改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式.doc

改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式1 降低电机电磁噪音的意义噪声直接影响人体的健康，若人们长时间在较强的噪声环境中，会觉得痛苦、难受，甚至使人的耳朵受损，听力下降，甚至死亡。噪声是现代社会污染环境的三大公害之一。为了保障人们的身体健康，国际标准化组织（ISO）规定了人们容许噪声的标准。我国对各类电器的噪声也作出了相应的限制标准。电机是产生噪声的声源之一，电机在家用电器、汽车、办公室用器具以及工农医等行业广泛地应用着，与人民的生活密切相关。因此，尽量降低电机的噪音，生产低噪音的电机，给人们创造一个舒适、安静的生活环境是每个设计者与生产者的职责。2 直流无刷电机噪音形成的原因分析以及传统解决方法引起直流无刷电动机振动和噪声的原因很多，大致可归结为机械噪音和电磁噪音。2.1 机械噪音的成因以及解决措施2.1.1 直流无刷电机的机械噪音产生的原因（1）轴承噪声。由于轴承与轴承室尺寸配合不适当，随电机转子一起转动产生噪音。滚珠的不圆或内部混合杂物，而引起它们间互相碰撞产生振动与噪声。轴承的预压力取值不当，导致滚道面有微振也会产生噪音。（2）因转子不平衡而产生的噪声。（3）装配偏心而引起的噪声。2.1.2 降低机械噪声应采取下列方法（1）一般应采用密封轴承，防止杂物进入。（2）轴承在装配时，应退磁清洗，去油污与铁屑。清洗后的轴承比清洗前的轴承噪声一般会降低23dB。润滑脂要清洁干净，不能含有灰尘、杂质。（3）轴承外圈与轴承室的配合、内圈与轴的配合，一般不宜太紧。轴承外圈与轴承室的配合，其径向间隙宜在39m的范围内。（4）为消除转子的轴向间隙，必须对轴承施加适当的压力。一般选用波形弹簧垫圈或三点式弹性垫圈，且以放在轴伸端为宜。（5）使用去重法或加重法进行对转子动不平衡进行修正。（6）磁钢与输出轴间填充缓冲材，可以吸收转子在换相过程中产生的微小振动，同时避免输出轴与外界负载刚性连接，而把外界振动传递到磁钢，影响励磁所产生的转矩突变。防止转动频率与负载间产生共振而引起空气噪音。2.2 电磁噪音的成因以及解决措施直流无刷电机电磁噪音产生的原因主要有：1.由气隙磁场作用于定子铁芯的径向分量所产生脉动。它通过磁轭向外传播，使定子铁芯产生振动变形。2.是气隙中谐波磁场产生的转矩脉动，它与主磁场产生的电磁转矩相反，使铁芯齿局部变形振动。通常具有齿槽倍频率特性。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时，就会引起共振，使振动与噪声增大。3.转子磁钢在绕组通电换相过程中，会产生脉动转矩，使电动机运行时转子径向受力不均匀，引起电机负载发生微振动而产生噪音。4.是换相转矩脉动引起振动、噪音。这是方波型驱动无刷直流电机特有的问题。它是由于电机电枢绕组相电感的延时作用，从而在电机换相时所产生的转矩脉动。根据麦克斯韦定理，单位面积的气隙磁场中的径向电磁力计算：Pr = B2（，t）/（20）式中：B气隙磁密机械角位移0真空磁导率2.2.1 主磁场产生的电磁拉力主磁场B1所产生的径向力为：Pr1=P0+P1，式中，P0=B2/40是固定的径向力，它均匀作用于圆周上，不会产生振动与噪声。P1=P0cos（2p-21t-20），其中p是转子的极对数，1转子的角速度，0初相角。P1是径向电磁力的交变部分，这个电磁力的角频率是21，即2倍的换相频率，它使定、转子产生2倍换相频率的振动与噪声。它的强度与气隙磁密的平方成正比。在电机负载小，转速高的情况下，产生较大的影响，而在一般情况下，转速不高，换相频率低的情况下，其影响不显著。2.2.2 谐波磁场产生的转矩脉动谐波转矩脉动产生的原因由于定子绕组的电感特性，实际流入三相线圈的电流，将会落后三相输入电压一个角度，而导致正弦波电流无法与反电动势同相，电机反电势已经不是理想的梯形波，而控制系统仍是按理想的梯形波反电势给电机绕组提供方波电流。因此会产生转矩。此类转矩脉动解决的办法有两个：一种解决方法是，通过对电机本体定子绕组、气隙齿槽的优化设计，使无刷电机的反电势趋向于理想的反电势波形，从而达到减少电机转矩脉动的目的。另一种方法是，事先通过预测反电动势，采用合适的控制方法寻找最佳的电流波形来消除转矩脉动。这种最佳电流法能消除非理想反电势引起的转矩脉动，但事先要对反电势进行实时跟踪，且根据测得的反电势快速计算最优电流也不易，因此要解决此问题，必须选用处理速度较高的处理器，对滞后的电流相位角进行预测修正。2.2.3 由一阶齿谐波所产生的齿槽转矩脉动齿槽转矩脉动是由于定子铁心槽齿的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋转时，在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化从而引起齿谐波转矩脉动。齿槽转矩脉动与定子电流无关，是电机本身构造所存在的缺陷。当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩脉动和噪声将被放大，影响电机在速度控制系统中的低速性能，和位置控制系统中的高精度定位。抑制由齿槽引起的转矩脉动的方法可采用转子斜向充磁的方法（如图1、图2、图3所示）可将谐波引起的噪音削弱。一般情况下，转子磁极斜一个定子槽距时，其齿谐波所产生的径向力要比直充磁时小得多。图1 图2 图33 由于换相转矩脉动引起振动、噪音的解决方法如何解决直流无刷电机在换相时产生的转矩脉动引起振动、噪音，是本研究的主要内容。传统的直流无刷电机驱动调速方式：“六步方波驱动之PWM-PWM切换”3.1 六步方波驱动之PWM-PWM切换120的转子磁极位置侦测，在三个霍尔传感器上方，当转子磁钢360旋转时，只会出现六种信号变化。如图4所示，只要根据这六种信号变化在定子的三相绕组上，提供对应的电流方向，就可产生旋转的磁场，吸引转子转动。每一种霍尔信号都会对应一种PWM 输出形式，共有六种不同的 PWM 输出形式在360 中，每 60 切换一次。所以，又称为六步方波驱动。图4 六步方被驱动的“PWM-PWM”切换模式图5 从U-W到U-V的换相过程采用 “PWM-PWM” 切换模式的情况下，非常方便使用高压侧驱动 IC （High/Low-Side Driver） 搭配上/下桥都是 N沟MOSFET 或 IGBT 做为马达的驱动电路。因为上桥在任一换相周期内不会持续导通，而且上桥关闭时其同相的下桥会导通，执行同步整流提高效率。此时高压侧驱动 IC 的自激电路也有机会充电，可以持续补充能量驱动 MOSFET。使用这种切换方式的 PWM 输出，虽然驱动电路会比较简单，而且不用担心上桥 MOSFET 可能会出现无法开启或导通不完全的现象。不过，它却会在两步连续输出 PWM 的中间，另外两相下桥交换导通的瞬间，出现负电流回流电源端，如图 5所示。而该负电流正是方波驱动的主要噪音来源之一。此负电流的产生原因，是因为 U-相 输出 PWM时，从 W-相下桥导通要切换到 V-相 下桥导通的瞬间。当 W-相 的下桥关闭，而且 U-相的 PWM 亦为关闭的时候，U-相 和 W-相 的电感呈现逆向极性，将原本储存于电感中的能量，以负向电流 IW-U 经由 W-相 上桥 MOSFET 的内藏二极管流回电源端。由于负电流而产生谐波磁场，在短时间内产生阻碍主磁场旋转交变，最终导致转子振动。3.2 方波驱动之 “PWM-ON” 切换模式为避免 “PWM-PWM” 切换方式的负电流产生，同时降低方波驱动的噪音。本文提出采用 “PWMON”的切换输出方式。由图6可看出 “PWMPWM”与 “PWM-ON” 差异的地方，在于 第-2/4/6步要切换到第-3/5/1 步的时候，原本输出 PWM 的相位的上桥 MOSFET 会直接变成完全导通的状态，同时改由另外一相的下桥输出 PWM。因此就不会造成三相绕组的电感，出现逆向极性的状况而产生负向电流。而且，依然保有“PWM-PWM” 相同的电流方向和磁场。因为这种切换方式的每一相输出，都是先上桥输出PWM，然后切换到下一步时，则上桥就变成完全导通的状态，所以我们简称