基于AVL EXCITE M與Simulink控制耦合的電機(jī)諧波注入NVH分析

前言

在新能源汽車、工業(yè)伺服系統(tǒng)等核心應(yīng)用場(chǎng)景中，電驅(qū)系統(tǒng)的高頻嘯叫與低頻轟鳴問(wèn)題，已成為制約產(chǎn)品 NVH（振動(dòng)噪聲）性能提升的核心痛點(diǎn)與技術(shù)難題。此類噪聲的核心誘因在于電磁力波激勵(lì)引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)及空氣輻射噪聲，傳統(tǒng)采用阻尼敷設(shè)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等被動(dòng)降噪手段，不僅存在研發(fā)成本高、周期長(zhǎng)的局限，還可能犧牲動(dòng)力總成功率密度與空間布局靈活性，難以滿足當(dāng)前高性能電驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

諧波注入技術(shù)作為電驅(qū)系統(tǒng) NVH 優(yōu)化的主動(dòng)降噪核心技術(shù)路徑，憑借無(wú)需額外新增硬件成本、僅通過(guò)控制器軟件算法升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)的顯著優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)研究與工程應(yīng)用的熱點(diǎn)方向。其技術(shù)原理為：通過(guò)電機(jī)控制器向定子繞組精準(zhǔn)注入特定幅值、相位的諧波電流，與電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的固有諧波成分形成靶向抵消效應(yīng)，從源頭抑制電磁力波畸變與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)與輻射噪聲水平，且具備極強(qiáng)的平臺(tái)適配性與方案擴(kuò)展性。

在諧波注入降噪技術(shù)的工程化落地過(guò)程中，“仿真先行、精準(zhǔn)預(yù)判” 是提升研發(fā)效率、降低試錯(cuò)成本的核心原則。AVL EXCITE 作為多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)，憑借其在電磁 - 結(jié)構(gòu) - 聲學(xué)全鏈路耦合仿真領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，能夠精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)諧波注入策略對(duì)電機(jī)電磁力特性、動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)及輻射噪聲的耦合影響機(jī)制。通過(guò)該軟件可提前量化降噪效果、迭代優(yōu)化諧波電流的幅值、相位及頻率參數(shù)組合，有效規(guī)避實(shí)車測(cè)試階段的高成本試錯(cuò)，為諧波注入技術(shù)的工程化應(yīng)用提供科學(xué)、高效的仿真支撐與決策依據(jù)。

圖1 AVL 新能源動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解決方案

作為車用動(dòng)力總成動(dòng)力學(xué)分析領(lǐng)域的專業(yè)級(jí)工具，AVL EXCITE M 具備全面且深度的仿真分析能力：不僅可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的核心動(dòng)力學(xué)分析（包括彈性液力潤(rùn)滑（EHD）仿真、振動(dòng)噪聲（NVH）性能預(yù)測(cè)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性分析及載荷傳遞路徑仿真等），還能針對(duì)新能源動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、減速器總成）開(kāi)展精細(xì)化動(dòng)力學(xué)評(píng)估，涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)、電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)接觸應(yīng)力分布、軸承載荷分析及整體傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)等核心場(chǎng)景，為動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能提升及可靠性驗(yàn)證提供全方位的技術(shù)支撐。

為滿足電機(jī)動(dòng)力學(xué)的各類分析需求，EXCITE M 提供三類電機(jī)連接副模型，其功能定位與應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1. 參數(shù)輸入型（Parameter Input）：核心聚焦電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的功能控制，典型應(yīng)用場(chǎng)景為臺(tái)架測(cè)功機(jī)模擬控制，可精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 / 扭矩閉環(huán)控制邏輯；

2. 文件基礎(chǔ)型（File-Based Model）：依托電磁分析獲取的電機(jī)物理 MAP 數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，能夠納入電機(jī)控制策略對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響，適用于需結(jié)合電磁 - 動(dòng)力學(xué)耦合分析的場(chǎng)景；

3. MAP 基礎(chǔ)型（MAP-Based Model）：核心用途是將預(yù)計(jì)算得到的電機(jī)載荷 MAP 數(shù)據(jù)映射至動(dòng)力學(xué)模型，可精準(zhǔn)表征電機(jī)在瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)工況下的 NVH 性能，滿足振動(dòng)噪聲相關(guān)分析需求。

針對(duì) File-Based Model 電機(jī)類型，軟件已集成內(nèi)置常規(guī)電機(jī)控制模型，該模型涵蓋轉(zhuǎn)速控制模塊、電流控制模塊、電池單元及逆變器單元，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的精準(zhǔn)控制，同時(shí)能夠納入電機(jī)逆變器開(kāi)關(guān)頻率的影響因素。

圖3電機(jī)控制模型 圖4 EXCITE M考慮PWM頻率響應(yīng)

為納入外部電流控制策略的影響因素，EXCITE M 軟件支持 Matlab 模塊的集成應(yīng)用，用戶可基于真實(shí) Simulink 控制策略于EXCITE M完成電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

圖5 電機(jī)控制模塊

案例介紹

本文基于簡(jiǎn)單案例，演示如何通過(guò)外部電流控制策略，開(kāi)展諧波注入對(duì)電驅(qū)系統(tǒng) NVH 特性影響的量化分析。

圖6 電機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型與拓?fù)淠Ｐ?/p>

上圖為單電機(jī) EXCITE M 三維動(dòng)力學(xué)模型與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，電機(jī)的電磁 MAP 通過(guò) EXCITE M 內(nèi)置的 EMT 電磁模塊計(jì)算生成，該 MAP 包含電機(jī)在不同 Id/Iq 電流組合、不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角下的磁鏈參數(shù)與定轉(zhuǎn)子電磁受力關(guān)鍵信息。

圖7 電機(jī)物理MAP

模型中的電機(jī)單元集成了電機(jī) MAP 數(shù)據(jù)，為后續(xù)查表插值計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐；電機(jī)控制模型中，目標(biāo)扭矩模塊用于定義電機(jī)的工況需求扭矩，電流控制單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制（本案例中該單元采用外部 Simulink 模型實(shí)現(xiàn)控制）；DC 電源單元用于設(shè)定電池供電電壓，DC/AC 逆變器單元負(fù)責(zé)完成直流 - 交流的電能轉(zhuǎn)換。

圖8 電機(jī)控制單元

電機(jī)控制單元的整體數(shù)據(jù)流如下：通過(guò)設(shè)定電機(jī)需求扭矩，結(jié)合實(shí)際電機(jī)控制策略對(duì)應(yīng)的電流分配 MAP（如 MTPA 控制電流 MAP），經(jīng)查表插值計(jì)算得到該扭矩對(duì)應(yīng)的目標(biāo) Id/Iq 電流分量；電流控制單元根據(jù)目標(biāo)電流與實(shí)際電流的偏差，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)生成 PWM 調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng) DC/AC 逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓；電機(jī)單元接收交流電壓后，通過(guò)電磁耦合作用生成實(shí)際 Id/Iq 電流，再基于內(nèi)置的電磁 MAP 數(shù)據(jù)查表獲取定轉(zhuǎn)子電磁受力；最終通過(guò)機(jī)電耦合作用影響電機(jī)轉(zhuǎn)速及其他關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。在次過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)控制單元中加入諧波信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)降噪目的。

圖9 電機(jī)控制單元數(shù)據(jù)流程

為簡(jiǎn)化諧波注入?yún)?shù)的調(diào)控流程、提升操作便捷性，EXCITE M 仿真模型支持在控制模型中直接配置諧波注入相關(guān)核心參數(shù)，包括目標(biāo)抑制 / 注入諧波階次、注入幅值、注入相位及諧波注入時(shí)機(jī)等。

圖10 控制模型

下圖為 EXCITE M 單電機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型中電機(jī)的實(shí)際輸出電流信號(hào)波形：在基波電流基礎(chǔ)上注入特定階次諧波信號(hào)后，電流波形出現(xiàn)明顯的幅值畸變與高頻紋波，且畸變程度與諧波的注入階次、幅值及相位直接相關(guān)，直觀反映了諧波注入對(duì)電機(jī)電流特性的調(diào)制效應(yīng)。

圖11 電機(jī)電流信號(hào)

下圖為電機(jī)輸出扭矩時(shí)域?qū)Ρ炔ㄐ螆D。由圖中波形直觀對(duì)比可清晰觀察到：在采用諧波注入控制策略后，電機(jī)扭矩的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)幅值（峰值 - 峰值，P-P）顯著減小，扭矩輸出的平滑性大幅提升；同時(shí)，針對(duì)預(yù)設(shè)目標(biāo)抑制的特定諧波階次，其對(duì)應(yīng)的扭矩脈動(dòng)分量幅值得到明顯抑制，相較于無(wú)諧波注入工況，該階次扭矩脈動(dòng)的峰值降幅顯著。

圖12 電機(jī)扭矩信號(hào)

下圖為 EXCITE M 單電機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型中電機(jī)殼體表面指定觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻域響應(yīng)圖及目標(biāo)抑制階次（48 階，與電機(jī)電磁激勵(lì)主階次對(duì)應(yīng)）的階次切片圖，對(duì)比展示了無(wú)諧波注入工況與諧波注入工況下的振動(dòng)響應(yīng)差異。

由頻域響應(yīng)圖可直觀觀察到：針對(duì)預(yù)設(shè)的 48 階主抑制階次，諧波注入后該階次對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值得到顯著抑制，相較于無(wú)諧波注入工況，其峰值幅值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且在電機(jī)主要工作轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，該階次振動(dòng)響應(yīng)的抑制效果持續(xù)穩(wěn)定；進(jìn)一步結(jié)合切片圖分析可見(jiàn)，在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間，48 階振動(dòng)加速度幅值的降幅尤為突出，部分轉(zhuǎn)速下的幅值較無(wú)諧波注入工況降低 50% 以上，實(shí)現(xiàn)了翻倍級(jí)的抑制效果。

圖13電機(jī)殼體振動(dòng)響應(yīng)

通過(guò)對(duì)比無(wú)諧波注入工況與諧波注入工況的振動(dòng)速度級(jí)云圖分布特征可直觀發(fā)現(xiàn)：注入諧波信號(hào)后，電機(jī)殼體表面的整體振動(dòng)速度級(jí)幅值呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

圖14 電機(jī)殼體振動(dòng)速度云圖

總結(jié)

EXCITE M 軟件與 Simulink 的諧波注入耦合仿真方案，構(gòu)建了 “電磁 - 動(dòng)力學(xué) - 振動(dòng)” 跨域協(xié)同的電驅(qū)系統(tǒng) NVH 優(yōu)化技術(shù)路徑：以 EXCITE M 單電機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型為核心，依托其內(nèi)置 EMT 電磁模塊生成的精準(zhǔn)電磁 MAP 數(shù)據(jù)（含多 Id/Iq 電流組合、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角下的磁鏈與定轉(zhuǎn)子電磁受力信息），為仿真提供堅(jiān)實(shí)的機(jī)電耦合基礎(chǔ)；通過(guò)集成 Simulink 外部電流控制單元，實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)閉環(huán)控制與諧波注入策略的靈活落地，且 EXCITE M 支持直接配置目標(biāo)抑制 / 注入諧波階次、幅值、相位及注入時(shí)機(jī)等核心參數(shù)，大幅簡(jiǎn)化了調(diào)控流程。該耦合方案的有效性已通過(guò)多層級(jí)仿真結(jié)果充分驗(yàn)證：諧波注入后，電機(jī)電流波形的幅值畸變與高頻紋波得到優(yōu)化，目標(biāo) 48 階主抑制階次對(duì)應(yīng)的扭矩脈動(dòng)顯著降低，電機(jī)殼體表面單一觀測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度與全域振動(dòng)速度級(jí)均實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性下降 —— 不僅靶向抑制了目標(biāo)階次的振動(dòng)響應(yīng)，還縮小了殼體高振動(dòng)集中區(qū)域的覆蓋范圍、降低了整體振動(dòng)均值，同時(shí)兼顧了扭矩輸出平滑性與電流特性穩(wěn)定性。從技術(shù)機(jī)理來(lái)看，該耦合模式通過(guò) “Simulink 精準(zhǔn)控制諧波注入 - EXCITE M 高精度仿真機(jī)電耦合效應(yīng)” 的協(xié)同，從電流優(yōu)化切入抑制電磁力脈動(dòng)源頭，再通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞路徑削弱振動(dòng)激勵(lì)，形成了 “控制策略優(yōu)化 - 仿真驗(yàn)證 - 工程落地” 的完整閉環(huán)；其工程價(jià)值不僅在于為電驅(qū)系統(tǒng) NVH 優(yōu)化提供了高效、精準(zhǔn)的仿真工具組合，還能為后續(xù)控制參數(shù)精細(xì)化標(biāo)定與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐，助力實(shí)現(xiàn) “控制策略 + 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)” 的協(xié)同 NVH 優(yōu)化，最終提升整車駕乘舒適性。