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改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式
发布时间：2019/1/22 11:26:00 来源：永阜康科技
【摘 要】全球倡导“低碳环保生活”，因此高效节能的直流无刷电机的应用就越来越广泛。如何降低直流无刷电机的噪音、振动，提高产品的舒适度，是各大电机制造商对直流无刷电机研究的主要课题之一。本文主要叙述了直流无刷电机噪音、振动产生的原因以及传统解决的方法。同时提出了通过改良传统的直流无刷电机驱动方式，消除电机驱动在换相过程中所产生的负电流，避免负电流引起的转子径向电磁力脉动而引起的噪音以及振动。
【关键词】直流无刷电机；噪音；振动；消除负电流；电机驱动
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2～3dB。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3～9μm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（θ，t）/（2μ0）
式中：
B――气隙磁密
θ――机械角位移
μ0――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=B2/4μ0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（2pθ-2ω1t-2θ0），其中p是转子的极对数，ω1―转子的角速度，θ0―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2ω1，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Δθ，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3
3 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，所以我们简称它叫 “PWM-ON” 切换模式。
图6 PWM-ON 切换模式
3.3 改进后驱动方式噪音结果
改进后驱动方式噪音对比如图7所示。
图7 改进后驱动方式噪音对比
从上图测试数据，改善前，电机在带负载时，转速在500r/min时会产生尖锐的突变噪音。改善驱动后，尖锐的噪音有效消除。减少了4dB.可见该方法对改善电机换相转矩脉动引起振动、噪音有明显的成效。
【关键词】直流无刷电机；噪音；振动；消除负电流；电机驱动
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2～3dB。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3～9μm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（θ，t）/（2μ0）
式中：
B――气隙磁密
θ――机械角位移
μ0――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=B2/4μ0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（2pθ-2ω1t-2θ0），其中p是转子的极对数，ω1―转子的角速度，θ0―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2ω1，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Δθ，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3
3 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，所以我们简称它叫 “PWM-ON” 切换模式。
图6 PWM-ON 切换模式
3.3 改进后驱动方式噪音结果
改进后驱动方式噪音对比如图7所示。
图7 改进后驱动方式噪音对比
从上图测试数据，改善前，电机在带负载时，转速在500r/min时会产生尖锐的突变噪音。改善驱动后，尖锐的噪音有效消除。减少了4dB.可见该方法对改善电机换相转矩脉动引起振动、噪音有明显的成效。
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