作者：向熔
文章來源：AVL先進模擬技術

隨著能源危機以及排放法規的不斷嚴苛，新能源電動汽車是一種使用電能作為驅動能源的現代交通工具，已然為全球汽車工業當前和未來發展的重點。電機作為純電動汽車的動力源，是驅動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機因具有高功率密度、高效率、良好的轉矩特性，以及結構簡單、體積小、噪聲振動低等優點，是目前純電動汽車的主流選擇。電機作為純電動汽車的動力源，和傳統汽車一樣，是產生整車噪聲的一個主要來源。而不一樣的是和傳統汽油車相比，純電動汽車的動力源永磁同步電機產生的高頻噪聲，尖銳刺耳讓人難以忍受，影響駕駛員和乘客的身心健康。噪聲作為電機的主要質量指標之一，其噪聲的大小決定了整車的舒適性。

AVL eSUITE 軟件平臺是AVL專門針對車用電器化仿真與設計開發的平臺，力求給用戶提供完整的電氣化仿真方案。軟件集成新能源整車動力性與經濟性仿真，實現電機性能匹配集成，電機一維到三維熱管理分析，電機轉子動力學分析，電機NVH仿真計算以及整個電驅系統的NVH仿真分析。

圖1 AVL eSUITE電氣化仿真設計方案

關于電機本體以及電驅系統NVH分析，AVL eSUITE可實現基于臺架模式分析計算，無縫地實現產品試驗前的NVH校核，很大程度上減少客戶的樣件的試制成本與測試時間。對于AVL eSUITE NVH方面的詳細仿真計算，可參考往期技術貼，本期重點給大家介紹如果基于AVL eSUITE工具，實現PWM控制對電機噪聲影響分析。

對于永磁同步電機噪音，通用的來講可以分為低頻、中頻以及高頻階段，對于低頻噪聲往往與電機機械因素有關，中頻噪聲和電機本體結構電磁特征有關，而高頻噪音大都和變頻器控制器相關，最突出的是PWM開關頻率的電磁噪聲。

PWM引起的電機嘯叫聲在噪音或者瀑布圖上，有明顯的特征，如下圖所示顯示的傘狀圖，噪音的階次線是以PWM載波頻率為中心，左右鏡像輻射而出，類似于一把半開的雨傘。因此很容易被識別出。在主觀感受上，因為頻率較高，聲音聽起來是 “嘰嘰”的嘯叫聲，聲音尖銳刺耳。聽起來不隨轉速變化而變化。

圖2 電機常見噪聲形式

根據三相電機控制理論可知，三相交流電機定子繞組是對稱設置的，即A，B，C三相繞組軸線在空間上互差120°電角度。在三相交流電壓作用下，繞組中流過三相對稱電流。具體電流的表達式如下：

三相磁動勢可以在空間中合成一個幅值不變的旋轉波：

三相合成的磁動勢可以在空間中產生與它同相的旋轉磁場，這個旋轉磁場切割電機轉子，在轉子繞組中引起感應電流，該電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩，從而驅動交流電機旋轉。

要實現交流電機的驅動，需要使得逆變器輸出端合成電壓矢量為一個幅值不變的旋轉矢量。通過對交流電機中的三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開關觸發順序和脈沖大小組合，這種開關觸發順序和組合將在定子線圈中產生三相互差120°電角度、失真較小的正弦波形。

常見的逆變器的PWM控制主要包含CPWM與DPWM控制方式，而CPWM即為SVPWM一種，對應為七段式控制方式，七段式SVPWM在三角波計算器周期內，即一個開關周期內，左右兩邊是對稱的零矢量。如果不進入過調制區域，那么三角波計數器中點也是零矢量。整個開關周期分成了七段，所以叫七段式SVPWM。而對于DPWM原則上說也是屬于SVPWM控制方式一種，只是這是一種五段式控制方式，五段式PWM比較值是不連續的，所以五段式PWM又稱作Discontinuous-PWM模式，簡寫DPWM。本文主要介紹七段式SVPWM控制。

對于典型的兩電平三相電壓源逆變器原理圖如圖3，在三相半橋電路中，由六個等效開關控制輸出端電壓的狀態。為了防止短路，同一橋臂的上下兩只開關不能同時導通。因此，只要確定了上橋臂三只開關管的開關狀態，就可以確定整個逆變器的工作狀態。如圖3中，用S=0或S=1來表示各個開關的關閉與開啟狀態。上述的逆變器三路逆變橋的開關組合總共有8中狀態。

圖3 兩電平三相電壓源逆變器原理圖  

圖4 電壓空間矢量圖

根據8種組合的電壓空間矢量，包括6個非0矢量和兩個0矢量，匯總組合的基本空間電壓矢量映射至下圖中的復平面中，即可得到改圖中的電壓空間矢量圖。它們將復平面分成6個區，稱之為扇區。

對于每個扇區矢量作用時間計算，分別用XYZ表示，其中Ts為逆變器開關時間，即為開關頻率的倒數。各個扇區矢量作用時間如下表：

對于各扇區調制波計算，令u1、u2、u3如下公式所示，各扇區調制波計算可查以下表格。

通過以上各個扇區調制波與三角載波比較即可得到逆變器開關信號，以第一扇區為例，下圖為一扇區的開關信號示意圖。

AVL eSUITE 平臺中AVL EXCITE M軟件電機建模包含不同的建模深度，主要包含EMC0、EMC1、EMC2以及EMCM電機連接副，可從低頻到高頻全頻段覆蓋電機動力學仿真。具體各個連接副作用可持續關注后續技術貼，本期不進行詳細闡述。

表1 EXCITE M電機連接副類型

對應的EMC0、EMC1以及EMC2電機單元包含PI控制器、逆變器、以及電池電源，可實現電機扭矩轉速控制，同時可實現電機控制過程對于電機轉子動力學以及NVH的影響。

圖5 AVL EXCITE M電機控制單元

當前，EMC1與EMC2連接副中集成詳細的逆變器單元，可實現電機在不同控制策略如SVPWM與DPWM控制下的電機響應分析。同時連接副中支持兩種常見的過調制方式如最小相位誤差調制與最小幅值誤差調制策略，用戶可對兩種過調制策略所帶來的控制響應做相應的敏感性分析。此外，關于開關頻率，支持恒定開關頻率、隨轉速變化開關頻率以及隨機頻率帶三種方式，用戶即可實現開關頻率對于結構體NVH噪聲的研究。

圖6 EMC2電機連接副PWM設置

圖7 SVPWM開關定義與過調制策略

本實例中模型采用單電機模型，如圖8所示，電機定轉子以及殼體均為全柔性體。具體定轉子以及殼體有限元縮減模型建立不在贅述。電機額定電壓800V，額定電流150A。

基于eSUITE 平臺EMT模塊，通過電磁場計算，可得到當前電機詳細的控制相關參數，如電機主磁鏈、相阻、直軸與交軸電感等。同時，基于EMT計算當前電機在不同直軸電、交軸電、電機轉角、徑向偏心、轉子軸向傾斜角度下的相間磁鏈、定轉子受力、轉子力矩等多維MAP。

圖8 電機有限元模型與動力學模型

圖9 電機主要屬性參數與物理MAP

在動力學分析模塊EXCITE M中，通過電機控制單元控制當前電機達到目標扭矩與轉速所需的電流與電壓，通過EMT計算電機所得的多維MAP數據耦合差值當前電機所受力情況，繼而計算電機轉子動力學特性。電機轉子轉速又影響電機控制單元的電流與電壓輸出，繼而形成完整的電與機械場的實時耦合迭代計算。

圖10 電機PI控制過程

AVL EXCITE M由于基于真實的三維柔性體模型進行時域計算，可實現分析對象的瞬態與穩態工況仿真。本案例中主要分析電機恒扭負載的runup瞬態工況，對應電機目標轉速如圖，電機逆變器采用SVPWM控制方式，過調制采用最小幅值誤差策略，開關頻率采用恒定開關頻率18000HZ。PWM分辨率為12bit.

圖11 電機控制目標轉速曲線

通過動力學計算結果可知，電機轉子實際轉速與目標轉速穩和，同時電機輸出扭矩與目標控制扭矩趨勢與平均值一致。當前電機控制處在合理的狀態。

圖12 電機目標轉速與實際轉速

 圖13 電機輸出扭矩與目標扭矩

圖14與圖15為電機在某段時間內PWM開關信號與對應輸出方波電壓。

圖14 電機逆變器開關信號

圖15 逆變器輸出電壓

下圖為PWM輸出三相電流，通過調制后電流相位相差120°，同時電流輸出也帶有細微的高頻毛刺。

圖16 電機實際輸出三相電流

由圖18很直觀可看出，電機呈現明顯48階主諧次響應，同時在開關頻率主線附近呈現很明顯的傘狀諧次噪聲。

圖17 電機殼體表面關注點振動結果

圖18 電機殼體表面節點振動Campbel圖

圖19為不加SVPWM控制與加SVPWM控制的對比，右圖很直觀的看出在高頻區域帶有PWM控制的振動速度幅值明顯比沒帶的大。

圖19 殼體表面振動速度對比

圖20 不包含PWM控制關注點振動Campbel圖

通過對于兩者表面振動分布云圖也可直觀看出，電機在考慮SVPWM控制下，其對應的幅值在局部區域也明顯較大。

a.不包涵PWM控制              b.包涵PWM控制

圖19 殼體表面振動云圖

基于AVL EXCITE M可進行詳細的電機動力學仿真，在考慮電機扭矩轉速控制的基礎上同時兼顧PWM影響。支持用戶進行相應的PWM控制策略的影響研究。本文中簡要介紹了如何在AVL EXCITE M中進行SVPWM控制下的噪聲分析，后續在今年用戶大會中將有詳細不同SVPWM、DPWM控制方式對于電機噪聲分析的影響研究報告。