專利名稱：由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)饋給信號的機器的低噪音操作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)饋給信號的機器的低噪音操作的方法，在該方法中，用來產(chǎn)生開關(guān)元件的控制脈沖的載波信號由一特定的函數(shù)來調(diào)制。
大多數(shù)由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)饋給信號的機器運行時的開關(guān)頻率落在人聽力最敏感的區(qū)域內(nèi)(2千赫到10千赫)。一個常用的控制原理是恒定載波頻率下的分諧波振動方法。然而，由此法所產(chǎn)生的頻譜出現(xiàn)高振幅的單個諧波，而這些單個的諧波會發(fā)出令人不快的噪音。該法中，經(jīng)常使用的用來確定開關(guān)時間的三角形載波信號是有恒定的頻率。
在文獻(xiàn)DE—OS 3912706中描述了一種用分諧波振動法操作脈沖寬度調(diào)節(jié)器(PWM)的由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)饋給信號的機器的低噪音操作方法。這里，用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)換開關(guān)的脈沖寬度受到調(diào)制的控制脈沖的載波頻率并不預(yù)設(shè)為在穩(wěn)態(tài)下為常數(shù)的定值，而是在一預(yù)設(shè)的頻帶內(nèi)不斷變化但不依賴于機器的運作狀態(tài)。這樣，轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓的頻譜便不是由單個譜線組成，而是分布在整個頻帶上。
在上述利用脈沖寬度調(diào)制來運作的方法中，脈沖頻率也是變化的。發(fā)生器給載波信號頻率提供一經(jīng)靜態(tài)地確定了的控制信號(如具有高斯分布)。該發(fā)生器是一種隨機發(fā)生器或用來產(chǎn)生偽隨機數(shù)的數(shù)字發(fā)生器。這里，只存在在一定范圍內(nèi)隨機地影響頻譜的可能性。由于這一隨機調(diào)節(jié)原理，頻譜的確定是不可能的。此外，在定子上激發(fā)機械共振的諧波只能在某些條件下被消除或被永久地減弱以及不再施加任何令人不安的影響。
本發(fā)明基于這樣一個目標(biāo)，即提出一種上面初步提及的一類由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)饋給信號的機器的低噪音操作的方法，該方法應(yīng)避免前述老方法的缺陷，并能產(chǎn)生出更適合人耳的噪音特征及減少所感覺到的響度。
該發(fā)明的優(yōu)點主要表現(xiàn)在有可能對脈沖波形采取有可預(yù)測結(jié)果的有目標(biāo)的影響。由于用一確定的函數(shù)對載波信號進(jìn)行了調(diào)制，轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓的諧波的振幅和頻率便可給予準(zhǔn)確計算。這就意味著轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓波在任何時刻都是知道的。諧波頻率可通過有目標(biāo)的參數(shù)預(yù)設(shè)來實現(xiàn)均勻分布。這樣，諧波振幅變小。結(jié)果，由于較小的諧波振幅和諧波在整個頻譜上的均勻分布，使得產(chǎn)生的噪聲比起用傳統(tǒng)方法得到的要較不令人不安且響度也比較低。
上述方法的有效發(fā)展和改進(jìn)可通過采用下面所說明的措施來實現(xiàn)。會激發(fā)機械定子共振的頻帶可借助貝塞爾函數(shù)來消除。
本發(fā)明的兩個實施例在附圖中有展示并在下面予以詳細(xì)說明。附圖包括

圖1轉(zhuǎn)換開關(guān)的示意圖；圖2a至2d調(diào)制信號Usta、載波信號UH和轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua的基本電壓曲線；圖3具有恒定載波頻率的分諧波振動方法中定子電壓的頻譜；
圖4用來展示帶脈沖寬度和脈沖頻率調(diào)制的由本發(fā)明中所述方法所得到的定子電壓的頻譜的增益(fanning out)的說明圖；圖5根據(jù)本發(fā)明的方法所得到的大范圍增益了的頻譜；圖6貝塞爾函數(shù)；圖7已消除頻帶的頻譜詳圖；和圖8a和8b根據(jù)實施例2，一個列出轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓的可能組合的表及根據(jù)空間矢調(diào)制方法得到的旋轉(zhuǎn)矢量。
圖1為一由三相脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)1饋給信號的電機的示意圖。轉(zhuǎn)換開關(guān)1由六個可開關(guān)的元件3組成。在調(diào)制器4中，開關(guān)元件3的開關(guān)脈沖通過比較調(diào)制信號Usta，b，c和載波信號UH來確定。電壓Ua，b，c為轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出電壓，Ua，b，c為定子電壓，Uo為星形接線零點。而電壓Ud為輸入直流電壓。轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c的產(chǎn)生是由于有一半輸入直流電壓即Ud/R帶著正或負(fù)號被接通至輸出端。
圖2a顯示調(diào)制信號USta和載波信號UH的電壓曲線。信號Usta和信號UH的交匯點給出開關(guān)元件3的開關(guān)時間5。對于正強調(diào)制信號USta和三角形載波信號UH的每一次交匯，轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua改變極性。調(diào)制程度ao(或稱調(diào)制指數(shù))和調(diào)制信號USta，b，c的固有振蕩頻率f1決定著振幅ao。(Ud/2)轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c的固有振動UGS的頻率f1。三角形載波信號UH的周頻F決定轉(zhuǎn)換開關(guān)的開關(guān)頻率FF＝Fo＋ΔF.Sin(2πfFt＋F)。式中，F(xiàn)o為固有脈沖頻率，ΔF為脈沖頻率調(diào)制(PFM)的頻率差，fF為脈沖調(diào)制頻率，而F為按正弦變化的脈沖頻率的相位。圖2b顯示具有固有振動頻率f1且其脈沖寬度受到調(diào)制的正弦信號USta的曲線，其中USta由下式給出USta，b，c＝UStcos(2πf1＋δo＋D)圖2C代表頻率為fF且其脈沖頻率受到調(diào)制的正弦信號的曲線，該信號調(diào)制三角形載波信號UH。這種對載波信號UH進(jìn)行調(diào)制的目的在于通過經(jīng)常變動轉(zhuǎn)換開關(guān)的開關(guān)頻率F來產(chǎn)生均勻頻率分布。利用具有曲線形狀的信號如三角形、鋸齒形等等來調(diào)制三角形載波信號UH也是可能的。圖2d展示一畫有轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua的一種可能曲線的說明圖。電壓區(qū)域6的邊界對應(yīng)著接通瞬間5。
圖3表示根據(jù)分諧波振動方法產(chǎn)生的定子電壓的頻譜。由于載波信號UH的脈沖頻率F為一定值，此法所產(chǎn)生的電壓Ua只對在脈沖頻率F的倍數(shù)附近的單個頻率出現(xiàn)高振幅。這些諧振產(chǎn)生令人難受的刺耳的噪音。
圖4展示附加有對載波信號UH進(jìn)行正弦脈沖頻率調(diào)制(PFM)的定子電壓的頻譜的解說圖。三角形信號UH的頻率F的經(jīng)常的變動導(dǎo)致諧波沿整個頻率范圍的均勻分布。這樣，具有恒定載波頻率的分諧波振動方法中的主諧波(由參數(shù)n，v標(biāo)記)便被分解(fannedout)成本發(fā)明方法所涉及的次諧波(的參數(shù)n，m和v標(biāo)記)，其中n表示固有脈沖頻率Fo的坐標(biāo)序數(shù)，V表示脈沖寬度調(diào)制頻率f1的坐標(biāo)序數(shù)，而m表示脈沖頻率調(diào)制頻率fF的坐標(biāo)序數(shù)。上述頻譜可以通過有目標(biāo)地設(shè)定以下將要給予解釋的用來計算轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c的公式(即公式1)中的參數(shù)ΔF和fF來進(jìn)行大范圍增益。
圖5展示采用本發(fā)明的方法得到的定子電壓的經(jīng)大范圍增益的頻譜。轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c和諧波分量Unmv可由下列公式算出(公式1)Ua，b，c＝Ud/2·aocos(2πf1t＋δo＋D)＋+Σn=1∞Σm=0∞Σv=0∞Unmv·+cos[2π(nF0+mfF+vf1)t+(nγ0-mπ/2+mφF+vδ0)+vD]++cos[2π(nF0+mfF-vf1)t+(nγ0-mπ/2+mφF-vδ0)-vD]++cos[2π(nF0-mfF-vf1)t+(nγ0-mπ/2-mφF+vδ0)+vD]++cos[2π(nF0-mfF-vf1)t+(nγ0-mπ/2-mφF-vδ0)-vD]+]]>式中，諧波分量Unmv由下式給出 其中δmo＝1(如果m＝0)或0(如果m＞0)，其余符號定義如下Ud輸入直流電壓ao調(diào)制指數(shù)(0.1)f1固有振蕩頻率，脈沖寬度調(diào)制頻率Unmv諧振的電壓振幅n固有脈沖頻率Fo的坐標(biāo)序數(shù)v脈沖寬度調(diào)制頻率f1的坐標(biāo)序數(shù)m脈沖頻率調(diào)制頻率fF的坐標(biāo)序數(shù)fF脈沖頻率調(diào)制的頻率ΔF脈沖頻率調(diào)制的頻率差F脈沖頻率Fo固有脈沖頻率Jm，Jv貝塞爾函數(shù)D相位移0°(a)，－120°(b)，＋120°(c)δo調(diào)制電壓USt和轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c的固有振蕩的相位γo載波信號UH的相位o脈沖頻率調(diào)制函數(shù)F的相位鑒于脈沖頻率調(diào)制的頻率fF和該脈沖頻率調(diào)制的頻率差ΔF的固有或基態(tài)振蕩UGS＝(Ud/2).ao·cos(2πf1t＋δo＋D)的獨立性，可隨意改變頻譜而不致影響固有振蕩UGS。
貝塞爾函數(shù)Jm(n·ΔF/fF)和Jv(n·T1/2.ao)或比值ΔF/fF決定諧波分量的振幅Unmv。該比值越大，坐標(biāo)數(shù)據(jù)為m的次諧波的數(shù)目也就越大，因而也就意味著較寬的頻譜分布。顯然，這里最大的優(yōu)點是頻譜的形狀可隨意改變。為了獲得盡可能均勻的頻率分布，可以設(shè)定合適的調(diào)制參數(shù)fF和ΔF使得頻譜中部分重疊的相鄰主波群n的諧波分量Unmv的頻率不重合在一起。使用貝塞爾函數(shù)來計算諧波分量Unmv，不僅使頻譜大范圍增益，而且還可消除會激發(fā)機械定子共振的次波群m的諧波。
脈沖頻率調(diào)制的頻率fF直接決定著邊帶頻率與固有脈沖頻率Fo的諧波n.Fo之間的間距±m(xù).fF±V.f1。
余下要指出的便是諧波分量Unmv的相位出現(xiàn)在乘子{cos[2π(nFo＋mfF＋Vf1)t＋…]＋…}內(nèi)。
定子由于受到徑向磁力的作用而產(chǎn)生振動并進(jìn)而發(fā)出噪聲，該噪聲的頻率分布與經(jīng)向氣隙的力分布P相同。基于已知計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于恒定的磁性氣隙的磁感的固有振蕩振幅(用通常使用的對異步機的調(diào)節(jié)的方式予以保證)，徑向氣隙的力分布P的諧波振幅Pnmv與上述公式中的諧波振幅Unmv成正比。即Pnmv～Unmv。
這意味著減噪基本上是通過減小諧波振幅來實現(xiàn)的。由于頻譜的增益，一方面轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓的諧波振幅減小，另一方面又產(chǎn)生了一種雖不再顯示任何明顯的單個頻率但可看作為規(guī)則噪聲的聲音波形。這樣，不僅可看到噪音響度的降低，而且還由于許多頻率分布在整個譜圖上而產(chǎn)生較為令人滿意的噪音。圖6展示用于優(yōu)化調(diào)制方法和消除頻帶的貝塞爾函數(shù)的曲線。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的方法并除去了頻帶的頻譜詳圖。其中頻帶的消除是借助貝塞爾函數(shù)來完成的。要除去的頻率可由比值ΔF/fF來確定。在頻率n·Fo±m(xù)·fF±V·f1處的諧波振幅Unmv與貝塞爾函數(shù)Jm(n·F/fF)成正比。
通過適當(dāng)設(shè)定參數(shù)ΔF和fF，可使貝塞爾函數(shù)對于某些載波乘子n和次波群m取零值。其步驟將在下面作詳細(xì)說明。三角形載波信號UH的固有脈沖頻率Fo是固定的。次波群m的位置可通過選擇脈沖頻率調(diào)制的頻率fF來確定。干擾頻率范圍可參照已弄清楚的機械定子共振頻率來選定。貝塞爾函數(shù)的坐標(biāo)序數(shù)可通過次波群的坐標(biāo)序數(shù)來確定。為了消除頻帶或次波群m，具有已事先知道的坐標(biāo)序數(shù)的圖6中所示的貝塞爾函數(shù)就應(yīng)設(shè)定為零。在這個零點處的自變量等于比值(n·ΔF)/fF。脈沖頻率調(diào)制的頻率fF事先給固定住。因而，可確定脈沖頻率調(diào)制的頻率差ΔF以便指定的次波群不在頻譜上出現(xiàn)。所選次波群的消除取決于調(diào)制指數(shù)ao和固有振蕩頻率f1，因而也就與機器的操作狀態(tài)無關(guān)。
第二實施例涉及一種用空間矢調(diào)制代替載波調(diào)制的方法。
由脈沖寬度調(diào)制方法得到的具有可變脈沖頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c的頻譜的推導(dǎo)是建立在載波調(diào)制基礎(chǔ)之上的，這是因為與空間矢調(diào)制相比載波調(diào)制能更好地代表脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制的時間依賴性。當(dāng)然，采用兩種方式(載波或空間矢調(diào)制)的實際裝置所得到的結(jié)果相同。
為了說明空間矢調(diào)制，不僅轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出電壓Ua，b，c還有控制電壓USta，b，c將根據(jù)以下規(guī)則被轉(zhuǎn)換到空間矢區(qū)域X＝2/3·[Xa＋Xbej120°＋Xce-j120°]。對于控制電壓USta，b，c＝Ud/2.ao.cos(2πf1t＋δo＋D)，由上述規(guī)則可得下列旋轉(zhuǎn)矢Ust___=Ud/2·aoej(2πf1t+δo)=Ud/2·ao·ejδ(t)]]>其中δ(t)＝2πf1t＋δo。由于開關(guān)元件(3)(見圖1)使得轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓Ua，b，c只能取值±Ud/2，因而重復(fù)所希望的連續(xù)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)矢便只能以不完整地方式進(jìn)行。圖8a中的表顯示瞬時轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓中的三個量只能有8種可能的組合，而這8種組合中又只能產(chǎn)生兩個零位矢量(U0和U1)及六種可能的離散的旋轉(zhuǎn)矢位置(U1，U2，U3，U4，U5和U6)。
圖8b中所示的“旋轉(zhuǎn)矢量”被分成從I到VI共六個區(qū)間。對于具有恒定脈沖頻率F＝F0的分諧波振動法來說，離散的旋轉(zhuǎn)矢按照一定順序在每一脈沖周期T＝1/F0內(nèi)變化六次。這個離散旋轉(zhuǎn)矢序列在同一區(qū)間內(nèi)保持相同并在完成一個周期后重復(fù)。
一個離散旋轉(zhuǎn)矢Ux在一個區(qū)間內(nèi)有效的時間間隔tx(tx＝t1，t2，…t6)取決于調(diào)制指數(shù)ao和角度δ(t)。
區(qū)間序號(I，II，…，IV)由旋轉(zhuǎn)矢的位置決定。
對應(yīng)于區(qū)間I到VI的離散旋轉(zhuǎn)矢序列定義如下區(qū)間I 區(qū)間II 區(qū)間III 區(qū)間IV 區(qū)間V 區(qū)間VI 時間間隔序列為t1，t2，t3，t4，t5，t6，其中t1＋t2＋t3＋t4＋t5＋t6＝T＝1/F0。
根據(jù)本發(fā)明的方法，對于變脈沖頻率F，其離散旋轉(zhuǎn)矢序列保持相同。不同的只是一個旋轉(zhuǎn)序列的脈沖周期T＝1/F起了變化。在0時向序列t內(nèi)的單個時間部分t1，t2，……t6還取決于函數(shù)F＝F0＋ΔF·Sin(2πfF·t＋F)。
權(quán)利要求
1.一種機器(2)低噪音操作的方法，該機器由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)(1)饋給信號，其中用來控制轉(zhuǎn)換開關(guān)的開關(guān)元件(3)的開關(guān)脈沖是由載波調(diào)制或空間矢量調(diào)制來產(chǎn)生的，而轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓的脈沖波形又是借助這種控制來產(chǎn)生的，載波調(diào)制成空間矢量調(diào)制的特征在于用于開關(guān)元件(3)調(diào)控的脈沖波形可作為數(shù)學(xué)函數(shù)來計算，其中載波調(diào)制的脈沖頻率(F)或旋轉(zhuǎn)矢量序列周期的倒數(shù)(F)可任意變動以便導(dǎo)致干擾諧波的頻率分量得以減少或消除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于載波調(diào)制的載波信號(UH)的脈沖頻率(F)或旋轉(zhuǎn)矢量序列的周期倒數(shù)(F)對于脈沖波形的產(chǎn)生來說最好按正弦變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓(Ua，b，c)的諧波分量(Unmv)可由上述數(shù)學(xué)函數(shù)來確定，其中的參數(shù)包括脈沖頻率調(diào)制的頻率差(ΔF)和脈沖頻率調(diào)制的脈沖頻率調(diào)制頻率(fF)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓(Ua，b，c)的諧波分量Unmv取決于以調(diào)制參數(shù)比(n·ΔF/fF)為向變量的貝塞爾函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于增加比值u(n·ΔF/fF)會增加頻譜分解成次波群(m)的程度的減小諧波分量(Unmv)的振幅。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，頻譜中的次波群(m)可以通過選取合適的調(diào)制參數(shù)比值(n·ΔF/δF)以便屬于次波群(m)的貝摩爾函數(shù)Jm(n·ΔF/fF)為零來予以消除。
全文摘要
本發(fā)明為由脈沖轉(zhuǎn)換開關(guān)驅(qū)動的機器的低噪音操作的方法，可以計算轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出電壓的諧波的振幅和頻率。通過有目標(biāo)地設(shè)定調(diào)制參數(shù)，頻譜或噪音譜可增益，而會激發(fā)定子共振的諧波可以消除。這種對轉(zhuǎn)換開關(guān)的調(diào)控是通過對三角形載波信號(U
文檔編號H02M7/5395GK1115919SQ9510718
公開日1996年1月31日 申請日期1995年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月3日
發(fā)明者赫伯特·施泰姆勒, 托馬斯·伊鈴格 申請人:英萬蒂奧股份公司