控制器开关频率对电驱动总成噪声影响研究
摘要：控制器开关频率对电驱动总成噪声具有较大影响。首先分析了开关频率噪声的产生机理、频率特征及优化方法。由于开关频率噪声频率较高、易使人烦躁，本文使用A计权声压级和音噪比评价其噪声的大小和声品质。经试验验证提高开关频率和随机PWM调制开关策略可以降低电驱动总成噪声、改善声品质。
关键词：电驱动总成；开关频率；A计权声压级；音噪比噪声水平是衡量新能源汽车电驱动总成的重要指标之一，对提升新能源汽车的舒适性和品质具有重要影响。电驱动总成一般由控制器、永磁同步电机和减速器组成，其噪声主要包括电机电磁力引起的高频阶次噪声、减速器齿轮啮合产生的阶次噪声以及控制器逆变电路脉宽调制产生的开关频率噪声⋯。上述3类噪声虽然产生机理不同，但是具有一个相同的重要特征：高频成分能量较高，易使人感到极度不适。对于高频噪声，A计权声压级不能充分反映人对于噪声的多维度主观感觉，声品质评价已经成为电驱动总成高频噪声关注的重点(2]。本文从A计权声压级和音噪比两方面评价控制器开关频率对电驱动总成噪声的影响。控制器逆变电路大多采用三相桥式正弦脉宽调制(SP-WM)E“，逆变过程中会在开关频率及其倍数附近产生一系列谐波电流。谐波电流会在气隙磁场中引起高速旋转的空间谐波磁场，进而对电磁力的幅值和次数产生明显影响，使电机噪声变大。尤其当电磁力的激励频率和电机的固有频率相同或接近时，电机噪声将显著恶化。因此，控制器供电已经成为电机噪声的主要来源之一(4]。式中：fT-控制器的开关频率；f0-电机转速对应的频率；k1、k2-奇偶相反的正整数。这些激励力作用于电机定子引起同频率的开关频率噪声。噪声的评价最终需要反映人耳对声音的感觉，由于人耳对不同频率的声音敏感程度不同，因此对于声音的评价需要同时考虑声音的物理特征和人耳的听觉特性。A计权声压级是汽车行业广泛采用的噪声评价指标之一，通过对不同频率下的声压级进行加权，能够较好地反映人对噪声的评价。但是当噪声中某一频率噪声较突出时，虽然A计权声压级不大，但是会使人主观认为声音刺耳、甚至烦躁哺1。因此对于这类噪声既要评价其A计权声压级大小，又要关注声品质。声品质评价包含多种参数，其中音噪比(tone to noiseratio)更加适用于具有多个相近阶次的噪声评价”1。音噪比定义为单调音的能量与单调音所在临界频带内的其它噪声能量的比值，单调音频率越高，临界频带范围越宽。音噪比越大，声品质越差，对于高于1000Hz的单调音，音哚比限值为8183，音噪比超过8则容音引起人的抱怨。被测对象为永磁同步电机、减速器及控制器组成的集成式三合一电驱动总成，所以无法采集相电流。但是根据前文的分析，开关频率噪声的频率和大小可以反映开关频率及其附近谐波电流的频率和幅值。该总成在不同的转速选取的控制器开关频率不同，其中电机转速2500～5200r／min范围内(以下称之为“低转速段”)开关频率为6000Hz、电机转速5200—8000r／min范围内(以下称之为“高转速段”)开关频率为8000Hz。测试在半消声室内进行，测试系统主要包括SiemensSCM2E05数采、GRAS 46AE传声器、Simcenter Testlab测试分析软件等。传声器分别布置在电驱动总成前、后、左、右、上方，距离总成表面均为1m。图1为试验照片，传声器位于红色圆圈标注位置。测试工况为电机额定扭矩由2500r／minJJ13速到8000r／min，A计权声压级(以下简称“声压级”)计算5个噪声测点的平均值、音噪比只计算总成前方(电机在前、减速器在后)1m处测点的结果。图2是声压级随转速变化的测试结果，图中5200r／rain左右出现了明显的峰值，是由于开关频率在该转速下变化引起的。另外低转速段声压级高于高转速段声压级。图3是噪声的频谱图，即声压级在频域上的分布，颜色越深表示噪声越大。由图3可知，噪声以电机和减速器阶次噪声(图中①所标示)、控制器开关频率哚声(图中②、③所标示)为主。其中电机和减速器阶次噪声基本随着电机转速的上升而升高；而低转速段(②标示区域)的开关频率噪声明显高于高转速段(③标示区域)的开关频率噪声。综合图2、图3，低转速段开关频率噪声对声压级具有较大的贡献，高转速段开关频率噪声对声压级贡献量较小。图4是电驱动总成前方1m处测点的音噪比计算结果，颜色越深表示声品质越差。可见声品质问题主要集中在开关频率附近。综上所述，开关频率噪声对被测电驱动总成的声压级和音噪比影响较大，尤其在开关频率较低的低转速段内。优化控制器引起的开关频率噪声主要通过提高开关频率和随机PWM调制开关策略两种方法’9。开关频率提高，控制过程的周期变小，电流的变化幅度减小，因此开关频率及其倍频附近的谐波电流减小，从而降低开关频率噪声。但是受限于控制器的物理特性，开关频率不能随意提高，提高开关频率会引起控制器功率损耗增加、寿命降低。因此控制器开关频率的选择需要综合考虑可靠性、成本、功率损耗、噪声等因素，而且它们之间一般是相互矛盾的。随机PWM调制技术是引入随机变量把开关频率随机化，使开关频率及其倍频处的谐波电流分散到各个频率上以降低开关频率噪声。随机PWM调制并没有降低谐波电流的总能量，而是通过把总能量分散从而降低谐波电流的幅值。本文分别采用提高开关频率(以下称之为“方案1”)和随机PWM调制(以下称之为“方案2”)方案优化开关频率噪声。重复测试第2节中试验工况，并与开关频率变化之前(以下称之为“原方案”)的噪声对比。在不改变控制器、不明显增加功率损耗的前提下，实施上述方案l和方案2。不同方案的开关频率对比见表1。对比提高控制器开关频率前后的电驱动总成声压级和音噪比变化，即表1中的原方案和方案1。图5、图6分别是两种方案的声压级和噪声频谱对比结果。低转速段内，开关频率噪声明显降低，因其影响，电驱动总成声压级5200r／min处的峰值由原来的83．4dB(A)降至78．3dB(A)，降低了5．1dB(A)；声压级平均降低2．4dB(A)。高转速段内，开关频率噪声同样降低。由于该转速段开关频率噪声对总成声压级的贡献量较小，所以总成声压级降幅不明显，平均降低约0．5dB(A)。低转速段内，音噪比虽然得到一定程度改善，但是仍然存在超过限值8的开关频率噪声。这是因为开关频率噪声的能量虽然减小，但是开关频率提高后其所在临界频带范围变大，频带范围内的其它噪声能量降低更多。高转速段内，开关频率噪声音噪比基本不超过限值8，声品质明显改善。总之，控制器开关频率提高后，开关频率噪声的声压级、音噪比降低，声品质提升。对比随机PWM调制前后的电驱动总成声压级和音噪比变化，即表1中的原方案和方案2。图8、图9分别是两种方案的声压级和噪声频谱对比结果。由图8知，在整个测试转速范围内，两种方案的电驱动总成声压级没有明显的改变。本文第1．2节已经指出：随机PWM调制不会降低总的谐波电流能量，而是把能量分散到附近频率上。因此，方案2的开关频率噪声的主要阶次变得“模糊”，声压级幅值变小、分布范围变大，见图9。图10是两种方案的音噪比对比。由于方案2的开关频率的主要阶次噪声能量变小，同时其所在临界频带范围内其它噪声能量变大，因此音噪比变小。方案2在整个测试转速范围内，开关频率噪声音噪比基本降至限值8以下，声品质明显改善。本文以某电驱动总成为研究对象，分别验证了提高控制器开关频率和随机PWM调制开关策略对其噪声的影响。得出以下结论。1)提高控制器开关频率，开关频率噪声声压级明显降低，总成声压级的改善情况由开关频率噪声对其贡献量大小而决定。在低转速段，开关频率由6000Hz提高到8000Hz，开关频率噪声音噪比改善不明显；在高转速段，开关频率由8000Hz提高至9500Hz，开关频率噪声音噪比明显改善，总成声品质提升。2)采用随机PWM调制开关策略，开关频率噪声总能量基本不变，只是分散到附近频率上，因此总成声压级无明显变化。开关频率噪声音噪比明显降低，总成声品质显著提升。作者单位：(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津300399)免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！
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首次发布时间：2023-04-18
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