变频器降噪控制技术方案的介绍

变频器控制方式对永磁辅助同步磁阻电机减振降噪设计至关重要，可通过转矩补偿控制降低电机转矩脉动，达到降低电机振动和噪声的目的；也可通过对载波进行控制，来降低载波引起的电机振动和噪声。

1.转矩补偿

在电机控制系统中，通过电流环和速度环的优化，可以使电机电流产生的部分转矩抵消电机原来的脉动转矩和外界的转矩波动，从而降低电机的转矩波动，电机的振动和噪声也会随之降低，电机低频运行时改善效果尤其明显。

转矩补偿可以有效降低永磁辅助同步磁阻电机的转矩波动。主要步骤可以分为两步：①准确估算出当前电机运行的负载情况；②根据负载情况进行电流前馈补偿。

永磁辅助同步磁阻电机的机械运动平衡方程为

电磁转矩方程为

忽略电机的黏滞系数，结合式（4-46）和式（4-47）可以得到

定义i^∗为等效的电流输入，可以表示为

式中 K′_t——测量的转矩常数。

结合式（4-48）和式（4-49）可以得到

式中 T′_L——估算的负载转矩；

J′——测量的转动惯量。

基本运行原理如图4-41所示。

在理想情况下，不加低通滤波器时，转矩波动对电机输出速度影响为零，即负载转矩的变化对电机转速的影响为零，然而在实际电机系统中无法达到该效果，因此需在转矩补偿算法中加入一个低通滤波器，以尽量减小负载转矩对电机转速的影响，转矩补偿的重点是对电机转速的准确估算或测量，以及滤波器截止频率的选取。

2.变载波

一般情况下永磁辅助同步磁阻电机采用SVPWM控制，载波周期在3.0～10.0kHz左右，这段频率范围内所产生的载波噪声相对于其他噪声来说不是很大，甚至在频谱图上没有明显的峰值，通过吸声和隔声可以很容易地降低噪声。但是在某些情况下，这些载波与电机的固有频率相近时会产生共振，就会产生极其刺耳的电磁噪声。通过对载波频率进行控制，可以有效地降低电机噪声。

图4-41 转矩补偿原理图(www.xing528.com)

图4-42 滞环控制原理图

（1）电流滞环控制。一般情况下，永磁辅助同步磁阻电机为了获取圆形磁场，采用SVPWM控制，而电流环采用PI控制，载波频率固定，很容易产生峰值较大的特定次谐波含量。电流滞环控制原理如图4-42所示，i_ref为参考电流，i为采集的电机电流，参考电流与电机电流经过比较后，将比较值Δi送入滞环比较器，H为滞环比较器环宽。当每次Δi穿过或者回落到H/2时，开关管就会发生一次动作，所以开关管的频率不是一个固定值，而是一个随着Δi变化而变化的值。

电流滞环控制的优点是不输出特定次谐波含量，并能有效抑制电机的电磁噪声。缺点是滞环控制的跟踪效果与滞环环宽有关，开关频率范围广。

（2）变载波频率。提高PWM控制的载波频率，不但可以使载波频率远离电机结构的固有频率，降低载波噪声，同时还可以改善高频运行时电机的电流波形，减少谐波含量，从而降低电磁噪声，并使产生的载波噪声的频率处于人耳非敏感的高频段，从而减少了噪声的影响程度。另外，载波噪声频率的提高，更利于在采取吸声、隔声或阻尼等降噪措施时取得良好的降噪效果。

但需要注意的是，采用改变载波频率降低振动和噪声的方法也存在一些问题，如降低载波频率有可能导致电机在高频运行时电流的畸变，谐波含量的增加，从而导致电机的噪声增加；同时，提高载波的方法会造成IGBT模块在开关过程中的开关损耗增加，造成系统效率下降，特别是高负载运行时由于电流的增加，效率下降得更加明显。因此，实际应用中要根据运行范围选择合适的载波频率。

（3）随机SVPWM技术。改变载波频率的方法是把控制器的载波频率升高或者降低来避开电机的固有频率，但载波频率不是随时可变的。随机SVPWM技术可以分为随机开关频率SVPWM、随机脉冲位置SVPWM和随机开关SVPWM。其中随机开关频率SVPWM具有更优的削弱高次谐波的能力，其产生的低次谐波也是三者中最少的，是目前应用最为广泛的一种随机SVPWM方法。本书主要介绍的随机SVPWM技术为随机开关频率SVPWM技术。

随机开关频率SVPWM技术可以将原来集中于开关频率整数倍处及其附近的谐波能量明显减小，并且可以使得谐波能量比较均匀地分布在尽可能宽的频带上，将原来的离散谐波频谱变为整个频带上的连续频谱，从而达到降低电磁振动和噪声的目的。随机开关频率SVP-WM技术的原理是在传统的SVPWM技术上随机改变开关频率来实现的。如图4-43所示，载波频率随机变化。

随机开关频率SVPWM的开关频率可以表示为

图4-43 随机开关频率SVPWM技术原理图

f_c=f_c0+R_iΔf （4-51）

式中，R_i是一个在[-1，1]上分布的随机数，中心频率f_c0和频带Δf是常数。开关频率f_c决定了输出电流中谐波的频谱分布，如果f_c在某一范围内变化，则其谐波频谱也在相应的范围内变化，因此，如果f_c的变化范围（即频带）越大，则其频谱就能均匀分布在更宽的范围内，但因为功率开关器件在开关频率过高时，开关损耗太大，散热困难，所以f_c存在上限值；而当f_c较小时，变频器输出电流的质量会变差，甚至会引起系统的不稳定，f_c也存在下限值。因此f_c是一个具有上限频率和下限频率的随机序列。控制器输出的高次谐波含量与R_i有关，所以R_i的选取会直接影响高次谐波的频谱分布。任何一种随机SVPWM技术都需要产生随机数列来实现，随机数列的产生可以大致分为数学公式法、逻辑法（移位法）、查表法和物理法4种。

1）数学公式法。利用数学公式法中的线性同余法求取随机数列。其表达式为

R_n+1=（R_na+b）Mod（2^Ns） （4-52）

式中，R_n和R_n+1分别为第n次和第n+1次产生的随机数，a和b均为质数，N_s为随机数的最大字长。运算只包含一个乘法和加法，运算简单。

线性同余法的位数越多，周期就越长，所产生的随机数性能就越好，b与2^Ns互素，且a为4K+1的形式是实现满周期线性同余法的充分必要条件，其中K为非负整数，初始值在表示的值范围内随机选取。

2）逻辑法。采用逻辑法产生随机数是通过对一个数的其中几位进行逻辑运算来实现的，原理如图4-44所示，随机数的位数取决于DSP数字处理器的位数，这里选32位。通过对选择的几位数进行逻辑运算，产生一个新的值。然后将该值移动到最低位，这样就可以产生一个随机数列，选取的位数越多所产生的随机数性能就越好。因为逻辑法所产生的随机数存在重复性，所以逻辑法也称为伪随机数产生法。

图4-44 逻辑法原理

3）查表法。查表法是将离线产生的随机数存储在存储器中，单片机对随机数表进行实时调用及计算，因此不存在实时计算的负担，而存储空间的大小决定了该方法的随机效果。存储的随机数越多，频谱分布得越均匀。

4）物理法。将物理随机数发生器连接到计算机上，利用非线性变化的物理过程产生随机数，这种方法能够得到性能更好的随机数。