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改善直流無刷電機電磁噪音的驅動方式

文章來源：永阜康科技更新時間：2019/1/22 11:26:00

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　　【摘要】全球倡導“低碳環保生活”，因此高效節能的直流無刷電機的應用就越來越廣泛。如何降低直流無刷電機的噪音、振動，提高產品的舒適度，是各大電機制造商對直流無刷電機研究的主要課題之一。本文主要敘述了直流無刷電機噪音、振動產生的原因以及傳統解決的方法。同時提出了通過改良傳統的直流無刷電機驅動方式，消除電機驅動在換相過程中所產生的負電流，避免負電流引起的轉子徑向電磁力脈動而引起的噪音以及振動。
　　【關鍵詞】直流無刷電機；噪音；振動；消除負電流；電機驅動
　　1 降低電機電磁噪音的意義
　　噪聲直接影響人體的健康，若人們長時間在較強的噪聲環境中，會覺得痛苦、難受，甚至使人的耳朵受損，聽力下降，甚至死亡。噪聲是現代社會污染環境的三大公害之一。為了保障人們的身體健康，國際標準化組織（ISO）規定了人們容許噪聲的標準。我國對各類電器的噪聲也作出了相應的限制標準。電機是產生噪聲的聲源之一，電機在家用電器、汽車、辦公室用器具以及工農醫等行業廣泛地應用著，與人民的生活密切相關。因此，盡量降低電機的噪音，生產低噪音的電機，給人們創造一個舒適、安靜的生活環境是每個設計者與生產者的職責。
　　2 直流無刷電機噪音形成的原因分析以及傳統解決方法
　　引起直流無刷電動機振動和噪聲的原因很多，大致可歸結為機械噪音和電磁噪音。
　　2.1 機械噪音的成因以及解決措施
　　2.1.1 直流無刷電機的機械噪音產生的原因
　　（1）軸承噪聲。由于軸承與軸承室尺寸配合不適當，隨電機轉子一起轉動產生噪音。滾珠的不圓或內部混合雜物，而引起它們間互相碰撞產生振動與噪聲。軸承的預壓力取值不當，導致滾道面有微振也會產生噪音。
　　（2）因轉子不平衡而產生的噪聲。
　　（3）裝配偏心而引起的噪聲。
　　2.1.2 降低機械噪聲應采取下列方法
　　（1）一般應采用密封軸承，防止雜物進入。
　　（2）軸承在裝配時，應退磁清洗，去油污與鐵屑。清洗后的軸承比清洗前的軸承噪聲一般會降低2～3dB。潤滑脂要清潔干凈，不能含有灰塵、雜質。
　　（3）軸承外圈與軸承室的配合、內圈與軸的配合，一般不宜太緊。軸承外圈與軸承室的配合，其徑向間隙宜在3～9μm的范圍內。
　　（4）為消除轉子的軸向間隙，必須對軸承施加適當的壓力。一般選用波形彈簧墊圈或三點式彈性墊圈，且以放在軸伸端為宜。
　　（5）使用去重法或加重法進行對轉子動不平衡進行修正。
　　（6）磁鋼與輸出軸間填充緩沖材，可以吸收轉子在換相過程中產生的微小振動，同時避免輸出軸與外界負載剛性連接，而把外界振動傳遞到磁鋼，影響勵磁所產生的轉矩突變。防止轉動頻率與負載間產生共振而引起空氣噪音。
　　2.2 電磁噪音的成因以及解決措施
　　直流無刷電機電磁噪音產生的原因主要有：1.由氣隙磁場作用于定子鐵芯的徑向分量所產生脈動。它通過磁軛向外傳播，使定子鐵芯產生振動變形。2.是氣隙中諧波磁場產生的轉矩脈動，它與主磁場產生的電磁轉矩相反，使鐵芯齒局部變形振動。通常具有齒槽倍頻率特性。當徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時，就會引起共振，使振動與噪聲增大。3.轉子磁鋼在繞組通電換相過程中，會產生脈動轉矩，使電動機運行時轉子徑向受力不均勻，引起電機負載發生微振動而產生噪音。4.是換相轉矩脈動引起振動、噪音。這是方波型驅動無刷直流電機特有的問題。它是由于電機電樞繞組相電感的延時作用，從而在電機換相時所產生的轉矩脈動。根據麥克斯韋定理，單位面積的氣隙磁場中的徑向電磁力計算：
　　Pr = B2（θ，t）/（2μ0）
　　式中：
　　B――氣隙磁密
　　θ――機械角位移
　　μ0――真空磁導率
　　2.2.1 主磁場產生的電磁拉力
　　主磁場B1所產生的徑向力為：Pr1=P0+P1，式中，P0=B2/4μ0是固定的徑向力，它均勻作用于圓周上，不會產生振動與噪聲。P1=P0cos（2pθ-2ω1t-2θ0），其中p是轉子的極對數，ω1―轉子的角速度，θ0―初相角。P1是徑向電磁力的交變部分，這個電磁力的角頻率是2ω1，即2倍的換相頻率，它使定、轉子產生2倍換相頻率的振動與噪聲。它的強度與氣隙磁密的平方成正比。在電機負載小，轉速高的情況下，產生較大的影響，而在一般情況下，轉速不高，換相頻率低的情況下，其影響不顯著。
　　2.2.2 諧波磁場產生的轉矩脈動
　　諧波轉矩脈動產生的原因由于定子繞組的電感特性，實際流入三相線圈的電流，將會落后三相輸入電壓一個角度Δθ，而導致正弦波電流無法與反電動勢同相，電機反電勢已經不是理想的梯形波，而控制系統仍是按理想的梯形波反電勢給電機繞組提供方波電流。因此會產生轉矩。此類轉矩脈動解決的辦法有兩個：一種解決方法是，通過對電機本體定子繞組、氣隙齒槽的優化設計，使無刷電機的反電勢趨向于理想的反電勢波形，從而達到減少電機轉矩脈動的目的。另一種方法是，事先通過預測反電動勢，采用合適的控制方法尋找最佳的電流波形來消除轉矩脈動。這種最佳電流法能消除非理想反電勢引起的轉矩脈動，但事先要對反電勢進行實時跟蹤，且根據測得的反電勢快速計算最優電流也不易，因此要解決此問題，必須選用處理速度較高的處理器，對滯后的電流相位角進行預測修正。
　　2.2.3 由一階齒諧波所產生的齒槽轉矩脈動
　　齒槽轉矩脈動是由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對應的電樞表面的氣隙磁導不均勻，當轉子旋轉時，在一個磁狀態內，磁路磁阻發生變化從而引起齒諧波轉矩脈動。齒槽轉矩脈動與定子電流無關，是電機本身構造所存在的缺陷。當轉矩頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，齒槽轉矩脈動和噪聲將被放大，影響電機在速度控制系統中的低速性能，和位置控制系統中的高精度定位。　　抑制由齒槽引起的轉矩脈動的方法可采用轉子斜向充磁的方法（如圖1、圖2、圖3所示）可將諧波引起的噪音削弱。一般情況下，轉子磁極斜一個定子槽距時，其齒諧波所產生的徑向力要比直充磁時小得多。
　　圖1 圖2 圖3
　　3 由于換相轉矩脈動引起振動、噪音的解決方法
　　如何解決直流無刷電機在換相時產生的轉矩脈動引起振動、噪音，是本研究的主要內容。傳統的直流無刷電機驅動調速方式：“六步方波驅動之PWM-PWM切換”
　　3.1 六步方波驅動之PWM-PWM切換
　　120°的轉子磁極位置偵測，在三個霍爾傳感器上方，當轉子磁鋼360°旋轉時，只會出現六種信號變化。如圖4所示，只要根據這六種信號變化在定子的三相繞組上，提供對應的電流方向，就可產生旋轉的磁場，吸引轉子轉動。每一種霍爾信號都會對應一種PWM 輸出形式，共有六種不同的 PWM 輸出形式在360° 中，每 60° 切換一次。所以，又稱為六步方波驅動。
　　圖4 六步方被驅動的“PWM-PWM”切換模式
　　圖5 從U-W到U-V的換相過程
　　采用 “PWM-PWM” 切換模式的情況下，非常方便使用高壓側驅動 IC （High/Low-Side Driver）搭配上/下橋都是 N溝MOSFET 或 IGBT 做為馬達的驅動電路。因為上橋在任一換相周期內不會持續導通，而且上橋關閉時其同相的下橋會導通，執行同步整流提高效率。此時高壓側驅動 IC 的自激電路也有機會充電，可以持續補充能量驅動 MOSFET。使用這種切換方式的 PWM 輸出，雖然驅動電路會比較簡單，而且不用擔心上橋 MOSFET 可能會出現無法開啟或導通不完全的現象。不過，它卻會在兩步連續輸出 PWM 的中間，另外兩相下橋交換導通的瞬間，出現負電流回流電源端，如圖 5所示。而該負電流正是方波驅動的主要噪音來源之一。此負電流的產生原因，是因為 U-相輸出 PWM時，從 W-相下橋導通要切換到 V-相下橋導通的瞬間。當 W-相的下橋關閉，而且 U-相的 PWM 亦為關閉的時候，U-相和 W-相的電感呈現逆向極性，將原本儲存于電感中的能量，以負向電流 IW-U 經由 W-相上橋 MOSFET 的內藏二極管流回電源端。由于負電流而產生諧波磁場，在短時間內產生阻礙主磁場旋轉交變，最終導致轉子振動。
　　3.2 方波驅動之 “PWM-ON” 切換模式
　　為避免 “PWM-PWM” 切換方式的負電流產生，同時降低方波驅動的噪音。本文提出采用 “PWMON”的切換輸出方式。由圖6可看出 “PWMPWM”與 “PWM-ON” 差異的地方，在于第-2/4/6步要切換到第-3/5/1 步的時候，原本輸出 PWM 的相位的上橋 MOSFET 會直接變成完全導通的狀態，同時改由另外一相的下橋輸出 PWM。因此就不會造成三相繞組的電感，出現逆向極性的狀況而產生負向電流。而且，依然保有“PWM-PWM” 相同的電流方向和磁場。因為這種切換方式的每一相輸出，都是先上橋輸出PWM，然后切換到下一步時，則上橋就變成完全導通的狀態，所以我們簡稱它叫 “PWM-ON” 切換模式。
　　圖6 PWM-ON 切換模式
　　3.3 改進后驅動方式噪音結果
　　改進后驅動方式噪音對比如圖7所示。
　　圖7 改進后驅動方式噪音對比
　　從上圖測試數據，改善前，電機在帶負載時，轉速在500r/min時會產生尖銳的突變噪音。改善驅動后，尖銳的噪音有效消除。減少了4dB.可見該方法對改善電機換相轉矩脈動引起振動、噪音有明顯的成效。

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