CN102735930B - 使用频谱分析的交流发电机速度估计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用频谱分析的交流发电机速度估计，提供一种用于确定交流发电机如车辆交流发电机的速度的系统和方法。所述方法包括测量预定时间段的车辆电池的电流或电压，然后滤波测量的电流或电压测量信号以去除已知的谐波。执行有限数量数据点的快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波信号中的频率峰值，其中最高峰值表示DC交流发电机信号上的脉动电流。识别FFT信号中的最高峰值，并在该峰值与数据中的相邻峰值之间执行插值程序，以识别所述脉动电流的实际频率。然后将所述脉动电流转换为所述交流发电机的速度。

Description

使用频谱分析的交流发电机速度估计

技术领域

本发明总地涉及用于估计交流电机的速度的系统和方法，更特别地，涉及用于通过使用频谱分析识别整流式交流发电机信号（例如电流或电流）中的脉动频率并将该脉动频率转换为交流发电机速度来估计车辆交流发电机的速度的系统和方法。

背景技术

车辆通常包括提供电力给车辆电池再充电并在车辆行驶时操作车辆电气系统的交流发电机。交流发电机包括接合由车辆发动机驱动的柔性皮带的滑轮，其中所述皮带还驱动其它车辆部件，例如动力转向泵、空气压缩机等。当所述皮带转动交流发电机滑轮时，滑轮转动交流发电机的定子内的转子，其中转子通常具有永磁体，定子包括一个或多个绕线线圈。典型的车辆交流发电机包括彼此有90°相位差的三个定子绕阻，产生三个AC信号，这三个AC信号被发送至三相二极管桥式整流器，以将AC信号转换为适于给电池重新充电的DC信号。交流发电机还包括调节DC信号的电压调节器。由于转换的因素，二极管桥式整流器在DC信号上产生AC脉动信号。可执行各种滤波技术和其它操作来减少由整流器转换产生的脉动电流，但是在DC信号上仍有可被检测到的一定水平的AC脉动。

由于各种原因，例如确定驱动交流发电机滑轮的皮带是否打滑，期望在车辆操作期间知道交流发电机的旋转速度。如果所述皮带未打滑，那么交流发电机速度为发动机速度乘以交流发电机滑轮的比率。因此，通过知道交流发电机速度、滑轮比率和发动机速度，可确定所述皮带是否打滑。另外，那么如果该旋转速度不流畅，那么通过知道交流发电机速度，可确定对所述皮带或甚至交流发电机本身的损坏。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于确定交流发电机（例如车辆交流发电机）的速度的系统和方法。所述方法包括测量预定时间段的车辆电池的电流或电压，然后陷波滤波测量的电流或电压测量信号以去除已知的谐波。执行有限数据点快速傅立叶变换（FFT）频谱分析操作，以识别滤波信号中的频率峰值，其中最高峰值表示DC交流发电机信号上的脉动电流。识别FFT信号中的最高峰值，并在该峰值与数据中的相邻峰值之间执行插值处理，以识别所述脉动电流的实际频率。然后将所述脉动电流转换为所述交流发电机的速度。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种用于确定交流发电机的速度的方法，所述方法包括：

确定所述交流发电机的输出电流或电压信号，其中所述输出电流或电压信号包括因AC-DC转换产生的脉动电流频率；

滤波所述电流或电压信号，以去除已知的谐波频率；

执行快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波的电流或电压信号的频谱信号；

识别所述频谱信号内的峰值检测搜索范围，所述脉动电流频率已知存在于该范围内；

将所述搜索范围内的最高峰值频率识别为所述脉动电流频率；以及

将所述最高峰值频率转换为所述交流发电机速度。

技术方案2：根据技术方案1的方法，其中滤波所述电流或电压信号包括使用数字陷波滤波器。

技术方案3：根据技术方案2的方法，其中所述数字陷波滤波器使用下述公式：

其中H为滤波器的z变换，ω₀为要被去除的频率，r设定陷波的频宽。

技术方案4：根据技术方案1的方法，其中识别峰值检测搜索范围包括从前一脉动电流频率确定识别所述脉动电流频率，并对所述前一脉动电流频率加减预定频率值，以识别所述搜索范围。

技术方案5：根据技术方案1的方法，其中执行所述FFT操作包括执行具有有限数量的数据点的FFT操作。

技术方案6：根据技术方案5的方法，其中所述有限数量的数据点为提供约39Hz的频率分辨率的256个数据点。

技术方案7：根据技术方案5的方法，其中识别所述搜索范围内的最高峰值频率包括基于所述有限数量的数据点识别最高峰值频率，然后在该数据点与相邻数据点之间插值，以识别实际最高峰值频率。

技术方案8：根据技术方案5的方法，还包括确定是否进行了前一脉动电流频率确定，如果是，那么识别峰值检测搜索范围包括将所述搜索范围识别为所述脉动电流频率周围的预定有限数量的数据点。

技术方案9：根据技术方案8的方法，还包括替代具有有限数量数据点的有限FFT操作，对各数据点执行单一频率FFT操作。

技术方案10：根据技术方案8的方法，其中对各数据点执行所述单一频率FFT操作包括使用下列公式：

其中s(n)为中间变量，I(n)为电流测量值，ω为用于最后计算的特定数据仓的频率，X(n)为频率FFT大小，n=t,t-1,…,t-255,j为sqrt(-1)。

技术方案11：根据技术方案1的方法，其中所述交流发电机为车辆交流发电机。

技术方案12：根据技术方案11的方法，其中确定所述交流发电机的输出电流或电压信号包括测量由所述交流发电机充电的车辆电池的电池电流或电压。

技术方案13：一种用于确定车辆交流发电机的速度的方法，所述方法包括：

测量车辆电池的电流或电压，其中所述电流或电压包括因交流发电机中的AC-DC转换产生的脉动电流频率；

滤波所述电流或电压测量信号，以使用数字陷波滤波器去除已知的谐波；

执行具有有限数量数据点的快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波的电流或电压测量信号的频谱信号；

识别所述频谱信号内的峰值检测搜索范围，所述脉动电流频率已知存在于该范围内，包括对前一脉动电流频率加减预定值，以识别所述搜索范围；

识别所述搜索范围内的最高峰值频率，并在所述最高峰值频率与相邻频率之间插值，以识别所述脉动电流频率；以及

将所述脉动电流频率转换为所述交流发电机速度。

技术方案14：根据技术方案13的方法，其中所述有限数量的数据点为提供约39Hz的频率分辨率的256个数据点。

技术方案15：根据技术方案13的方法，还包括确定是否进行了前一脉动电流频率确定，如果是，那么识别峰值检测搜索范围包括将所述搜索范围识别为所述脉动电流频率周围的预定有限数量的数据点。

技术方案16：根据技术方案15的方法，还包括替代具有有限数量数据点的FFT操作，对各数据点执行单一频率FFT操作。

技术方案17：一种用于确定交流发电机的速度的系统，所述系统包括：

用于确定所述交流发电机的输出电流或电压信号的装置，其中所述输出电流或电压信号包括因AC-DC转换产生的脉动电流频率；

用于滤波所述电流或电压信号以去除已知的谐波频率的装置；

用于执行快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波的电流或电压信号的频谱信号的装置；

用于识别所述频谱信号内的峰值检测搜索范围的装置，所述脉动电流频率已知存在于该范围内；

用于将所述搜索范围内的最高峰值频率识别为所述脉动电流频率的装置；以及

用于将所述最高峰值频率转换为所述交流发电机速度的装置。

技术方案18：根据技术方案17的系统，其中用于执行所述FFT操作的所述装置利用有限数量的数据点执行所述FFT操作。

技术方案19：根据技术方案18的系统，其中用于识别所述搜索范围内的最高峰值频率的装置基于所述有限数量的数据点识别最高峰值频率，然后在该数据点与相邻数据点之间插值，以识别实际最高峰值频率。

技术方案20：根据技术方案18的系统，还包括用于确定是否已经进行了前一脉动电流频率确定的装置，如果是，所述用于识别峰值检测搜索范围的装置将所述搜索范围识别为所述脉动电流频率周围的预定有限数量的数据点，并且还包括用于替代具有有限数量数据点的FFT操作，对各数据点执行单一频率FFT操作的装置。

结合附图，从下面的说明书和所附权利要求可清楚本发明的其它特征。

附图说明

图1为车辆交流发电机和皮带系统的示意图；

图2为示出用来使用频谱分析确定交流发电机速度的方法的流程图；

图3为示出测量的电池电流或电压在没有滤波时的示例性频谱的曲线图，其中横轴为频率，纵轴为大小；

图4为示出图2的频谱进行了陷波滤波的曲线图，其中横轴为频率，纵轴为大小；和

图5为预定峰值搜索范围内一部分滤波的FFT信号的曲线图，其中横轴为频率，纵轴为大小。

具体实施方式

下面对涉及用来使用频谱分析确定交流发电机的速度的系统和方法的本发明实施例的描述实质上仅仅是示例性的，不意欲以任何方式限制本发明或其应用或使用。例如，本发明对确定车辆交流发电机的速度具有特定应用。然而，如本领域的技术人员所清楚的，本文描述的用于确定交流发电机的速度的系统和方法可应用于除车辆交流发电机之外的其它交流发电机。

图1为包括传动皮带12的车辆前端附件驱动系统10的示例图。系统10包括发动机曲轴14，其被车辆发动机转动并以本领域技术人员公知的方式提供用来驱动传动皮带12的旋转能量。传动皮带12接合交流发电机18的滑轮16，并提供用来转动交流发电机18内的转子（未示出）的旋转能量，以便以上述和本领域技术人员公知的方式产生电能。传动皮带12还接合动力转向泵22的滑轮20和空气压缩机26的滑轮24，以提供操作这些装置的旋转能量。皮带张紧器28在传动皮带12上提供恰当的张紧，使得皮带12不容易在曲轴14或滑轮16、20和24上打滑。交流发电机18产生的电能提供驱动各种车辆电气系统和给车辆电池30充电的电力。

交流发电机18产生的AC信号被提供给整流器电路32，该电路通常利用三相二极管桥将AC信号转换为适于给电池30充电的DC信号。这类三相机械通常需要六个二极管和六个开关，通常为MOSFET开关，其依赖于哪个定子绕阻正在产生电流来开关二极管，使得二极管以相同的方向引导电流。开关控制电路（未示出）与三相电流同步地激活开关，以使二极管导通和以本领域技术人员公知的方式提供整流。如上所述，该AC-DC转换在DC信号上产生可被检测到的脉动电流信号。

本发明提出一种用于通过使用频谱分析检测脉动电流来确定交流发电机18的旋转速度的系统和方法，然后其可被用于各种目的，包括确定皮带12是否在滑轮6上打滑。如下面详细描述的，该方法包括测量接收来自交流发电机18的DC充电信号的车辆电池30的电流或电压、滤波电流或电压信号、对滤波信号提供FFT频谱分析、和识别与脉动电流相关的频谱信号中的峰值。一旦识别脉动电流的频率，就可用来通过已知方法确定交流发电机18的旋转速度。

图2为示出用于确定交流发电机18的速度的方法的流程图，该方法使用频谱分析确定给电池30充电的DC信号上的脉动电流的频率。用于确定交流发电机速度的算法在框42开始。脉动电流可通过先知道从整流器电路32输出的DC信号的电压或电流来获得，但是车辆通常不利用交流发电机18上的传感器来提供这些测量。然而，在现代车辆上具有测量电池电流和电压的传感器，该电压和电流具有与整流交流发电机电压和电流相同的印记。因此，本发明在框44使用可用传感器确定电池30的电流或电压。在一个实施例中，针对每个速度计算使用特定时间期间的电池电流或电压测量，例如50ms。

已知，电流或电压信号可通过快速傅立叶变换（FFT）操作来分析，该操作将信号分解成其构成频率，以识别该信号的频谱。图3为示出通过FFT过程确定的来自电池30的测量电流或电压的完整或全功率频谱的示例的曲线图，其中横轴为频率，纵轴为大小。零频率的峰值48表示DC信号，谐波峰值50为约400Hz处交流发电机18中电枢或转子的的场占空比（fielddutycycle），场占空比的第二谐波峰值52显示为在约800Hz处，这是公知的。约1500Hz的峰值54为脉动频率的频率，其是可变的。

因为峰值48、50和52的频率是已知的，所以可通过陷波滤波器来滤波测量的电池电流或电压信号，该滤波器滤波预定上下限之间的全部频率，去除那些频率峰值，以隔离要确定的峰值54。对于要被去除的每个已知频率，在框58对测量的电池电流或电压信号执行陷波滤波。下面的公式（1）给出为此目的的适当数字陷波滤波器的例子。

其中H为滤波器的z变换，ω₀为要被去除的频率，r设定陷波的频宽，其中r越接近于1，陷波越尖锐。

图4中示出了在FFT操作之间未被陷波滤波的图3曲线的频谱信号，其中与DC信号和已知谐波相关的峰值48、50和52已经被去除。在该描述中，那么最高的频率峰值应当为脉动电流频率峰值54，其在约1500Hz处。

然后由于从下面的描述可清楚的理由，算法在确定菱形框60确定这是否是车辆启动之后或在引起车辆失去交流发电机速度线索的某动作之后确定交流发电机速度的第一次计算。

执行FFT操作以获得图3和4中所示功率频谱信号所需的处理是重要且复杂的，通常超出了车辆上电子控制单元（ECU）的合理计算能力。因此，并不是在滤波的电池电流或电压信号上提供完整的FFT频谱分析，本发明提出在框62使用有限数量的数据点或数据仓（databin）进行有限FFT操作，以降低取样量和操作的复杂性。在该非限制性实例中，FFT操作包括窗口，以使用256个数据点来降低频谱泄漏，例如本领域的技术人员公知的汉宁窗口（Hanningwindowing）。通过将频率分析数据点的数量降至256，频谱信号的频率分辨率在数据仓之间约为39Hz。

然后算法在框64定义滤波的和数据点有限频谱信号内的搜索范围，该算法会特别关注识别最高峰值，该最高峰值表示脉动电流频率。在该实施例中，识别预频脉动电流（pre-frequencyripplecurrent），其可为从之前取样周期估计的脉动电流频率或预计为该脉动电流的频率。该算法对预频加减特定的频率，例如250Hz，以识别约500Hz的搜索范围。一旦识别了用来确定脉动电流峰值的搜索范围，在框66执行峰值检测过程，以识别该范围内的最高峰值。

图5为示出来自对1300-1800Hz的搜索范围内的频率进行低FFT分辨率分析的数据点72的曲线图，其中横轴为频率，纵轴为大小。曲线74表示通过全频谱分析产生的FFT分析的平滑频谱。

因为数据点之间FFT频谱信号的频率分辨率为39Hz，所以期望精炼峰值定位，以明确地识别实际脉动电流频率，因为39Hz的分辨率表示约65RPM的交流发电机18的旋转速度的差别。换句话说，因为频谱中数据点之间的距离，峰值检测过程从有限频谱分析中的可用数据点识别的峰值未必为实际的脉动电流频率，可能偏离实际的脉动电流频率有39Hz这样多。

在图5所示的曲线中，识别出的数据点72的最高峰值为数据点70，但是实际脉动电流频率在点68。本发明提出在框76的插值过程，以精炼数据点79与下一最高相邻数据点86之间的峰值定位，从而识别在由点68识别的峰值处的实际脉动电流。认为Δt为数据样本之间的时间间隔，N为FFT中数据点的数量。电流频谱中频谱仓之间的频率间隔为：

其中Δt为数据样本之间的时间间隔，N为FFT中数据点的数量。

点68的峰值频率f可确定为：

其中δ为：

其中α为：

其中X为FFT数据点的大小，i为数据点86的位置，i+1为数据点70的位置。

一旦脉动频率f通过插值过程被识别，那么算法就在框78对三个绕阻定子计算以RPM为单位的交流发电机速度，脉动频率f除以交流发电机18中极对数再除以整流电流32中二极管数目并乘以时间60秒，即，f/极对数/二极管数*/60。然后算法返回开始框42，以再次计算电池电压或电流测量的下一取样时间的交替速度。

如果算法确定不是恰在车辆启动之后，前一交流发电机速度计算已经进行并且在决定菱形框60可用，那么算法执行复杂性更加降低的FFT分析，这会基于前一交流发电机速度计算仍会给出精确的脉动电流识别。特别地，在框80，算法将频率峰值搜索范围限制成最后检测的脉动电流频率峰值周围的几个频率数据仓，例如5个。换句话说，对于交流发电机速度的第一计算不是图5中所示使用几个数据点72的峰值检测，该算法会仅使用点68附近的五个数据点来搜索峰值频率点。这给出了约1450-1600Hz范围的搜索范围。算法在框82对减小了的频率范围中5个数据仓的每个执行单一频率FFT频谱操作，有时称为Goertzel算法，以识别最后确定的脉动电流频率周围的数据仓的新频率。

然后在框84确定减小了的频率范围的数据仓内的各数据点的大小X：

其中s(n)为中间变量，I(n)为电流测量值，ω为用于新计算的所选特定数据仓的频率，X(n)为数据仓的频率的大小，n=t,t-1,…,t-255,j为sqrt(-1)。

一旦获得了用于五个数据仓中每个的每个新频率大小X(n)，算法就返回框66执行对那些大小的峰值检测，以识别最高峰值。然后再次执行插值处理，以在框76识别实际脉动电流频率，以及在框78计算交流发电机18的旋转速度。

前面的说明仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从该说明和附图及权利要求会容易地认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明实质和范围的情况下可在其中作出各种改变、修改和变型。

Claims (20)

1.一种用于确定交流发电机的速度的方法，所述方法包括：

确定所述交流发电机的输出电流或电压信号，其中所述输出电流或电压信号包括因AC-DC转换产生的脉动电流频率；

滤波所述电流或电压信号，以去除已知的谐波频率；

执行快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波的电流或电压信号的频谱信号；

识别所述频谱信号内的峰值检测搜索范围，所述脉动电流频率已知存在于该范围内；

将所述搜索范围内的最高峰值频率识别为所述脉动电流频率；以及

将所述最高峰值频率转换为所述交流发电机速度。

2.根据权利要求1的方法，其中滤波所述电流或电压信号包括使用数字陷波滤波器。

3.根据权利要求2的方法，其中所述数字陷波滤波器使用下述公式：

其中H为滤波器的z变换，ω₀为要被去除的频率，r设定陷波的频宽。

4.根据权利要求1的方法，其中识别峰值检测搜索范围包括从前一脉动电流频率确定识别所述脉动电流频率，并对所述前一脉动电流频率加减预定频率值，以识别所述搜索范围。

5.根据权利要求1的方法，其中执行所述FFT操作包括执行具有有限数量的数据点的FFT操作。

6.根据权利要求5的方法，其中所述有限数量的数据点为提供约39Hz的频率分辨率的256个数据点。

7.根据权利要求5的方法，其中识别所述搜索范围内的最高峰值频率包括基于所述有限数量的数据点识别最高峰值频率，然后在该数据点与相邻数据点之间插值，以识别实际最高峰值频率。

8.根据权利要求5的方法，还包括确定是否进行了前一脉动电流频率确定，如果是，那么识别峰值检测搜索范围包括将所述搜索范围识别为所述脉动电流频率周围的预定有限数量的数据点。

9.根据权利要求8的方法，还包括替代具有有限数量数据点的有限FFT操作，对各数据点执行单一频率FFT操作。

10.根据权利要求9的方法，其中对各数据点执行所述单一频率FFT操作包括使用下列公式：

其中s(n)为中间变量，I(n)为电流测量值，ω为用于最后计算的特定数据仓的频率，X(n)为频率FFT大小，n=t,t-1,…,t-255,j为sqrt(-1)。

11.根据权利要求1的方法，其中所述交流发电机为车辆交流发电机。

12.根据权利要求11的方法，其中确定所述交流发电机的输出电流或电压信号包括测量由所述交流发电机充电的车辆电池的电池电流或电压。

13.一种用于确定车辆交流发电机的速度的方法，所述方法包括：

测量车辆电池的电流或电压，其中所述电流或电压包括因交流发电机中的AC-DC转换产生的脉动电流频率；

滤波所述电流或电压测量信号，以使用数字陷波滤波器去除已知的谐波；

执行具有有限数量数据点的快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波的电流或电压测量信号的频谱信号；

识别所述频谱信号内的峰值检测搜索范围，所述脉动电流频率已知存在于该范围内，包括对前一脉动电流频率加减预定值，以识别所述搜索范围；

识别所述搜索范围内的最高峰值频率，并在所述最高峰值频率与相邻频率之间插值，以识别所述脉动电流频率；以及

将所述脉动电流频率转换为所述交流发电机速度。

14.根据权利要求13的方法，其中所述有限数量的数据点为提供约39Hz的频率分辨率的256个数据点。

15.根据权利要求13的方法，还包括确定是否进行了前一脉动电流频率确定，如果是，那么识别峰值检测搜索范围包括将所述搜索范围识别为所述脉动电流频率周围的预定有限数量的数据点。

16.根据权利要求15的方法，还包括替代具有有限数量数据点的FFT操作，对各数据点执行单一频率FFT操作。

17.一种用于确定交流发电机的速度的系统，所述系统包括：

用于确定所述交流发电机的输出电流或电压信号的装置，其中所述输出电流或电压信号包括因AC-DC转换产生的脉动电流频率；

用于滤波所述电流或电压信号以去除已知的谐波频率的装置；

用于执行快速傅立叶变换（FFT）操作，以识别滤波的电流或电压信号的频谱信号的装置；

用于识别所述频谱信号内的峰值检测搜索范围的装置，所述脉动电流频率已知存在于该范围内；

用于将所述搜索范围内的最高峰值频率识别为所述脉动电流频率的装置；以及

用于将所述最高峰值频率转换为所述交流发电机速度的装置。

18.根据权利要求17的系统，其中用于执行所述FFT操作的所述装置利用有限数量的数据点执行所述FFT操作。

19.根据权利要求18的系统，其中用于识别所述搜索范围内的最高峰值频率的装置基于所述有限数量的数据点识别最高峰值频率，然后在该数据点与相邻数据点之间插值，以识别实际最高峰值频率。

20.根据权利要求18的系统，还包括用于确定是否已经进行了前一脉动电流频率确定的装置，如果是，所述用于识别峰值检测搜索范围的装置将所述搜索范围识别为所述脉动电流频率周围的预定有限数量的数据点，并且还包括用于替代具有有限数量数据点的FFT操作，对各数据点执行单一频率FFT操作的装置。