(2θe)]；

为了减小高频噪声，可通过调整注入高频信号的频率分散电流频谱的能量。

如图3使用包络线解调法，将得到的高频电流进行延时差分处理后，利用符号函数进行归一化，从而得到高频电流的包络线isin与icos,最后进行反正切运算即可得到转子位置信息送入转速环中。

s6、基波电流送入复矢量pi控制器，复矢量pi控制器在其中心频率处有无限大增益，可以对基波正弦电流进行无误差跟踪且没有相移，其传递函数如下：

调节复矢量pi控制器带宽频率ωc控制电流环带宽与中心频率，测试电流环中反馈的基波电流，直至基波电流不再波动，电流环中仅有基波电流流过。此时，复矢量pi控制器可以实现对高频谐波的过滤。

使用psd分析，结果显示功率密度频谱中不再含有离散分量，噪声与振动得到了极大程度抑制。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。