驯服嘈杂的电机——传统补偿

   振动和噪音在许多应用中可能成为一个问题，因为它们会导致不良的终用户体验，以及由于压力导致的机械故障。许多应用包含脉动负载，这会导致电机振动和可闻噪声。在本文中，将介绍一种补偿振动和可闻噪声的典型方法，包括该方法所需的调谐。在这个由两部分组成的系列的第 2 部分中，还将介绍一种新的补偿方法，详细说明其工作原理和所需的少调整。

   振动和噪音的原因 
振动和噪音的原因有多种。我们将重点关注的主要原因是负载特性产生的振动。我们还将关注由于系统的机械振动而产生的噪声。下面讨论了两个振动示例：一个与电机的脉动负载有关，另一个与控制回路的振荡有关，即使负载没有脉动。

    脉动负载 
旋转式压缩机中存在的机械负载或活塞式压缩中使用的机械负载在本文中特别受关注。随着压缩机加压和排放气体，这些压缩机的扭矩要求在一个机械循环中从空载到满载变化。图 1 显示了往复式压缩机的典型负载曲线。

图 1：往复式压缩机的典型负载曲线（）

    有了上述扭矩要求，在控制回路上保持恒定速度变得非常具有挑战性。由于速度变化，系统会产生机械振动，从而产生可闻噪声。要显示此类负载如何影响闭环系统中的电机速度，请考虑图 2，其中显示了磁场定向控制 (FOC) 环路中的 PMSM 电机：

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图 2 ：PMSM 电机中的 FOC 回路（）

图 3 描述了 100 rad/s 的速度参考，一旦在 0.5 秒处引入速度参考阶跃，它就会切换到 200 rad/s 的新速度参考：

图 3：引入速度参考步骤（）

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  基于反馈的控制器 
   振动的第二个来源是速度控制器的振荡。当存在脉动负载时，这种振荡是由速度修正的反馈引起的。速度控制器将根据反馈控制速度，而实际上随着电机不断转动负载已经发生变化。由于这种情况在每个机械循环中都会发生，因此仅基于反馈信号的速度控制器会产生比根本没有速度控制器更糟糕的振动。例如，如果我们去除扭矩与负载的扰动并调整速度控制器，结果将是非常尖锐的响应，如下图 4 所示：

图 4：无负载时调节速度控制器（）

   如果我们随后添加扭矩与角度扰动，我们仍然无法消除速度变化，如下图 5 所示：

图 5：调谐无振动补偿的速度控制器（）

使基于反馈的纯速度控制器更具侵略性表明高增益速度控制器不是解决振动和噪音问题的方法。

受振动和噪音影响的应用 
任何使用基于活塞的压缩或旋转负载的应用很可能会出现一定程度的振动或噪音。在本文中，我们将注意力集中在那些位于家中的电器以及那些带有机械系统的应用程序，这些应用程序可能会因电机振动而损坏。示例包括单机空调、分体式空调、冰箱压缩机、喷漆机和空气压缩机等。

图 6：家庭内部的常见应用（）

   传统补偿：了解您的机械负载 
一种补偿方法是传统方法，它根据先前对连接到电机轴的机械负载的了解来补偿脉动负载。在这种传统的补偿方法中，了解机械负载至关重要。这是因为负载与算法认为的负载之间的任何不匹配都可能使振动和噪音变得更糟。

    为了展示其工作原理，让我们重新使用图 5 中所示的扭矩与角度曲线。传统方法准确地映射负载曲线并使用该信息来帮助速度控制器。传统方法只有在负载根本不发生变化，或者存在非常特定的速度运行点时才有效，每个点都具有已知的负载曲线。如果负载没有变化，速度控制器可以使用预加载在微控制器内存中的查找表。如果事先知道负载，则可以完全补偿负载。

    在图 7 中，我们看到两条曲线：一条是没有补偿的，一条是对已知负载进行补偿的。请注意速度控制器与负载查找表的结合如何能够几乎完全补偿变化。在图 7 中，红线表示没有补偿的速度，绿线表示启用补偿的速度。

图 7：具有和不具有已知负载补偿的曲线（）

    使用传统方法进行调优的挑战 
在使用传统方法进行调优时，需要考虑几个事项。在本节中，我们将在实施传统方法之前讨论这些任务。

   负载变化 
    当负载变化时，脉动负载的动态也可能发生变化。这是由于负载本身的属性。例如，在压缩机应用中，施加到被压缩气体的压力会根据压缩机运行的时间长短而变化。由于这一变化，补偿表也可能发生变化。换句话说，我们试图补偿的配置文件是非线性的。对于压缩机的每个工作点，我们都会有几个补偿表，这会消耗微控制器中的大量内存。为了显示负载变化的影响，请考虑图 8，显示补偿负载。在 0.75 秒时，扭矩脉动被移除，速度控制器的前馈项将引入振动：

图 8：显示负载变化的补偿负载（）

    速度变化 
    在典型系统中，负载曲线会随着电机的速度而变化。正如预期的那样，单个补偿表不足以消除电机速度范围内的所有补偿。图 9 显示了正在应用的单个补偿表，在 200 rpm 时，负载曲线变为值的一半：

图 9：在 200 rpm 下应用的单个补偿表（）

    将补偿表的角度归零 
   通常，扭矩与角度负载曲线取决于系统的机械角度，因为负载是连接到电机轴的机械负载的特性。压缩机应用等系统没有连接到轴的机械传感器，因此系统检测的只是电机的电角度。具有多个转子磁极也是标准的，这会在电气角和机械角之间产生一个比率。如果我们应用基于机械角度的补偿表，则算法必须使补偿表角度与机械负载角度同步。事实证明这具有挑战性，因为没有位置传感器可用于将补偿表归零。

    在图 10 中，我们使用了一个四极对电机，带有扭矩与机械角度表。请记住，在 FOC 系统中，使用的是电角度。在四极对电机中，零电角可以转化为 0、90、180 或 270 度的机械角。如果电气角度从 0 机械角开始，那么工作台工作得很好，但是如果它从 180 度开始，那么工作台就不能很好地补偿，如图 10 所示。事实上，180 度的差异加倍振动：

图 10：带有扭矩与机械角度表的四极对电机（ Instruments）

     在这一点上，固定表方法显然不是解决这个问题的方法；相反，适应负载配置文件变化的动态解决方案将解决这个问题。这个由两部分组成的系列文章的第二篇文章将介绍一种新算法，该算法研究曲线并将其学习应用于 FOC 系统以补偿脉动负载。