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新能源汽车电机噪声分析及处理

摘要

在大力进展环境友好性社会的时代，人们对于环境爱护的重视程度大大提高，新能源汽车自然而然的开始受到人们的欢迎，政府也是不遗余力地大力推广新能源汽车走向市场，国内外新能源汽车市场日益兴盛蓬勃。

电机驱动系统作为新能源汽车的核心组成部分，为汽车提供所需的所有能量，对它还具有电流较大、设计复杂、磁密度高以及需要变频调速等特点，这些特点会在不同程度上增加电机噪声。

本文主要介绍电机噪声源理论分析以及电机噪声的分析处理方法。

其中主要介绍电机噪声的三种分析处理方法，分别是基于EMI电路的电机去噪、基于MATLAB的电机去噪仿真模型、基于DSP的数字滤波去噪。

在实际应用中，EMI电路有着高性价比和较高抑噪能力，所以在实际应用中分布广泛，MATLAB因为其强大的运算能力，在仿真模型方面有着独特的优势，本次试验主要设计的是IIR低通滤波器以及IIR带通滤波器。

而DSP数字滤波器在实际软件应用中也有着运行速度快、成本极低以及便利灵活等优势，本次试验设计的是基于DSP的IIR数字滤波器的去噪分析处理。

关键词：

新能源汽车；电机；噪声；MATLAB；滤波器；DSP

Abstract

Intheeraofvigorousdevelopmentofenvironment-friendlysociety,peopleattachgreatimportancetoenvironmentalprotection,newenergyvehiclesnaturallybegantobewelcomedbypeople,theGovernmenthassparednoefforttopromotenewenergyvehiclestothemarket,domesticandforeignnewenergyvehiclemarketisbooming.Asthecorecomponentofthenewenergyvehicle,themotordrivesystemprovidesalltheenergyneededforthevehicle,italsohasthecharacteristicsoflargecurrent,complexdesign,highmagneticdensityandtheneedoffrequencyconversion,whichwillincreasethenoiseofthemotortovaryingdegrees.

Thispapermainlyintroducesthetheoreticalanalysisofmotornoisesourceandtheanalysisandprocessingmethodofmotornoise.Thepapermainlyintroducesthreekindsofanalysisandprocessingmethodsofmotornoise,whicharebasedonEMICircuit,motordenoisingsimulationmodelbasedonMATLAB,digitalfilterdenoisingbasedonDSP.Inpracticalapplications,EMICircuithasahighcostperformanceandhighabilitytosuppressnoise,sowidelydistributedinpracticalapplications,MATLABbecauseofitspowerfulcomputationalability,inthesimulationmodelhasauniqueadvantage,thisexperimentismainlydesignedIIRlow-passfilterandIIRbandpassfilter.DSPdigitalfilterintheactualsoftwareapplicationalsohastheadvantagesoffastrunningspeed,verylowcostandconvenientandflexible,thisexperimentisdesignedbasedonDSPIIRdigitalfilterdenoisinganalysisprocessing.

Keywords:

newenergyvehicle;sthemotor;Noise;matlab;filter;DSP

1.绪论

1.1新能源汽车进展现状

20世纪以来，汽车已经进展成为现代社会不可或缺的工具之一，但是汽车的迅速进展却带来了能源和环境的问题，在如今倡导节能和环保的大环境下，新能源汽车及其相关产业迅速进展起来，现在已经国内外汽车行业的研究热点和汽车产业未来进展的方向。

。

我国政府一直致力于建立环境友好型社会，交通行业自然也不例外，早在“十五”规划期间就已经开始投资启动了新能源汽车建设进展项目[1]。

而在“十二五”、以及如今的“十三五”规划则将节能减排作为汽车行业的进展方向，有关新能源汽车的推广打算已经升级为国家打算，这在很大程度上显示了政府已经决定大力进展新能源汽车，新能源汽车的未来是光明的。

新能源汽车的快速进展为新能源汽车电机行业的进展也提供了很好的机遇，它的进展前景十分辽阔。

而作为一辆新能源汽车的电机的核心部分，电机驱动系统就显得至关重要。

电机驱动系统在前进后退、爬坡下坡等复杂路况对于最高效率的使用有限的能量起到至关重要的作用,这种特性也称为驱动特性，这种特性也在很大程度上决定了汽车在其行驶方面的各项性能指标。

现在我们所见到的绝大多数新能源汽车（不包括混合动力汽车）中，整车唯一的能量来源就是电机驱动系统,电机系统会提供车辆在行驶中所需要的所有的驱动力,起到了平常的汽车发动机的作用。

一辆新能源汽车的满足各项标准指标的电机,对于这辆车的起步停车、前进后退、加速减速，爬坡下坡等基础性能起到决定性的作用，所以新能源电动汽车对于电机有着很高的要求，也有着独一无二的标准。

而电机噪声则明显是其中的一方面。

新能源汽车电机所产生的噪声对电机产品本身和乘客都会带来不利的影响，有效的控制噪声在合理范围之内是十分有必要的[2]，也是亟需解决的问题，而选择合适的去噪滤波器就显得格外重要。

1.2电机噪声问题研究现状

在上世纪40年代初期，就已经有科学家开始研究电机噪声问题，受时代条件所限，当时主要研究的是直流电机和同步电机。

国内学者对电机噪声问题的研究相对较晚,从19世纪70年代起,我国一些学者对电机噪声问题进行了研究,并取得了一定的成果。

在上世纪90年代末,陈永校和他的团队研究了直流电机、同步电机已及感应电机的噪声机理和各种电机噪声控制的方法,并且提出了判定电机噪声性能好坏的重要标准,总的来说就是驱动电机电磁力的幅值要尽可能的小,而电机的阶数则相反的要高一些,同时气隙磁三重量的参数要在可控范围之内做到很低，还有很简单忽视的一点就是电机定子所表现的固有频率与电磁波的频率在差值上做到尽可能的大,从而可以幸免共振。

1994年,黄礼文等学者对电机定子铁心的模态特性进行了研究，制造性的提出了如果要控制异步电机的电磁噪声,需要控制的是力极对数和模态阶数之间的关系，除此之外，还需要控制好主波频率和主模态频率之间的关系,并且指出了异步电机在其运行中所产生的很高的电磁噪声是因为它的力极对数与模态阶数相等或者接近，还有电机的主波频率与主模态频率相等或者接近。

2010年,刘敏、董大伟等人对交流发电机进行了噪声振动方面的研究,采纳的是阶次分析以及频谱分析法,得出了在不同的工况下发电机的噪声幅频特性,意义深远。

唐任远,宋志环等人对永磁电机的噪声进行了研究，采纳的是解析法以及有限元方法，测量出了电磁激振力和噪声的各种频率成分[3]。

并且指出了永磁电机的噪声频率的大小是与开关频率呈一定的比例关系。

通过大量的理论计算以及仿真试验,我们可以将电机的噪声归类为机械噪声、电磁噪声、通风噪声这三大类,并且分析了驱动电机的各个部分及其构件对于电机噪声所起到的影响,同时也有很多学者前辈研究出了计算驱动电机噪声频率的公式及与之相对应的降低噪声的方法。

但是，驱动电机是一种结构相对而言较为复杂的常用机械,在实际应用中会受到例如设计、装置、所处环境等各种条件因素的影响。

当然，不可忽视的是，电机仍然会不出意外的产生噪声，依靠现如今的科技水平是可以做到控制电机噪声在合理的范围以内，但是想要消除电机噪声无论是在理论上还是在实际应用中都很难实现。

我们可以做的是对存在噪声的驱动电机定向分析，首先要做的是识别电机噪声源,具体到产生噪声的电机部件,然后采取较为合理的较低噪声的方法将电机噪声控制在符合要求的范围之内,这也是当前有关新能源汽车电机噪声研究基本都要解决的主要问题之一,而这一方面的研究就目前而言无论是在国内，还是国外都相对较少。

1.3本文的研究内容

本论文主要研究:

1、研究新能源汽车电机去噪的相关理论知识，构建符合实际需求的电机去噪应用体系，提出电机去噪的实际应用方法。

2、研究基于EMI低通滤波器的处理电机噪声的硬件应用方法；研究基于MATLAB的滤波去噪仿真辅助模型。

3、研究基于TMS320C5509DSP芯片的处理电机噪声的软件应用方法，设计一个适用于新能源汽车电机系统去噪的数字滤波器系统。

2.噪声理论分析

2.1电机噪声的分类及控制方法

科学家通过理论计算及仿真试验,将电机的噪声归为机械噪声、电磁噪声、通风噪声三大类。

2.1.1通风噪声

电机作为高速运转的机械，在其部件摩擦过程中会产生十分多的热量，过高的热量会导致电机非正常运行，所以通分是十分必要的，而通风所引起的通风噪声也是巨大的，同时通风噪声也是电机噪声最主要的部分。

通风噪声又可以分成笛声噪声和涡流噪声，其中笛声噪声主要是由于空气受到电机内部压力的作用被强力压缩，加上对于空气不断的反复压缩作用，会形成巨大的噪声；笛声噪声则主要是因为电机风扇在制冷时所产生的反复交替作用产生共振，形成巨大的噪声[5]。

要想最大化的降低通风噪声，最实际的方法就是完善的控制风扇大小，并将风扇安置在电机最好的位置，从而幸免产生共鸣，最大的降低噪声。

2.1.2电磁噪声

电机驱动系统的一大主要组成部分就是电源，有电源的地方就会有谐波磁振动，而谐波磁振动就会产生电磁噪声。

在电磁噪声的产生过程中，定子和转子起到了决定性的作用，他们之间长期的变形运动，会形成周期性的电磁噪声，而降低电磁噪声从理论上来说首先要做到清楚的明白定子所处铁芯的振动频率，在此基础上，明确变磁拉力在理论条件下的合理频率范围，并在此频率范围之内选择一个最符合条件（可实际测试来判定）的变磁拉力频率，以此来改变实际的动态变形过程，从而降低电磁噪声。

2.1.3机械噪声

电机系统是一个机械系统，在其运行过程中，难免会因为各部分模块相互之间的碰撞产生振动从而产生机械噪声，在高速运行状态下的电机驱动系统，其所产生的机械噪声是很大的。

此外，每一种类型的电机在理想状态下的机械噪声是远远小于实际噪声的，这在很大程度上是由于电机在实际装配中很难做到与设计相一致，任何一个模块的任何一个零部件的组配不满足设计要求，对于电机的整体振动会产生巨大的影响，从而产生远超理论预期的机械噪声。

所以，要想最大程度上降低机械噪声，最好的方法就是做到完善组装，在此基础上做到更优化的电机设计也会从根本上降低机械噪声，这也是未来需要攻克的难题。

2.2噪声源识别方法分析

1、时域分析法：

当我们把电机驱动系统作为一个较为传统的机械系统，在其部件碰撞所产生的机械噪声会使得声压在一定的时间范围内产生一系列峰值，而这些峰值会与各个部件之间所产生的碰撞可以一一对应，通过比较各个部件自身的性能，来对噪声源进行判定。

2、相关分析法：

相关分析法从根本上来说也是时域分析法的一部分，但是这种方法更加具体化可操作化，尤其在识别无规章噪声源时有着独特的优势，这得益于相互关函数可以定量的分析例如电机器件之间相互关系程度深浅，以此为基础，就可以进一步探究其中的因果关系，从而判定噪声源。

3、频域分析法：

类比时域分析法，频域分析法是通过判定电机各部件自身所产生的噪声位于不同频率范围之内来推断。

通过对各部件的噪声信号进行傅里叶变换，并据此分析所得的频谱。

由于每个部件作为噪声源，其噪声信号的频谱主要部分会在一个特定的频率范围之内，对比实测所得频谱图，即可作为判定噪声源的依据。

4、相干分析法：

类似于相关分析法，但是相关分析法是应用于时域当中，而相干分析法则是作用于频域当中。

当然，相干分析法借助的是频率域中的相互干函数，其判定依据也与相关分析法类似。

2.3噪声源识别研究现状

近年来,各国研究人员通过采纳不同的噪声源识别方法,已经可以对多种电机驱动系统进行噪声源识别的研究。

杨洋及其团队通过消除对角自谱元素法,识别出了电机的前端噪声主要是来源于机体辐射以及空气压缩机；张志强等人则是以汽油机为研究对象,对测得的汽油机噪声信号利用独立重量分析法,识别了识别汽油机的燃烧噪声等；李辉等人通过使用自适应共振法，成功的识别出天窗电机的噪声，对于天窗电机噪声的分析处理影响深远。

在当前的噪声源识别领域，主要有三种具体分析方法，分别是频谱分析法、阵列法以及阶次分析法。

如果我们只是单纯的进行频谱分析,会出现“频率模糊”这一误差十分明显的现象；而阵列法则是在试验过程中会需要很多的传声阵列,这一布置会导致成本大大增加;相对而言阶次分析法对信噪比的要求比较高,一旦信噪比不满足要求，试验就会很简单受到于扰。

三种方法各有其利弊，在实际应用中应酌情选择适当的方法猎取噪声信号源。

2.4电机噪声处理方法与分析

在猎取噪声信号之后，将其控制在合理范围之内是一个亟需解决的问题，而滤波器则是通常应用于信号处理和通信应用中的可靠一环，如信道均衡，降噪，雷达系统，音频和视频等都有其具体应用的地方，滤波器基本上有两个用途:

信号分离和信号恢复[6]，其中最主要的用途是信号分离，而信号分离是通过干扰其他信号来使得需要的信号分离出来。

本次毕业设计主要通过EMI电路去噪以及IIR数字滤波器来解决电机噪声的去噪处理问题。

2.4.1EMI电路滤波处理

EMI去噪法主要是通过设计一个符合要求的低通滤波电路来对新能源汽车电机进行去噪，这个电路的基本组成部分主要是串联电抗器或者并联电容器。

虽然是一个较为简洁的硬件电路，但是它还是有着突出的优点：

可以有效的抑制高频噪声以及设备干扰，对于交流电网具有较好的爱护作用，并且在实际应用中由于成本较低，所以性价比较高也是其一大优势。

2.4.2基于MATLAB的模型仿真

MATLAB由于其强大的数值运算能力，所以可以将其运用在模型仿真领域，通过理论及实际应用分析可知，IIR数字滤波器在电机去噪领域满足去噪需求且较为有用，所以我研究了关于IIR低通以及带通滤波器的MATLAB仿真。

一般而言在MATLAB平台设计滤波器模型常用方法为脉冲响应不变法以及双线性变换法，此次设计低通、带通滤波器分别使用了这两种方法，效果均比较理想。

此外，MATLAB自身的数据库也包含了多种滤波器模型，我在设计过程中选择了计算要比其他形式滤波器更简洁一些的巴特沃斯滤波器。

2.4.3基于DSP的数字滤波器

DSP的主要用途是减少干扰、噪声，以及在所有获得数据中不受欢迎的成分。

为猎取相应的频谱，DSP会将信号转换成更适合的形式。

DSP通过在原理基础上使用较为先进的技术例如数字多媒体技术，已经可以实现大部分模拟区域频谱图的绘制。

尽管数字信号处理的方法相比于模拟信号处理而言会需要更多的步骤。

但是DSP还是有着独特的优点。

模拟信号处理的主要优点是速度快以及成本较低。

DSP的最大的优点在于其固有的灵活性并且可以通过一个软件来实现。

DSP拥有更高更多更准的性能指标，例如随着时间的增长、环境条件的改变甚至很小的线性相位改变都无需手动校准。

基本的DSP操作需要卷积，相关、过滤、转换和调制等。

数字滤波器是DSP的重要组成部分。

事实上数字滤波器非凡的处理性能在很大程度上使得DSP非常受欢迎。

通过DSP设计出一个高标准数字滤波器的核心在于在频率或时域上生成满足所需规格的传递函数。

在MATLAB仿真模型的基础上建立一个基于DSP的IIR数字滤波器用于电机去噪会轻松很多，但是还需要在之前的基础上对滤波器的基本性能参数进行改造，直到满足电机去噪需求。

虽然高阶滤波器从理论上来说会有更好的去噪效果，但是其参数动态范围较广，并且存在递归型反馈回路，会使得去噪时误差过大，很难在DSP上实现，较好的解决方法就是采纳可以将高阶滤波器降阶为多个二阶滤波器的级联法。

此外，在通过分析对比IIR数字滤波器的几种基本网络结构后，我在本次设计中采取了有着较为突出优点的，常用于均衡器中的级联型网络结构。

3.电机去噪分析

3.1基于EMI电路的去噪实现

EMI滤波电路在包括电机去噪的大多数去噪领域都展示了它简洁有用的特性，在实际测试中主要选择了RC型EMI电路去噪、LC型EMI电路去噪以及π型EMI电路去噪来完成传导干扰测试，成果如下所示：

3.1.1各型号EMI电路对比

图3-1：

RC型EMI滤波电路图

图3-2：

LC型EMI滤波电路图

图3-3：

π型EMI滤波电路图

分析：

由上述三幅传导干扰测试报告图对比可知，在参数一定且输出电压不能下降过多的条件下，三种型号的EMI电路都能较好的完成传导干扰测试，这进一步显示了EMI电路在去噪领域的有用性及其强大的抗干扰能力。

3.1.1RC型EMI电路频率特性

由RC型EMI电路的频率特性可知，在实际应用中，输出电压不能下降过多，按照国际惯例，往往会规定当输出电压下降到输入电压的70.7%时为最低限，此时

，将

的频率范围称为通频带，

称为截止频率。

成果如下所示：

图3-4：

传递函数大于0.707

图3-4：

传递函数小于0.707

分析：

由上述两幅传导干扰测试报告图对比可知，在除了传递函数改变，其他参数不变的条件下，当传递函数大于0.707时抗干扰性能较好，当传递函数小于0.707时抗干扰性能较差。

由此可知，在参数设置正确的情况下，RC型EMI滤波电路在传递函数控制在.707以上时会有较好的去噪性能。

3.2基于MATLAB的去噪仿真模型

具体设计步骤为：

1、根据设计任务,确定性能指标；

2、将各参数数值转换成归一化模拟低通滤波器（带通滤波器）的参数数值；

3、明确模拟低通滤波器（带通滤波器）的阶数和截止频率；

4、通过频谱变换，将其换算成模拟低通滤波器（带通滤波器）H（s）；

5、用脉冲响应不变法（双线性变换法）将模拟滤波器转换成数字滤波器；

6、输入电机噪声信号并且显示相关结果。

3.2.1基于MATLAB的低通滤波去噪

在设计基于MATLAB的滤波去噪模型中，借助了其常用工具箱中的巴特沃斯滤波器，并将其参数设置如下：

纹波设置为2dB，通带频率范围设置为0.3π-0.4π，阻带最小衰减设置为10dB[12]，并且通过脉冲响应不变法设计出IIR低通滤波器，其幅频特性曲线和相频特性曲线如下图所示：

图3-5低通滤波去噪特性曲线图

分析：

由上述幅频特性曲线和相频特性曲线图可知，IIR低通滤波器具有较好的幅频特性和相频特性，但是根据仿真结果也可看出其群延迟较高，这是在实际应用中需要注意的一点。

3.2.2基于MATLAB的带通滤波去噪

根据上述低通滤波器的设计方法，类似的设计一个基于MATLAB的带通滤波器，将其参数设置如下：

其中中心频率设置为0.6π，通带频率范围设置为0.5π至0.7π，通带最大衰减设置为5dB;阻带最小衰减设置为10dB。

并且通过双线性变换法设计出IIR带通滤波器，其频谱函数图像如下图所示：

图3-6带通滤波去噪特性图

分析：

由上述频谱函数图像可知，在参数设置正确的条件下，IIR带通滤波器在理论上可以滤除一定频率范围内的电机噪声。

3.3基于DSP的去噪实现

根据上述基于MATLAB的仿真模型试验，IIR数字滤波器是可以实现滤波去噪这一功能的，据此来进行基于DSP的电机去噪试验，在进行试验时注意采样率、截止频率以及阶数的设置，具体结果如下图所示：

图3-7输入噪声信号图

图3-8低通噪声滤波输出信号图

图3-9高通噪声滤波输出信号图

图3-10带通噪声滤波输出信号图

图3-11带阻噪声滤波输出信号图

分析：

通过分别比较四种滤波器输入和输出信号前后对比可知，输入信号都在设计范围内得到了滤除，这说明基于DSP的去噪是可以实现的。

4.结论

本文主要分析了新能源汽车的进展历程及其电机噪声的相关理论知识，并着重分析了处理电机噪声的理论依据、仿真模型和应用方法。

本文主要研究成果为：

1、通过RC型、LC型、π型EMI去噪电路的传导干扰测试探究EMI硬件电路在去噪时抗干扰能力较强，显示出EMI电路在电机去噪的可实现性。

2、通过探究RC型EMI去噪电路在传递函数是否满要求的传导干扰测试进一步验证，当传递函数大于0.707时抗干扰性能较，在参数设置正确的情况下，RC型EMI滤波电路在传递函数控制在.707以上时会有较好的去噪性能。

3、通过使用MATLAB设计了一个低通滤波器和带通滤波器的仿真模型，基于仿真分析可知，双线性变换法设计的滤波器在幅值领域周边的滤波效果会更好一点。

4、通过使用TMS320芯片在CCS集成平台实现了数字滤波器的设计，并通过输入输出信号的对比证明白基于DSP的数字滤波是可以实现的。

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