振動(dòng)和噪音在許多應(yīng)用中可能成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致不良的終用戶體驗(yàn)，以及由于壓力導(dǎo)致的機(jī)械故障。許多應(yīng)用包含脈動(dòng)負(fù)載，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和可聞噪聲。在本文中，將介紹一種補(bǔ)償振動(dòng)和可聞噪聲的典型方法，包括該方法所需的調(diào)諧。在這個(gè)由兩部分組成的系列的第 2 部分中，還將介紹一種新的補(bǔ)償方法，詳細(xì)說(shuō)明其工作原理和所需的少調(diào)整。

   振動(dòng)和噪音的原因 
振動(dòng)和噪音的原因有多種。我們將重點(diǎn)關(guān)注的主要原因是負(fù)載特性產(chǎn)生的振動(dòng)。我們還將關(guān)注由于系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。下面討論了兩個(gè)振動(dòng)示例：一個(gè)與電機(jī)的脈動(dòng)負(fù)載有關(guān)，另一個(gè)與控制回路的振蕩有關(guān)，即使負(fù)載沒(méi)有脈動(dòng)。

    脈動(dòng)負(fù)載 
旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中存在的機(jī)械負(fù)載或活塞式壓縮中使用的機(jī)械負(fù)載在本文中特別受關(guān)注。隨著壓縮機(jī)加壓和排放氣體，這些壓縮機(jī)的扭矩要求在一個(gè)機(jī)械循環(huán)中從空載到滿載變化。圖 1 顯示了往復(fù)式壓縮機(jī)的典型負(fù)載曲線。

圖 1：往復(fù)式壓縮機(jī)的典型負(fù)載曲線（）

    有了上述扭矩要求，在控制回路上保持恒定速度變得非常具有挑戰(zhàn)性。由于速度變化，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生可聞噪聲。要顯示此類負(fù)載如何影響閉環(huán)系統(tǒng)中的電機(jī)速度，請(qǐng)考慮圖 2，其中顯示了磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 環(huán)路中的 PMSM 電機(jī)：

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圖 2 ：PMSM 電機(jī)中的 FOC 回路（）

圖 3 描述了 100 rad/s 的速度參考，一旦在 0.5 秒處引入速度參考階躍，它就會(huì)切換到 200 rad/s 的新速度參考：

圖 3：引入速度參考步驟（）

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  基于反饋的控制器 
   振動(dòng)的第二個(gè)來(lái)源是速度控制器的振蕩。當(dāng)存在脈動(dòng)負(fù)載時(shí)，這種振蕩是由速度修正的反饋引起的。速度控制器將根據(jù)反饋控制速度，而實(shí)際上隨著電機(jī)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載已經(jīng)發(fā)生變化。由于這種情況在每個(gè)機(jī)械循環(huán)中都會(huì)發(fā)生，因此僅基于反饋信號(hào)的速度控制器會(huì)產(chǎn)生比根本沒(méi)有速度控制器更糟糕的振動(dòng)。例如，如果我們?nèi)コぞ嘏c負(fù)載的擾動(dòng)并調(diào)整速度控制器，結(jié)果將是非常尖銳的響應(yīng)，如下圖 4 所示：

圖 4：無(wú)負(fù)載時(shí)調(diào)節(jié)速度控制器（）

   如果我們隨后添加扭矩與角度擾動(dòng)，我們?nèi)匀粺o(wú)法消除速度變化，如下圖 5 所示：

圖 5：調(diào)諧無(wú)振動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃俣瓤刂破鳎ǎ?/p>

使基于反饋的純速度控制器更具侵略性表明高增益速度控制器不是解決振動(dòng)和噪音問(wèn)題的方法。

受振動(dòng)和噪音影響的應(yīng)用 
任何使用基于活塞的壓縮或旋轉(zhuǎn)負(fù)載的應(yīng)用很可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)或噪音。在本文中，我們將注意力集中在那些位于家中的電器以及那些帶有機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可能會(huì)因電機(jī)振動(dòng)而損壞。示例包括單機(jī)空調(diào)、分體式空調(diào)、冰箱壓縮機(jī)、噴漆機(jī)和空氣壓縮機(jī)等。

圖 6：家庭內(nèi)部的常見(jiàn)應(yīng)用（）

   傳統(tǒng)補(bǔ)償：了解您的機(jī)械負(fù)載 
一種補(bǔ)償方法是傳統(tǒng)方法，它根據(jù)先前對(duì)連接到電機(jī)軸的機(jī)械負(fù)載的了解來(lái)補(bǔ)償脈動(dòng)負(fù)載。在這種傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法中，了解機(jī)械負(fù)載至關(guān)重要。這是因?yàn)樨?fù)載與算法認(rèn)為的負(fù)載之間的任何不匹配都可能使振動(dòng)和噪音變得更糟。

    為了展示其工作原理，讓我們重新使用圖 5 中所示的扭矩與角度曲線。傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確地映射負(fù)載曲線并使用該信息來(lái)幫助速度控制器。傳統(tǒng)方法只有在負(fù)載根本不發(fā)生變化，或者存在非常特定的速度運(yùn)行點(diǎn)時(shí)才有效，每個(gè)點(diǎn)都具有已知的負(fù)載曲線。如果負(fù)載沒(méi)有變化，速度控制器可以使用預(yù)加載在微控制器內(nèi)存中的查找表。如果事先知道負(fù)載，則可以完全補(bǔ)償負(fù)載。

    在圖 7 中，我們看到兩條曲線：一條是沒(méi)有補(bǔ)償?shù)?，一條是對(duì)已知負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。?qǐng)注意速度控制器與負(fù)載查找表的結(jié)合如何能夠幾乎完全補(bǔ)償變化。在圖 7 中，紅線表示沒(méi)有補(bǔ)償?shù)乃俣?，綠線表示啟用補(bǔ)償?shù)乃俣取?/p>

圖 7：具有和不具有已知負(fù)載補(bǔ)償?shù)那€（）

    使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行調(diào)優(yōu)的挑戰(zhàn) 
在使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行調(diào)優(yōu)時(shí)，需要考慮幾個(gè)事項(xiàng)。在本節(jié)中，我們將在實(shí)施傳統(tǒng)方法之前討論這些任務(wù)。

   負(fù)載變化 
    當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，脈動(dòng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)也可能發(fā)生變化。這是由于負(fù)載本身的屬性。例如，在壓縮機(jī)應(yīng)用中，施加到被壓縮氣體的壓力會(huì)根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短而變化。由于這一變化，補(bǔ)償表也可能發(fā)生變化。換句話說(shuō)，我們?cè)噲D補(bǔ)償?shù)呐渲梦募欠蔷€性的。對(duì)于壓縮機(jī)的每個(gè)工作點(diǎn)，我們都會(huì)有幾個(gè)補(bǔ)償表，這會(huì)消耗微控制器中的大量?jī)?nèi)存。為了顯示負(fù)載變化的影響，請(qǐng)考慮圖 8，顯示補(bǔ)償負(fù)載。在 0.75 秒時(shí)，扭矩脈動(dòng)被移除，速度控制器的前饋?lái)?xiàng)將引入振動(dòng)：

圖 8：顯示負(fù)載變化的補(bǔ)償負(fù)載（）

    速度變化 
    在典型系統(tǒng)中，負(fù)載曲線會(huì)隨著電機(jī)的速度而變化。正如預(yù)期的那樣，單個(gè)補(bǔ)償表不足以消除電機(jī)速度范圍內(nèi)的所有補(bǔ)償。圖 9 顯示了正在應(yīng)用的單個(gè)補(bǔ)償表，在 200 rpm 時(shí)，負(fù)載曲線變?yōu)橹档囊话耄?/p>

圖 9：在 200 rpm 下應(yīng)用的單個(gè)補(bǔ)償表（）

    將補(bǔ)償表的角度歸零 
   通常，扭矩與角度負(fù)載曲線取決于系統(tǒng)的機(jī)械角度，因?yàn)樨?fù)載是連接到電機(jī)軸的機(jī)械負(fù)載的特性。壓縮機(jī)應(yīng)用等系統(tǒng)沒(méi)有連接到軸的機(jī)械傳感器，因此系統(tǒng)檢測(cè)的只是電機(jī)的電角度。具有多個(gè)轉(zhuǎn)子磁極也是標(biāo)準(zhǔn)的，這會(huì)在電氣角和機(jī)械角之間產(chǎn)生一個(gè)比率。如果我們應(yīng)用基于機(jī)械角度的補(bǔ)償表，則算法必須使補(bǔ)償表角度與機(jī)械負(fù)載角度同步。事實(shí)證明這具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闆](méi)有位置傳感器可用于將補(bǔ)償表歸零。

    在圖 10 中，我們使用了一個(gè)四極對(duì)電機(jī)，帶有扭矩與機(jī)械角度表。請(qǐng)記住，在 FOC 系統(tǒng)中，使用的是電角度。在四極對(duì)電機(jī)中，零電角可以轉(zhuǎn)化為 0、90、180 或 270 度的機(jī)械角。如果電氣角度從 0 機(jī)械角開(kāi)始，那么工作臺(tái)工作得很好，但是如果它從 180 度開(kāi)始，那么工作臺(tái)就不能很好地補(bǔ)償，如圖 10 所示。事實(shí)上，180 度的差異加倍振動(dòng)：

圖 10：帶有扭矩與機(jī)械角度表的四極對(duì)電機(jī)（ Instruments）

     在這一點(diǎn)上，固定表方法顯然不是解決這個(gè)問(wèn)題的方法；相反，適應(yīng)負(fù)載配置文件變化的動(dòng)態(tài)解決方案將解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)由兩部分組成的系列文章的第二篇文章將介紹一種新算法，該算法研究曲線并將其學(xué)習(xí)應(yīng)用于 FOC 系統(tǒng)以補(bǔ)償脈動(dòng)負(fù)載。