基于TB6556FG的降低無刷直流電機噪聲的設計

陳治宇, 黃開勝, 陳風凱, 田燕飛, 何建源

(1. 廣東工業大學，廣東 廣州 510006； 2. 葦源電機有限公司，廣東 佛山 528300)

0 引 言

無刷直流電機無換向器和機械電刷，既具有交流電機結構簡單、運行可靠等優點，又具有直流電機效率高、無勵磁電流和調速性能好等優點，是目前發展最快的一類電機，在家用電器、電動汽車、航空以及電力系統傳動控制等工業領域得到了廣泛應用[1-3]。無刷直流電機運行中系統產生的振動和噪聲，在一定程度上限制了無刷直流電機的應用和推廣。

如何有效抑制無刷直流電機的振動和噪聲成為近年來無刷直流電機研究的熱點問題之一。文獻[1]對9槽8極和9槽10極的無刷直流電機的不平衡電磁力進行了分析和對比，分析出不平衡電磁力對噪聲的影響，沒有研究驅動方式對電機轉矩脈動的直接影響。文獻[2]提出定子齒冠開槽和正弦波驅動相結合的措施來抑制電機的振動和噪聲，沒有進行實例驗證。文獻[4]采用TB6539控制器實現正弦波驅動方式，抑制無刷直流電機的振動和噪聲，沒有結合電機本體來實現整個系統的噪聲抑制。文獻[5]從電機電磁力、固有頻率和結構模態方面對無刷直流電機的噪聲進行分析，沒有結合控制電路進行研究，也沒有實例。

本文設計了一種基于TB6556FG芯片和IPM模塊TP4124AK的正弦波驅動控制系統。其具有自動超前角設置功能，且噪聲小、效率高，有效實現180°正弦波控制三相無刷直流電機。結合Ansys/Maxwell分析軟件建立了電機的二維有限元模型，計算出具有最佳磁極削角的無刷直流電機。樣機試驗表明： 采用TB6556FG與最佳磁極削角相結合的方法可有效抑制換向電流的突變和電機運行中產生的轉矩脈動，對降低無刷直流電機的振動和噪聲具有一定的工程應用價值。

1 正弦波驅動的無刷直流電機

無刷直流電機驅動系統產生振動和噪聲的因素很多，其中換向電流的急劇變化是引起電機振動和噪聲的重點。方波驅動的無刷直流電機，結構簡單、成本低廉，但由于電動勢、電流波形為非理想方波，換向電流的急劇變化，將引起嚴重的振動和噪聲，一定程度上影響電機的應用與推廣[6-7]。由于無刷直流電機和永磁同步電機的結構相同，如果采用正弦波驅動，輸出的電流波形為正弦波或準正弦波，則可有效抑制換向電流的突變，降低電機的振動和噪聲。本文提出采用東芝TOSHIBA電機專用控制器TB6556FG和IPM模塊TP4124AK構建正弦波驅動系統。

2 系統總體設計

本文對降低無刷直流電機振動和噪聲的設計由控制電路和電機本體兩大部分組成。其中控制電路采用TB6556FG芯片和IPM模塊TP4124AK實現對電機的正弦波驅動；電機本體通過Ansys/Maxwell有限元分析軟件，計算出無刷直流電機的最佳磁極削角尺寸，實現對電機轉矩脈動的抑制，達到降低電機運行系統振動和噪聲的目的。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖

3 正弦波控制與驅動系統設計

正弦波控制電路采用的TOSHIBA電機專用硬件控制器TB6556FG，具有MCU無法比擬的抗干擾能力。TB6556FG包括3路獨立比較器放大模塊，用于位置檢測的霍爾元件差分信號輸入；6路帶死區時間設定的PWM驅動單元模塊，死區時間可設定為2.6μs或3.8μs，有效防止驅動IGBT上下橋臂短路，提高工作可靠性。TB6556FG芯片通過使用三個霍爾位置傳感器，按方波方式起動，然后在芯片內部產生三相正弦波PWM電壓信號，外部接功率驅動器，可實現無刷直流電機的正弦波驅動，使無刷直流電機運行在低振動、低噪聲狀態。

此外，TB6556FG還具有自動超前角設置功能，可實現效率最優化。對不同功率的電機只需選用相應的功率模塊或IGBT、MOSFET管即可。該控制器在系統運行過程中作用明顯，是調節電機性能的有效方案，能極大提高電機的負載范圍。該正弦波控制電路的設計如圖2所示。

圖2 正弦波控制電路設計圖

正弦波驅動電路以TOSHIBA生產的TPD4144AK為核心，其包括一個三相逆變橋的6個IGBT、6個快恢復功率二極管、HVIC高壓半橋驅動以及自舉電路；具有過流保護、過熱保護、驅動欠壓保護、報警輸出等功能。由于所用元器件數量比分立元件少很多，其可靠性得到了極大提高。驅動電路采用帶IGBT驅動電路、自診斷及保護功能完善的IPM模塊，使系統體積更小，運行更可靠、更智能化。正弦波驅動電路的設計如圖3所示。

圖3 正弦波驅動電路設計圖

4 無刷直流電機設計

無刷直流電機的磁極和有槽電樞鐵心之間相互作用產生齒槽轉矩，導致轉矩脈動，產生振動和噪聲。一定范圍內的磁極邊緣削角,可消弱齒槽轉矩，抑制轉矩脈動，還能節省永磁材料，降低成本[8]。

4.1 齒槽轉矩的能量法分析

齒槽轉矩等于永磁場能量對轉子旋轉角的偏微分，不計永磁體和鐵心中的磁場能量變化，靜磁能量表示如下：

(1)

式中：μ0——空氣磁導率；

P(θ)——氣隙磁導函數；

Fm(θ,α)——氣隙磁動勢函數；

α——轉子旋轉角。

電機氣隙穩定時，氣隙磁導和磁動勢函數如下：

(2)

(3)

式中：G(θ)——相對氣隙磁導函數；

B(θ,α)——磁通密度函數；

g——氣隙長度。

把式(2)、式(3)代入式(1)，氣隙中的能量表示如下：

(4)

式中： 對于內轉子電機，R1=Rs，R2=Rm；

LFe——電樞鐵心長度；

Rs——定子半徑；

Rm——永磁體半徑。

分別對G2(θ)和B2(θ,α)進行傅里葉分解：

(5)

Bbn2psin2np(θ+α)]

(6)

對于對稱的無刷直流電機，把式(5)、式(6)代入式(4)，利用三角函數正交性，齒槽轉矩的表達式如下：

(7)

4.2 磁極削角的分析

根據以上分析，本文以結構為面包狀的無刷直流電機為例，提出磁極削角方式(見圖4)，其具有兩個自由度，通過改變磁極邊緣a、b的值，即可得到不同程度的削角磁極。

圖4 磁極的削角方式

由于齒槽轉矩并不隨磁極削角程度的增大一直減小，而存在一個臨界削角位置，超過此臨界位置，則齒槽轉矩反而會升高[8]。故根據以上削角方式，分別對應a=3mm、4mm、5mm、6mm、7mm 這五組數據，選取六組不同的b值，共30組數據進行不同的磁極邊緣削角，并利用Ansys/Maxwell分析軟件建立了30種不同磁極削角的電機二維有限元模型，并計算了30種磁極削角電機齒槽轉矩的幅值。通過對比分析發現：a=5mm，b=2mm為最佳削角尺寸，對應的齒槽轉矩幅值最小，為9.97mN·m，而磁極無削角的齒槽轉矩為13.11mN·m，幅值減小近30%。其中無磁極削角、最佳磁極削角電機模型如圖5、圖6所示，齒槽轉矩幅值的對比如圖7所示。

圖5 無磁極削角電機模型

圖6 最佳磁極削角電機模型

圖7 最佳磁極削角與無磁極削角齒槽轉矩幅值對比圖

通過以上計算與分析可知： 一定范圍內的磁極邊緣削角能削弱無刷直流電機的齒槽轉矩，抑制轉矩脈動，改善電機本體的性能。

5 系統噪聲的對比試驗

根據上述分析與設計，制作了樣機在相同條件下進行噪聲試驗。

當采用方波驅動具有最佳磁極削角的無刷直流電機時，工作電流波形如圖8所示，噪聲幅值為63.7dB，電流波形存在高頻噪聲毛刺。

圖8 方波驅動時電流圖

當采用本文設計的正弦波驅動器驅動無磁極削角的無刷直流電機時，工作電流波形如圖9所示，其噪聲幅值為55.6dB，電流波形比較接近正弦波，振動和噪聲得到明顯抑制。

圖9 正弦波驅動時電流圖

當采用正弦波驅動器驅動具有最佳磁極削角的無刷直流電機時，工作電流波形如圖10所示，噪聲幅值為54.2dB，不存在高頻噪聲毛刺，其電流波形比較接近理想的正弦波，振動和噪聲得到明顯抑制。

圖10 正弦波驅動最佳磁極削角電機時電流圖

6 結 語

方波驅動無刷直流電機時，換向電流的急劇變化，將引起嚴重的振動和噪聲。采用TB6556FG驅動器與IPM模塊TP4124AK結合設計的正弦波驅動系統，結構簡單、價格低廉，可有效抑制換向電流的突變，明顯降低電機的振動和噪聲。

采用TB6556FG芯片驅動具有最佳磁極削角的無刷直流電機，其系統具有自動超前角設置功能，不僅能明顯地抑制電機的振動和噪聲，還能提高逆變功率因數。目前該方案已成功應用于一款家用電器設備中。

【參考文獻】

[1] 陳磊,高宏偉,柴鳳,等.小型無刷直流電動機振動與噪聲的研究[J].中國電機工程學報,2006,26(24)： 148-152.

[2] 李建軍,鄒繼斌,徐永向.無刷直流電動機噪聲分析及其抑制[J].微特電機,2009,37(3)： 12-14.

[3] 曾麗,吳浩烈,肖瑩.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統的設計[J].微電機,2010,43(10): 63-66.

[4] 王寶超,原慶兵,李建軍,等.基于TB6539的低噪聲無刷直流電機驅動系統[J].微電機, 2010,43(12): 31-33.

[5] 黃琳娣,顧捷.單相無刷直流風扇電機噪聲分析[J].微電機, 2009,42(2): 79-82.

[6] HUNG J Y, DING Z. Design of currents to reduce torque ripple in brushless permanent magnet motors [C]∥ IEEE proceeding-B, 1993,140(4)： 260-266.

[7] H L H, PERRET P, FEUILLET R. Minimization of torque ripple in brushless dc motor drives [J]. IEEE Trans on Ind Appl， 1986, 22(4)： 748-755.

[8] 辛懋，韓力.削角磁極抑制永磁電動機齒槽轉矩的研究[J].微特電機,2008,36(9): 5-8.