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改善直流無(wú)刷電機電磁噪音的驅動(dòng)方式

文章來(lái)源：永阜康科技更新時(shí)間：2019/1/22 11:26:00

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　　【摘要】全球倡導“低碳環(huán)保生活”，因此高效節能的直流無(wú)刷電機的應用就越來(lái)越廣泛。如何降低直流無(wú)刷電機的噪音、振動(dòng)，提高產(chǎn)品的舒適度，是各大電機制造商對直流無(wú)刷電機研究的主要課題之一。本文主要敘述了直流無(wú)刷電機噪音、振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及傳統解決的方法。同時(shí)提出了通過(guò)改良傳統的直流無(wú)刷電機驅動(dòng)方式，消除電機驅動(dòng)在換相過(guò)程中所產(chǎn)生的負電流，避免負電流引起的轉子徑向電磁力脈動(dòng)而引起的噪音以及振動(dòng)。
　　【關(guān)鍵詞】直流無(wú)刷電機；噪音；振動(dòng)；消除負電流；電機驅動(dòng)
　　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(cháng)時(shí)間在較強的噪聲環(huán)境中，會(huì )覺(jué)得痛苦、難受，甚至使人的耳朵受損，聽(tīng)力下降，甚至死亡。噪聲是現代社會(huì )污染環(huán)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(lèi)電器的噪聲也作出了相應的限制標準。電機是產(chǎn)生噪聲的聲源之一，電機在家用電器、汽車(chē)、辦公室用器具以及工農醫等行業(yè)廣泛地應用著(zhù)，與人民的生活密切相關(guān)。因此，盡量降低電機的噪音，生產(chǎn)低噪音的電機，給人們創(chuàng )造一個(gè)舒適、安靜的生活環(huán)境是每個(gè)設計者與生產(chǎn)者的職責。
　　2 直流無(wú)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(wú)刷電動(dòng)機振動(dòng)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(wú)刷電機的機械噪音產(chǎn)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(dòng)產(chǎn)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(chǎn)生振動(dòng)與噪聲。軸承的預壓力取值不當，導致滾道面有微振也會(huì )產(chǎn)生噪音。
　�。�2）因轉子不平衡而產(chǎn)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(jìn)入。
　�。�2）軸承在裝配時(shí)，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(huì )降低2～3dB。潤滑脂要清潔干凈，不能含有灰塵、雜質(zhì)。
　�。�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(diǎn)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(jìn)行對轉子動(dòng)不平衡進(jìn)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(guò)程中產(chǎn)生的微小振動(dòng)，同時(shí)避免輸出軸與外界負載剛性連接，而把外界振動(dòng)傳遞到磁鋼，影響勵磁所產(chǎn)生的轉矩突變。防止轉動(dòng)頻率與負載間產(chǎn)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(wú)刷電機電磁噪音產(chǎn)生的原因主要有：1.由氣隙磁場(chǎng)作用于定子鐵芯的徑向分量所產(chǎn)生脈動(dòng)。它通過(guò)磁軛向外傳播，使定子鐵芯產(chǎn)生振動(dòng)變形。2.是氣隙中諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)，它與主磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉矩相反，使鐵芯齒局部變形振動(dòng)。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(shí)，就會(huì )引起共振，使振動(dòng)與噪聲增大。3.轉子磁鋼在繞組通電換相過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生脈動(dòng)轉矩，使電動(dòng)機運行時(shí)轉子徑向受力不均勻，引起電機負載發(fā)生微振動(dòng)而產(chǎn)生噪音。4.是換相轉矩脈動(dòng)引起振動(dòng)、噪音。這是方波型驅動(dòng)無(wú)刷直流電機特有的問(wèn)題。它是由于電機電樞繞組相電感的延時(shí)作用，從而在電機換相時(shí)所產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)。根據麥克斯韋定理，單位面積的氣隙磁場(chǎng)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(chǎng)產(chǎn)生的電磁拉力
　　主磁場(chǎng)B1所產(chǎn)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(huì )產(chǎn)生振動(dòng)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(gè)電磁力的角頻率是2ω1，即2倍的換相頻率，它使定、轉子產(chǎn)生2倍換相頻率的振動(dòng)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(chǎn)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(zhù)。
　　2.2.2 諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)
　　諧波轉矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因由于定子繞組的電感特性，實(shí)際流入三相線(xiàn)圈的電流，將會(huì )落后三相輸入電壓一個(gè)角度Δθ，而導致正弦波電流無(wú)法與反電動(dòng)勢同相，電機反電勢已經(jīng)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(huì )產(chǎn)生轉矩。此類(lèi)轉矩脈動(dòng)解決的辦法有兩個(gè)：一種解決方法是，通過(guò)對電機本體定子繞組、氣隙齒槽的優(yōu)化設計，使無(wú)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(dòng)的目的。另一種方法是，事先通過(guò)預測反電動(dòng)勢，采用合適的控制方法尋找最佳的電流波形來(lái)消除轉矩脈動(dòng)。這種最佳電流法能消除非理想反電勢引起的轉矩脈動(dòng)，但事先要對反電勢進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，且根據測得的反電勢快速計算最優(yōu)電流也不易，因此要解決此問(wèn)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(jìn)行預測修正。
　　2.2.3 由一階齒諧波所產(chǎn)生的齒槽轉矩脈動(dòng)
　　齒槽轉矩脈動(dòng)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(shí)，在一個(gè)磁狀態(tài)內，磁路磁阻發(fā)生變化從而引起齒諧波轉矩脈動(dòng)。齒槽轉矩脈動(dòng)與定子電流無(wú)關(guān)，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(shí)，齒槽轉矩脈動(dòng)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(dòng)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(gè)定子槽距時(shí)，其齒諧波所產(chǎn)生的徑向力要比直充磁時(shí)小得多。
　　圖1 圖2 圖3
　　3 由于換相轉矩脈動(dòng)引起振動(dòng)、噪音的解決方法
　　如何解決直流無(wú)刷電機在換相時(shí)產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)引起振動(dòng)、噪音，是本研究的主要內容。傳統的直流無(wú)刷電機驅動(dòng)調速方式：“六步方波驅動(dòng)之PWM-PWM切換”
　　3.1 六步方波驅動(dòng)之PWM-PWM切換
　　120°的轉子磁極位置偵測，在三個(gè)霍爾傳感器上方，當轉子磁鋼360°旋轉時(shí)，只會(huì )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(chǎn)生旋轉的磁場(chǎng)，吸引轉子轉動(dòng)。每一種霍爾信號都會(huì )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(chēng)為六步方波驅動(dòng)。
　　圖4 六步方被驅動(dòng)的“PWM-PWM”切換模式
　　圖5 從U-W到U-V的換相過(guò)程
　　采用 “PWM-PWM” 切換模式的情況下，非常方便使用高壓側驅動(dòng) IC （High/Low-Side Driver）搭配上/下橋都是 N溝MOSFET 或 IGBT 做為馬達的驅動(dòng)電路。因為上橋在任一換相周期內不會(huì )持續導通，而且上橋關(guān)閉時(shí)其同相的下橋會(huì )導通，執行同步整流提高效率。此時(shí)高壓側驅動(dòng) IC 的自激電路也有機會(huì )充電，可以持續補充能量驅動(dòng) MOSFET。使用這種切換方式的 PWM 輸出，雖然驅動(dòng)電路會(huì )比較簡(jiǎn)單，而且不用擔心上橋 MOSFET 可能會(huì )出現無(wú)法開(kāi)啟或導通不完全的現象。不過(guò)，它卻會(huì )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(dòng)的主要噪音來(lái)源之一。此負電流的產(chǎn)生原因，是因為 U-相輸出 PWM時(shí)，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(guān)閉，而且 U-相的 PWM 亦為關(guān)閉的時(shí)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(jīng)由 W-相上橋 MOSFET 的內藏二極管流回電源端。由于負電流而產(chǎn)生諧波磁場(chǎng)，在短時(shí)間內產(chǎn)生阻礙主磁場(chǎng)旋轉交變，最終導致轉子振動(dòng)。
　　3.2 方波驅動(dòng)之 “PWM-ON” 切換模式
　　為避免 “PWM-PWM” 切換方式的負電流產(chǎn)生，同時(shí)降低方波驅動(dòng)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(shí)候，原本輸出 PWM 的相位的上橋 MOSFET 會(huì )直接變成完全導通的狀態(tài)，同時(shí)改由另外一相的下橋輸出 PWM。因此就不會(huì )造成三相繞組的電感，出現逆向極性的狀況而產(chǎn)生負向電流。而且，依然保有“PWM-PWM” 相同的電流方向和磁場(chǎng)。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(shí)，則上橋就變成完全導通的狀態(tài)，所以我們簡(jiǎn)稱(chēng)它叫 “PWM-ON” 切換模式。
　　圖6 PWM-ON 切換模式
　　3.3 改進(jìn)后驅動(dòng)方式噪音結果
　　改進(jìn)后驅動(dòng)方式噪音對比如圖7所示。
　　圖7 改進(jìn)后驅動(dòng)方式噪音對比
　　從上圖測試數據，改善前，電機在帶負載時(shí)，轉速在500r/min時(shí)會(huì )產(chǎn)生尖銳的突變噪音。改善驅動(dòng)后，尖銳的噪音有效消除。減少了4dB.可見(jiàn)該方法對改善電機換相轉矩脈動(dòng)引起振動(dòng)、噪音有明顯的成效。

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