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當(dāng)前，憑借高功率密度、高轉(zhuǎn)速區(qū)間、較好的動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。然而，在電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，由于電機(jī)及電控系統(tǒng)所引入的電磁激勵，對動力傳動系統(tǒng)的可靠耐久性、整車層面的電磁干擾與NVH（noise, vibration, harshness）性能均具有重要的影響，受到了國內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)的廣泛關(guān)注。

通常，永磁同步電機(jī)由電壓源型逆變器（Vector Source Inverter, VSI）驅(qū)動，為了實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)性能，以空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse-Width Modulation, SVPWM）策略為代表的調(diào)制技術(shù)被廣泛搭載使用。然而，常規(guī)SVPWM技術(shù)采用固定的載波頻率，致使主控電路功率逆變器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生高頻的邊帶電壓和電流諧波成分，集中在載波頻率及其整數(shù)倍范圍內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生受邊帶電磁激勵力影響的高頻機(jī)械振動與輻射噪聲。

為了滿足高功率輸出，大多數(shù)VSI工作條件被設(shè)定于4000～8000Hz，而人耳的敏感頻帶位于5000～10000Hz，此類寄生效應(yīng)所輻射的“嘯叫”，會令駕乘人員感到反感不適；此外，邊帶諧波分量會增加定子鐵心損耗、電樞銅耗以及永磁體渦流損耗，影響電機(jī)工作效率，因而亟待解決。

對于邊帶電壓與電流諧波成分與聲振響應(yīng)的時間與空間特征分析，涉及到電機(jī)控制、電磁場、電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、聲振響應(yīng)的多物理場預(yù)測模型，諸多學(xué)者采用有限元數(shù)值計(jì)算與解析法進(jìn)行了研究。他們的特征分析與預(yù)測方法可為邊帶電流諧波及聲振響應(yīng)的抑制優(yōu)化提供思路，其中，最為有效且常用的方法被稱為諧波擴(kuò)頻調(diào)制（harmonic spread spectrum modulation），即基于帕斯維爾（Parseval）原理，信號在時域和頻域內(nèi)的能量保持不變，通過擴(kuò)大諧波分布頻譜范圍，以達(dá)到降低諧波幅值的效果。

根據(jù)所選信號種類，諧波擴(kuò)頻調(diào)制可以分為基于周期性信號和離散隨機(jī)性信號兩種方式。有學(xué)者對基于三角波和正弦波的兩種周期性載波擴(kuò)頻調(diào)制效果進(jìn)行了分析，初始的固定載波頻率以確定的方式在截止頻率的范圍內(nèi)進(jìn)行波動，結(jié)果表明邊帶諧波成分得到了有效抑制優(yōu)化。

另外，基于離散隨機(jī)信號的脈寬調(diào)制（Random Pulse Width Modulation, RPWM）技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，離散的隨機(jī)信號可以使載波頻率隨機(jī)化，從而使原本集中的邊帶諧波能量擴(kuò)展至較寬的頻域范圍，且抑制效果要優(yōu)于周期擴(kuò)頻調(diào)制；相比于周期性擴(kuò)頻調(diào)制，載波頻率隨機(jī)化會使逆變器開關(guān)損耗增加[18-19]，且使系統(tǒng)魯棒性降低。

周期諧波擴(kuò)頻調(diào)制可以有效抑制邊帶諧波成分及聲振響應(yīng)，且對系統(tǒng)動態(tài)性能影響較小。然而，目前的研究中仍然缺少關(guān)于不同周期信號與調(diào)制參數(shù)的理論解析與對比。因此，河北工業(yè)大學(xué)天津市新能源汽車動力傳動與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、哈德斯菲爾德大學(xué)效率與效能工程中心、省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員邱子楨、陳勇、成海全、劉旭、谷豐收，在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以電動汽車后橋驅(qū)動用12槽-10極永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)為研究對象，基于周期諧波擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，對常規(guī)空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)所引入的邊帶諧波成分與高頻聲振響應(yīng)進(jìn)行抑制與優(yōu)化研究。

圖1 實(shí)驗(yàn)與測試平臺

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺布置原理

研究人員分析了邊帶電流諧波頻譜與徑向電磁力主要的階次特征分布。建立了完整的諧波擴(kuò)頻功率譜解析模型，對鋸齒波和正弦波兩種典型的周期信號進(jìn)行了理論解析，并分析了擴(kuò)頻寬度和調(diào)制因子對抑制效果的影響。通過樣機(jī)及測控實(shí)驗(yàn)平臺，對不同工況下的邊帶電流諧波和聲振響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，分析了調(diào)制參數(shù)對抑制效果的影響。

他們的研究結(jié)果表明：

1）基于典型的鋸齒波和正弦波周期信號的功率譜解析模型，能夠有效分析擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜分布與抑制效果。

2）對不同轉(zhuǎn)速工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的兩種典型的周期擴(kuò)頻調(diào)制方法能夠有效抑制邊帶電流諧波分量；在聲振響應(yīng)中也呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)化效果，中心頻帶的噪聲響應(yīng)達(dá)到了20dBA以上。

3）所提出的周期擴(kuò)頻調(diào)制方法中，鋸齒波擴(kuò)頻調(diào)制的抑制效果優(yōu)于正弦波擴(kuò)頻調(diào)制；正弦波擴(kuò)頻調(diào)制受擴(kuò)頻寬度影響較為敏感，并且隨著擴(kuò)頻寬度的持續(xù)增加，抑制效果逐漸趨于飽和。

4）所提出的功率譜解析模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以被拓展到基于其他周期信號的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，對于調(diào)制參數(shù)的選擇仍需針對不同系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。此外，本研究成果為開發(fā)新型混合擴(kuò)頻調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)低聲振電驅(qū)動系統(tǒng)提供了理論依據(jù)與實(shí)踐參考。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于周期諧波擴(kuò)頻調(diào)制的永磁同步電機(jī)高頻邊帶聲振抑制”。本課題得到了寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目、國家留學(xué)基金項(xiàng)目和河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。