CN102055386A - 光纤传送的电动机温度和位置信号 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤传送的电动机温度和位置信号，具体提供了用于控制至少部分地布置在电动机壳体内的电动机的方法和设备。感测电动机的旋转速度和位置，并感测电动机的温度。将这些传感器信号转换为光信号并在光纤缆线中传播。至少部分地根据所传播的光信号来控制该电动机。

Description

光纤传送的电动机温度和位置信号
技术领域
本发明总体上涉及电动机的控制，更具体地涉及利用光反馈信号来控制电动机并降低电磁干扰(EMI)的发射以及相关效应的系统和方法。
背景技术
由燃料电池、蓄电池以及包括电动机的混合动力系统提供动力的车辆在汽车市场上变得日益普遍。电动机通常采用各种电动机控制方案来控制。所用的一种具体类型的电动机控制方案依赖于来自电动机中的适当反馈传感器的位置和速度反馈以及在某些情况下的温度反馈来控制功率电子器件。功率电子器件，例如集成栅双极晶体管(IGBT)，可控制地将直流(DC)电压合成为供给电动机的交流(AC)电压。
上述控制方案作用产生的不期望的副产品是可能产生相当大量的电磁干扰(EMI)。这至少部分是由于功率电子器件所执行的相对快速的开关操作。与反馈传感器相关联的电缆由于它们位于电动机内部，从而也会是EMI的重要来源。不幸的是，屏蔽这些电缆会加剧EMI的传播和/或降低电动机电缆的屏蔽效力。虽然策略上放置的过滤装置(例如电感器、电容器以及屏蔽的部件)可以降低EMI，但是这些部件会增加整个系统的重量、成本、大小。
因此，希望提供一种降低电动机控制系统内EMI的发射、又不显著增加整个系统的重量、成本、大小的系统和方法。并且，本发明的其他期望的特征和特性将在结合附图以及前面的技术领域和背景技术的情况下，从后面的详细描述以及所附权利要求中变得显而易见。
发明内容
一种电动机控制系统包括：电动机壳体、电动机、旋转传感器、温度传感器、电光(E/O)转换器电路、以及光纤缆线。该电动机至少部分地布置在该电动机壳体内，并被构造为选择性地被供能，并在选择性地被供能时作出响应进行旋转。旋转传感器被布置在电动机壳体内，并被构造成感测电动机的旋转速度和位置并提供代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号。温度传感器布置在电动机壳体内，并被构造为感测电动机的温度，并供应代表所感测的电动机温度的温度信号。E/O转换器电路布置在电动机壳体内，并被耦接以接收旋转传感器信号和温度信号，并被构造为在其接收到这些信号时将旋转传感器信号和温度信号分别转换成光旋转传感器信号和光温度信号。光纤缆线被耦接以接收并传播光旋转传感器信号和光温度信号。
在另一个实施例中，一种汽车驱动系统包括驱动轴及电驱动系统。该驱动轴被构造为接收驱动扭矩。电子驱动系统被耦接至驱动轴并被构造为至少选择性地向驱动轴供应驱动扭矩。电驱动系统包括：电动机壳体、电动机、旋转传感器、温度传感器、电光(E/O)转换器电路、以及光纤缆线。电动机至少部分地布置在该电动机壳体内，并被构成为选择性地被供能，并在选择性地被供能时作出响应进行旋转并供应扭矩。旋转传感器被布置在电动机壳体内，并被构造成感测电动机的旋转速度和位置并提供代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号。温度传感器布置在电动机壳体内，并被构造为感测电动机的温度，并供应代表所感测的电动机温度的温度信号。E/O转换器电路布置在电动机壳体内，并被耦接以接收旋转传感器信号和温度信号，并被构造为在其接收到这些信号时将旋转传感器信号和温度信号分别转换成光旋转传感器信号和光温度信号。光纤缆线被耦接以接收并传播光旋转传感器信号和光温度信号。
在又一个实施例中，一种控制至少部分地布置在电动机壳体内的电动机的方法包括：利用布置在电动机壳体内的旋转传感器感测电动机的旋转速度和位置，并供应代表感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号。利用布置在电动机壳体内的温度传感器感测电动机的温度，并供应代表感测的电动机温度的温度信号。利用布置在电动机壳体内的转换器电路将旋转传感器信号和温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号。在光纤缆线中传播光旋转传感器信号和光温度信号。至少部分地基于所传播的光旋转传感器信号和所传播的光温度信号来控制电动机。
本发明还涉及以下技术方案：
方案1.一种电动机控制系统，包括：
电动机壳体；
至少部分地布置在所述电动机壳体内的电动机，所述电动机被构造为被选择性地供能并在被选择性供能的情况下作出响应进行旋转；
布置在所述电动机壳体内的旋转传感器，所述旋转传感器被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号；
布置在所述电动机壳体内的温度传感器，所述温度传感器被构造为感测所述电动机的温度并供应代表所感测的电动机温度的温度信号；
布置在所述电动机壳体内的电光转换器电路，所述电光转换器电路被耦接以接收所述旋转传感器信号和所述温度信号，所述电光转换器被构造为在接收到所述信号时将所述旋转传感器信号和所述温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号；以及
光纤缆线，其被耦接以接收并传播所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
方案2.如方案1所述的系统，还包括：
电动机控制器，其耦接至所述光纤缆线以从所述光纤缆线接收所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
方案3.如方案2所述的系统，其中，所述电动机控制器包括：
控制器，其被耦接以接收所述光旋转传感器信号和所述光温度信号，并被构造为至少部分响应于这些信号而产生逆变器控制信号；以及
逆变器，其被耦接至所述电动机并接收所述逆变器控制信号，并被构造为响应于所述逆变器控制信号而将直流电功率转换为交流电功率并将所述交流电功率供应给所述电动机。
方案4.如方案3所述的系统，还包括直流电源，所述直流电源耦接至所述逆变器，用于向其供应所述直流电功率。
方案5.如方案1所述的系统，其中，所述旋转传感器包括：
旋转变压器，被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所述旋转速度和位置的模拟速度和位置信号；以及
旋转变压器-数字转换器电路，其被耦接以从所述旋转变压器接收所述模拟速度和位置信号并将这些模拟信号转换为代表电动机位置和速度的数字旋转变压器信号，所述旋转传感器信号包括所述数字旋转变压器信号。
方案6.如方案1所述的系统，其中，所述温度传感器包括热敏电阻。
方案7.如方案6所述的系统，其中：
所述电动机包括转子和多个定子绕组；以及
所述热敏电阻至少部分嵌入在所述定子绕组中的至少一个内。
方案8.如方案1所述的系统，还包括耦接至所述电动机并构造成向所述电动机供应电功率的电源。
方案9.如方案8所述的系统，其中，所述电源还被耦接并被构造为向(i)所述旋转传感器、(ii)所述温度传感器、以及(iii)所述电光转换器电路中的一个或多个供应电功率。
方案10.一种汽车驱动系统，包括：
驱动轴，被构造为接收驱动扭矩；以及
电驱动系统，被耦接至所述驱动轴并被构造为至少选择性地向所述驱动轴供应驱动扭矩，所述电驱动系统包括：
电动机壳体；
至少部分地布置在所述电动机壳体内的电动机，所述电动机被构造为被选择性地供能并在被选择性供能的情况下作出响应进行旋转并供应所述驱动扭矩；
布置在所述电动机壳体内的旋转传感器，所述旋转传感器被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号；
布置在所述电动机壳体内的温度传感器，所述温度传感器被构造为感测所述电动机的温度并供应代表所感测的电动机温度的温度信号；
布置在所述电动机壳体内的电光转换器电路，所述电光转换器电路被耦接以接收所述旋转传感器信号和所述温度信号，所述电光转换器被构造为在接收到所述信号时将所述旋转传感器信号和所述温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号；以及
光纤缆线，其被耦接以接收并传播所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
方案11.如方案10所述的系统，还包括：
电动机控制器，其被耦接至所述光纤缆线以从所述光纤缆线接收所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
方案12.如方案11所述的系统，其中，所述电动机控制器包括：
控制器，其被耦接以接收所述光旋转传感器信号和所述光温度信号，并被构造为至少部分响应于这些信号而产生逆变器控制信号；以及
逆变器，其被耦接至所述电动机并接收所述逆变器控制信号，并被构造为响应于所述逆变器控制信号而将直流电功率转换为交流电功率并将所述交流电功率供应给所述电动机。
方案13.如方案12所述的系统，还包括直流电源，所述直流电源耦接至所述逆变器，用于向其供应直流电功率。
方案14.如方案10所述的系统，其中，所述旋转传感器包括：
旋转变压器，被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所述旋转速度和位置的模拟速度和位置信号；以及
旋转变压器-数字转换器电路，其被耦接以从所述旋转变压器接收所述模拟速度和位置信号并将这些模拟信号转换为代表电动机位置和速度的数字旋转变压器信号，所述旋转传感器信号包括所述数字旋转变压器信号。
方案15.如方案10所述的系统，其中，所述温度传感器包括热敏电阻。
方案16.如方案15所述的系统，其中：
所述电动机包括转子和多个定子绕组；以及
所述热敏电阻至少部分嵌入在所述定子绕组中的至少一个内。
方案17.如方案10所述的系统，还包括被耦接至所述电动机并构造成向所述电动机供应电功率的电源。
方案18.如方案17所述的系统，其中，所述电源还被耦接并被构造为向(i)所述旋转传感器、(ii)所述温度传感器、以及(iii)所述电光转换器电路供应电功率。
方案19.一种控制电动机的方法，所述电动机至少部分地布置在电动机壳体内，所述方法包括以下步骤：
利用布置在所述电动机壳体内的旋转传感器感测所述电动机的旋转速度和位置；
供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号；
利用布置在所述电动机壳体内的温度传感器感测所述电动机的温度；
供应代表所感测的电动机温度的温度信号；
利用布置在所述电动机壳体内的转换器电路将所述旋转传感器信号和所述温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号；
在光纤缆线内传播所述光旋转传感器信号和所述光温度信号；以及
至少部分地根据所传播的光旋转传感器信号和所传播的光温度信号来控制所述电动机。
方案20.如方案19所述的方法，还包括：
由同一个电源为所述电动机、所述旋转传感器、所述温度传感器、以及所述转换器电路供能。
附图说明
下文中将结合下面的附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明一个实施例的示例性汽车的示意图；并且
图2是可以在图1的汽车中实施的电动机控制系统的框图。
具体实施方式
下面的详细描述本质上只是示例性的，其并不意图限制本发明或本发明的应用和使用。并且，无意受到前面技术领域、背景技术、发明内容或下面详细描述中介绍的任何明示或暗示理论的限制。
现在参照图1，描述了根据本发明一个实施例的车辆100，或“汽车”，其包括底盘102、车身104、四个车轮106以及电子控制系统(或电子控制单元(ECU))108。车身104布置在底盘102上并基本包围汽车100的其他部件。车身104和底盘102可以共同构成车架。车轮106中的每个在车身104相应角部的附近与底盘102可旋转地耦接。
汽车100可以是多种不同类型汽车中的任何一种，例如：轿车、货车、卡车或运动型多用途车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)。汽车100还可以包括多种不同种类发动机(或致动器)中的任何一种或其组合，例如，以汽油或柴油作为燃料的燃烧发动机、“柔性燃料车(FFV)”发动机(即利用汽油和酒精的混合物)、以气体化合物(例如氢和/或天然气)为燃料的发动机、或燃料电池、燃烧/电动机混合动力发动机、以及电动机。
在图1所示的示例性实施例中，汽车100为混合动力车辆，进一步包括致动器组件(或动力系)112、电池114、功率逆变器(或逆变器)116、以及散热器118。致动器组件112包括内燃发动机122和电动机/发电机(或电动机)系统(或组件)124。在一个实施例中，电动机系统124包括一个或多个正弦缠绕的三相交流(AC)电动机/发电机(或电动机)(例如永磁体)，例如机动车辆中通常使用的(例如牵引驱动控制系统等)。正如本领域技术人员理解的，每个电动机均包括定子组件(包括导电线圈)、转子组件(包括铁磁芯)、以及冷却流体(即冷却剂)。正如通常理解的，电动机内的定子组件和/或转子组件可以包括多个(例如十六个)电磁极。
燃烧发动机122和电动机系统124被集成，使得两者都通过一个或多个驱动轴126机械地耦接到至少一些车轮106。散热器118在车架的外部连接至车架并耦接至发动机122和逆变器116，虽然未详细示出，但散热器118包括多个贯穿其中的冷却管道，这些冷却管道容纳有诸如水和/或乙二醇(即“防冻液”)的冷却流体(即冷却剂)。在所示的实施例中，逆变器116接收冷却剂并与电动机124共享冷却剂。散热器118可以类似地连接至逆变器116和/或电动机124。
电子控制系统108可操作地与致动器组件112、电池114以及逆变器116通讯。虽然图1中未示出，但电子控制系统108可以包括各种传感器、汽车控制模块、电子控制单元(ECU)和/或各种其他控制器，用于执行各种控制程序和方法。
通过由燃烧发动机122和电动机124以交替的方式向车轮106提供动力和/或由燃烧发动机122和电动机124同时向车轮106提供动力，汽车100得以工作。为了向电动机124提供动力，电池114将DC功率供应给逆变器116，逆变器116将DC功率转换为AC功率。然后AC功率被供应给电动机124。正如本领域技术人员理解的，逆变器116通过可控制地操作逆变器116内部未示出的功率电子器件而将DC功率转换为AC功率。
现在参照图2，示出了可以在图1的车辆中实施的示例性电动机控制系统200的功能框图。系统200包括控制器202、逆变器116、以及电动机124。虽然图2中未示出，但将会理解的是，控制器202可以与图1所示的电子控制系统108集成为一体。控制器202被耦接从而接收指令信号(例如扭矩指令信号)以及来自多个反馈传感器的反馈信号。正如即刻将要描述的，反馈传感器包括旋转传感器208和温度传感器212。控制器202响应于指令信号和反馈信号执行合适的电动机控制方案，以产生逆变器控制信号。逆变器控制信号被供应给逆变器116。
逆变器116被耦接以接收来自控制器202的逆变器控制信号。逆变器116被构造为响应于逆变器控制信号将DC电功率转换为AC电功率，并将AC电功率供应给电动机124。在优选实施例中，值得提醒的是，控制器202所产生的逆变器控制信号为PWM信号，逆变器116将该信号转换为用于操作电动机124的调制电压波形。
电动机124可以以不同的方式实施，但是优选地实施为三相AC同步电机，例如同步磁阻电机或永磁电机。电动机124至少部分地布置在电动机壳体203内，并包括转子204和多个定子绕组206。定子绕组206被耦接以接收由逆变器116供应的AC电功率，并且当接收到AC电功率时，在转子204中产生扭矩。
如上所述，控制器202接收来自旋转传感器208和温度传感器212的反馈信号。旋转传感器208布置在电动机壳体203内部，并被构造为感测电动机124的旋转速度和位置，并供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号。将理解的是，旋转传感器208可以采用多种合适的传感器和电路中的任何一种来实施。然而，在所示的实施例中，旋转传感器208采用旋转变压器(resolver)214和旋转变压器-数字转换器(R/D)216来实施。旋转变压器-数字转换器216被耦接至旋转变压器214并向旋转变压器214供应电激励，并且还从旋转变压器214接收模拟转子位置和速度信号。此外，旋转变压器-数字转换器216将模拟信号转换为数字信号。
温度传感器212也布置在电动机壳体203内部，并被构造为感测电动机的温度，并供应代表所感测的电动机温度的温度信号。与旋转传感器208相同，温度传感器212也可以采用多种合适的传感器和电路中的任何一种来实施。然而，在所示的实施例中，温度传感器212采用热敏电阻来实施，该热敏电阻优选地嵌入在多个定子绕组206中的至少一个内。在一个具体的实施方式中，感测电阻(未示出)与热敏电阻212以串联方式电耦接。向热敏电阻212供应已知的电压，并且测量感测电阻上的压降。由于热敏电阻212的电阻作为温度的函数而变化，因此，感测电阻上的压降作为温度的函数而变化。
如图2进一步所示，电动机控制系统200还包括电光(E/O)转换器电路218以及光电(O/E)转换器电路222。正如通常所知的，E/O转换器电路被构造为将电信号转换为光信号，O/E转换器电路被构造为将光信号转换为电信号。所示的E/O转换器电路218布置在电动机壳体203内部，优选地邻近旋转传感器208和温度传感器212，并被耦接以接收来自旋转传感器208的旋转传感器信号以及来自温度传感器212的温度信号。E/O转换器电路218将旋转传感器信号转换为光旋转传感器信号，并将温度信号转换为光温度信号。
光旋转传感器信号和光温度信号通过光纤缆线224供应给O/E转换器电路222。更具体地，光纤缆线224被耦接以从E/O转换器218接收光旋转传感器信号和光温度信号，并将这些光信号传播给O/E转换器电路222。O/E转换器电路222优选地布置在控制器202内，并将光旋转传感器信号和光温度信号转换回控制器202所用的电信号。
旋转传感器电路208、温度传感器212(至少在一些实施例中)、和/或E/O转换器电路218为依赖电功率运行的电装置。供应给这些装置中的一个或多个的电功率可以来自一个或多个未示出的电源。替代性地，这些装置中的一个或多个可以被电耦接以从电动机124的一个或多个端子接收电功率。后一种配置提供这些装置的一些自主操作。
通过本文所述的配置，沿传感器电缆传播的EMI被排除，或者至少基本被排除。此外，与多根电线和连接相关联的假设性机械失效的可能性被显著降低，并且光信号更不易受噪声的影响，从而提高了信号的可靠性。
虽然在前面的详细描述中呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解，存在大量变型。还应该理解的是，该示例性实施例或多个示例性实施例都仅是示例，其意不在用任何方式来限制本发明的范围、应用或配置。相反地，前面的详细描述向本领域技术人员提供了一种实施该示例性实施例或多个示例性实施例的便捷路线图。应该明白的是，在不脱离由所附权利要求及其法律等效物所限定的本发明范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种电动机控制系统，包括：
电动机壳体；
至少部分地布置在所述电动机壳体内的电动机，所述电动机被构造为被选择性地供能并在被选择性供能的情况下作出响应进行旋转；
布置在所述电动机壳体内的旋转传感器，所述旋转传感器被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号；
布置在所述电动机壳体内的温度传感器，所述温度传感器被构造为感测所述电动机的温度并供应代表所感测的电动机温度的温度信号；
布置在所述电动机壳体内的电光转换器电路，所述电光转换器电路被耦接以接收所述旋转传感器信号和所述温度信号，所述电光转换器被构造为在接收到所述信号时将所述旋转传感器信号和所述温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号；以及
光纤缆线，其被耦接以接收并传播所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：
电动机控制器，其耦接至所述光纤缆线以从所述光纤缆线接收所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述电动机控制器包括：
控制器，其被耦接以接收所述光旋转传感器信号和所述光温度信号，并被构造为至少部分响应于这些信号而产生逆变器控制信号；以及
逆变器，其被耦接至所述电动机并接收所述逆变器控制信号，并被构造为响应于所述逆变器控制信号而将直流电功率转换为交流电功率并将所述交流电功率供应给所述电动机。
4.如权利要求3所述的系统，还包括直流电源，所述直流电源耦接至所述逆变器，用于向其供应所述直流电功率。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述旋转传感器包括：
旋转变压器，被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所述旋转速度和位置的模拟速度和位置信号；以及
旋转变压器-数字转换器电路，其被耦接以从所述旋转变压器接收所述模拟速度和位置信号并将这些模拟信号转换为代表电动机位置和速度的数字旋转变压器信号，所述旋转传感器信号包括所述数字旋转变压器信号。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述温度传感器包括热敏电阻。
7.如权利要求6所述的系统，其中：
所述电动机包括转子和多个定子绕组；以及
所述热敏电阻至少部分嵌入在所述定子绕组中的至少一个内。
8.如权利要求1所述的系统，还包括耦接至所述电动机并构造成向所述电动机供应电功率的电源。
9.一种汽车驱动系统，包括：
驱动轴，被构造为接收驱动扭矩；以及
电驱动系统，被耦接至所述驱动轴并被构造为至少选择性地向所述驱动轴供应驱动扭矩，所述电驱动系统包括：
电动机壳体；
至少部分地布置在所述电动机壳体内的电动机，所述电动机被构造为被选择性地供能并在被选择性供能的情况下作出响应进行旋转并供应所述驱动扭矩；
布置在所述电动机壳体内的旋转传感器，所述旋转传感器被构造为感测所述电动机的旋转速度和位置并供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号；
布置在所述电动机壳体内的温度传感器，所述温度传感器被构造为感测所述电动机的温度并供应代表所感测的电动机温度的温度信号；
布置在所述电动机壳体内的电光转换器电路，所述电光转换器电路被耦接以接收所述旋转传感器信号和所述温度信号，所述电光转换器被构造为在接收到所述信号时将所述旋转传感器信号和所述温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号；以及
光纤缆线，其被耦接以接收并传播所述光旋转传感器信号和所述光温度信号。
10.一种控制电动机的方法，所述电动机至少部分地布置在电动机壳体内，所述方法包括以下步骤：
利用布置在所述电动机壳体内的旋转传感器感测所述电动机的旋转速度和位置；
供应代表所感测的旋转速度和位置的旋转传感器信号；
利用布置在所述电动机壳体内的温度传感器感测所述电动机的温度；
供应代表所感测的电动机温度的温度信号；
利用布置在所述电动机壳体内的转换器电路将所述旋转传感器信号和所述温度信号分别转换为光旋转传感器信号和光温度信号；
在光纤缆线内传播所述光旋转传感器信号和所述光温度信号；以及
至少部分地根据所传播的光旋转传感器信号和所传播的光温度信号来控制所述电动机。
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