CN103248215A - 用于nvh的pwm频率模式优化 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种优化的伪随机周期模式，其可以降低包括配置为向电机提供动力的逆变器电路的系统中的可听到的噪声。系统可以包括含PPP的PWM优化模块。可以根据PPP选择用于提供PWM逆变器驱动信号的载波信号的载波周期。PPP可以表示为200-400个元素的数组，每个元素的周期都属于2或更大的预定的周期的有限集合。可以通过指数从数组选择周期，并且指数增加以通过PPP改进，其可以基于它的完成而重复。可以优化PPP以在减轻逆变器损耗的同时降低可听到的噪声。建模技术可以确定数组元素的数量、可能周期的数量以及优化PPP的周期值。

Description

用于NVH的PWM频率模式优化
技术领域
本发明总体上涉及动力电子逆变器系统，更具体地，涉及减少与用于车辆的电机有关的噪声、振动以及声振粗糙度(NVH)的方法和设备。
背景技术
电动以及混合动力电动车辆可以应用电能通过电动驱动系统来推进，该电动驱动系统可以包括耦接至电机的动力电路，如动力电子逆变器。在这种布置中，动力电路可以在动力源与电机之间控制动力的传递以驱动负载，如车辆驱动桥。对于三相交流电机来说，动力电路可以包括具有三个相脚的逆变器，每个相脚包含可以被单独控制以提供所需的逆变器输出的开关(switches)。作为示例，为电机的扭矩要求的函数的驱动信号可以由逆变器控制装置提供给逆变器。
脉宽调制(PWM)信号通常用作逆变器的驱动信号。所需的基本电压指令可以由载波信号调制以产生一系列将逆变器开关打开和关闭的脉冲，以在多相电机的线圈上产生所需的电压。应用较低的开关频率可以降低逆变器中的开关损耗。然而，以声频谱内的频率进行开关会产生令人不愉快的高音调嗡鸣和啸叫噪声，这会惹恼汽车操作者和乘客。
降低可听到的电机噪声的努力通常依赖于使用高于典型人耳的声频谱的载波频率。例如，由苏布拉提·萨哈(Subrata Saha)等人递交、转让给爱信精机(Aisin AW)有限公司，并公布于2009年5月7日的US20090115362号美国专利文献，公开了一种抑制边带噪声的方法，其在预定的目标扭矩以及角速度条件下由低频载波(5kHz)模式转换至高频载波(7.5kHz)模式，并且当其他预定的目标扭矩以及角速度条件出现时转换回低频模式。虽然应用7.5kHz的载波频率可以将开关频率移动至人耳较不敏感的可听到的范围的上限，但是较高的开关频率会导致较高的开关损耗，这会降低用于电动或混合动力电动车辆的燃油效率。
由Naoyoshi Takaatsu等人递交，转让给丰田汽车(Toyota Jidosha)并公布于2010年3月4日的US20100052583号美国专利文献教导了力图降低噪声并改进燃油效率而改变PWM方法和频率。Takaatsu公开了一种包括用于驱动车轮的电动机、驱动电动机的逆变器以及执行逆变器的PWM控制的控制装置的车辆。在由逆变器或供应给电动机的电流或者电动机中所产生的扭矩大于阈值的情况下，控制装置执行同步PWM控制；并且在电流或扭矩小于阈值的情况下，执行同步PWM控制或非同步PWM控制，并且将载波频率或PWM控制的脉冲数量设置为比电流或扭矩大于阈值时更高。同步和非同步控制电路都是必需的，在它们二者之间执行转换。虽然同步控制可以使用任意频率，但是同步控制需要整数倍数的基本载波频率。虽然尊惇方法和系统在某些情况下对降低噪声有效，但是它需要额外的控制电路并需要用于不同的操作条件的不同的PWM方法。例如，在某些电动机工作范围中，执行用于噪声降低的方法，而在不同的工作范围中执行降低逆变器损耗的方法。上文所提及的公开的内容都需要用以估算当前电机状态的实时处理过程，以及取决于电流和扭矩要求的PWM载波频率的指定。虽然这也许对于它们想要实现的目的是足够的，但是公开的内容都未教导用于提供不依赖于电流和扭矩条件而可以以优化的方式降低电机噪声的PWM控制信号的方法。其他解决方案，例如7.5kHz左右、如7.75kHz和7.25kHz的增量频率的随机化，有助于减轻开关噪声，但是却增加了开关损耗并降低了燃油经济性。
发明内容
示例性系统包括配置为最优化地扩展PWM能量以降低与电动驱动系统有关的可听到的噪声的脉宽调制(PWM)优化模块(POM)，以及配置为接收包含由POM指定的载波频率的PWM驱动信号的逆变器电路。在示例性系统中，POM可以包含优化的伪随机周期模式(PPP)，并且可以根据PPP产生具有周期的用于PWM发信号的载波信号。可以优化PPP以扩展与频谱中的载波信号有关的噪声能量以降低汽车操作者或乘客可听到的电动驱动系统噪声。优化还可以包括减轻逆变器损耗。在示例性系统中，载波周期可以以半周期间隔根据PPP改变，然而，其也可以以全周期、双周期以及其他间隔改变。POM做出载波频率指定可以独立于电机电流和扭矩要求执行。
本发明的设备可以包含配置为最优化地扩展PWM能量以降低可听到的电机开关噪声的POM。在示例性实施例中，POM可以包含用以降低电机噪声、振动以及声振粗糙度而优化的PPP。举例说明，PPP可以包含具有有限数量元素的数组，每个元素表示属于两个或多个预定的周期的有限集合的周期。在示例性实施例中，PPP可以包含200与400个之间的元素，其可以以预定的间隔被顺序地选择。
本发明的方法可以包括以指数从优化的PPP选择载波周期以降低可听到的电机噪声；应用所选择的载波周期以及增加指数。举例说明，但不是限制，载波周期可以以半个PWM周期间隔改变。
附图说明
图1显示了具有PWM优化模块(POM)的示例性系统。
图2显示了示例性系统。
图3显示了示例性伪随机周期模式。
图4显示了示例性伪随机周期模式。
图5显示了示例性的本发明的噪声频谱与传统信号噪声频谱的对比。
图6显示了示例性方法。
具体实施方式
这里给出本发明的示例性实施例；然而，本发明可以体现为各种可选的形式，由于其对本领域技术人员将是显而易见的。为了方便理解本发明，并为权利要求提供基础，本说明书中包括各种附图。附图并不是按比例绘制的并且相关元件可以省略，以便强调本发明的新颖特征。提供附图中所示的结构和功能细节的目的在于向本领域技术人员教导本发明的实施方式，而不应解释为限制。例如，用于各种系统的控制模块和部件可以不同地排列和/或组合，而不应被认为限于这里给出的示例性构造。本发明将在具有包括电机的动力系的车辆的背景下做出说明，然而应当理解，本发明不限于所述的环境，而是具有汽车工业之外的多种应用。
图1说明了示例性车辆100的原理图。车辆100可以是任何合适的类型，如电动或混合动力电动车辆。在至少一个实施例中，车辆100可以包括第一车轮组112、第二车轮组114、发动机116、混合动力电动车辆(HEV)驱动桥118以及电动驱动系统(EDS)120。电动驱动系统120可以配置为向第一和/或第二车轮组112、114提供扭矩。电动驱动系统120可以具有任何合适的配置；例如，其可以包括采用耦接至电机126的动力电子变换器(PEC)122的形式的动力转化电路。电机126可以耦接至动力传递单元130，其可以转而耦接至差速器140以控制车轮组114。可以预期到，电机126可以作为电动机运行，将电能转化为动能，或者作为发电机，将动能转化为电能。在示例性实施例中，PEC122可以通过接口线缆127连接至第一电机，并通过第二接口线缆(未示出)连接至第二电机。接口线缆127可以是高压三相接口线缆，通过该接口线缆PEC122可以为电机126提供动力。PEC122可以包括配置为向电机126提供动力的硬件电路，并可以耦接至车辆控制系统(VCS)150，由该车辆控制系统可以接收关于车辆操作和控制的各种其他控制单元的信号。PEC122可以耦接至配置为优化PEC122的PWM驱动信号的脉宽调制(PWM)优化模块(POM)125，以便可以以节约能源并保护车辆燃油效率的方式降低EDS120可听到的噪声。
电机126可以由一个或多个动力源提供动力以驱动车辆牵引车轮。电机126可以是任何合适的类型，如牵引机、电动机-发电机或起动机-交流发电机。此外，电机126可以与再生制动系统联系在一起以回收能量。动力传递单元130可以选择性地耦接至至少一个电机126。动力传递单元130可以是任何合适的类型，如本领域技术人员所公知的多档位“阶梯传动比(step ratio)”变速器、无级变速器或电子无转换变速器。动力传递单元130可以适用于驱动一个或多个车轮。在图1中所示的实施例中，动力传递单元130以任何合适的方式连接至差速器140，如使用传动轴或其他机械装置。差速器140可以通过如轮轴或半轴的轴142连接至第二车轮组114的每个车轮。
PEC 122可以耦接至动力源121。在多种实施例中，如混合动力电动车辆应用，可以提供额外的动力系统。例如，可以提供包括电动力源或如同内燃发动机的非电动力源的第二动力系统。动力源121可以是任何合适的类型。例如，动力源121可以包含电动力源，如具有多个电连接的电池、电容器或燃料电池的电池组。如果使用电池组，则其可以是任何合适的类型，如镍-金属氢化物(Ni-MH)、镍-铁(Ni-Fe)、镍-镉(Ni-Cd)、铅酸、锌溴(Zn-Br)或锂基电池。如果使用使用电容器，则其可以是任何合适的类型，如本领域技术人员所公知的超电容器(ultra capacitor)、超级电容器(super capacitor)、电化学电容器或电子双层电容器(electronicdouble layer capacitor)。在示例性实施例中，电池组可以与一个或多个电容器一起使用。
PEC 122可以包含配置为向电机126提供动力的逆变器电路123。逆变器控制装置124可以配置为向逆变器电路123提供PWM驱动信号。逆变器控制装置124可以配置为执行处理过程并控制与逆变器电路123的运行有关的功能，并相应地可以包括硬件、软件、固件或其它们的某些组合。逆变器控制123可以配置为执行软件算法以及储存信息。在示例性实施例中，逆变器控制123可以包含具有接收反馈电流、接收或确立参考电流和电压、调节电流、指挥电压和电流以及执行其他与电机126的指挥和控制所必需的电路的印刷电路板。逆变器控制装置124可以接收来自检测线缆127内的电流的传感器215的输入。在示例性实施例中，逆变器控制装置124还可以接收来自配置为检测电机126动作的传感器(未示出)的输入。POM125可以耦接至逆变器控制装置124来优化PWM发信号以在避免逆变器电路123的动力损耗的同时降低与电机126操作有关的可听到的噪声。
图2描绘了具有逆变器电路204的示例性系统200，该逆变器电路204设置为通过耦接至POM220的逆变器控制装置210控制。逆变器电路204可以耦接至动力源202并包含电路以为三相同步电机206提供三路相电流IA、IB、IC。在示例性实施例中，逆变器电路304可以包括分别配置有开关S1、S2、S3、S4、S5、S6的相脚A、B和C，其配置为提供电流IA、IB、IC。逆变器控制装置210可以包括电流/电压控制模块212，该控制模块配置为基于电机206扭矩要求TR来提供所需的电机206定子绕组电压VA、VB、VC。逆变器控制装置210还可以包括PWM信号模块214以基于相电压VA、VB、VC为逆变器电路204产生PWM驱动信号SA、SB、SC。举例说明，但不是限制，驱动信号SA、SB、SC可以采用电压电平以及应用于逆变器电路相脚A、B和C的各种开关的门的占空比的形式。在示例性实施例中，PWM信号模块214可以包括载波信号模块214以及比较器模块216。载波信号模块214可以配置为提供载波信号VCAR，该载波信号可以提供PWM开关频率。举例说明，载波信号模块214可以包含高频信号发生器。在示例性实施例中，载波信号模块214可以配置为产生三角波载波信号。比较器模块216可以配置为将载波信号VCAR与电压信号VA、VB、VC进行比较以提供驱动信号SA、SB、SC。
POM220可以耦接至PWM模块214并配置为执行方法来以优化的方式降低可听到的噪声。POM220可以配置为给在模块214产生的载波信号指定载波周期(pCAR)。示例性POM220可以包括处理器模块222以及存储器224，如只读存储器(ROM)，该存储器配置为储存适用于扩展与电机206以及逆变器电路204操作有关的噪声能量的优化的PPP。在示例性实施例中，处理器模块222可以包含配置为顺序地单步调试PPP以选择载波周期的微计算装置。处理器模块222可以配置为向PWM模块214提供所选择的周期。尽管为了教导的目的显示为独立的模块，但是可以预期到，POM220可以并入PWM模块214中，并且单个的微计算装置可以配置为使用在存储器储存或在微计算装置程序化的优化的PPP来确定载波周期，并基于所需的相电压VA、VB、VC来配置PWM信号。当其序列完成时，可以重复PPP。
图3示出了表示为由指数i顺序定义一直到最后的元素pN的N个元素p1、p2、p3、p4、p5、p6、pN的数组300的示例性PPP，每个元素pi都表示具有0.29ms或0.15ms的值的载波周期。以实例说明，模式304包含仅具有六个元素的伪随机数组。数列306包含第一模式304序列，随后是模式304的重复。曲线图308描绘了新的载波周期应用在每个当前周期结尾时的时域中包含模式304的重复的数列。模式304表现为6个三角形的序列，其中当到达序列的结尾时重复该序列。在示例性实施例中，新的载波周期可以以半周期间隔应用，以使模式304表现为可以重复的一系列对称和不对称的三角形，如曲线图310所示。
图4示出了具有20个元素的示例性模式数组402，每个元素都是4个载波周期之一。数组402可以提供模式序列404。曲线图406示出了当载波周期以单周期间隔改变时的模式404，其提供可以重复的20个对称三角形的序列。曲线图408示出了当载波周期以半周期间隔更新时的模式404，其提供可以重复的10个对称和不对称的三角形的序列。对于200个元素的数组来说，模式可以表现为当载波周期以单周期间隔更新时重复的一系列200个三角形，或当载波周期以双周期间隔改变时的400个三角形。
本发明的PWM噪声降低方法在多个方面不同于现有技术的扩频PWM方法，多个方面包括但不限于，它的伪随机，而不是随机特性。PPP具有预定的元素顺序、预定的元素长度或数量以及每个元素的可能值的有限数量，所有这些都可以通过建模技术来选择以最优化地降低由电机驱动所造成的可听到的噪声。与随机跳频方法不同，PPP可以重复，其中每个频率(或载波周期)被随机选择并且不依赖于以前的选择。在优选的实施例中，PPP的每个元素都属于两个或多个载波周期(cp)的集合，如由以下等式1所示：
Figure BDA00002828834400071
可以用在模式中的可能的载波周期的有限数量、可能的载波周期使用的顺序以及模式中元素的总数量可以被优化以重新分布声频谱中的噪声能量的量。建模技术可以用于估算噪声降低以及各种模式的效率。已经发现，具有200与400个元素之间长度的PPP，其中每个元素为2至5个的可能周期中的一个，有效并高效地扩展噪声能量以降低操作者、乘客或附近的行人听到的可听到的声音。可以将PPP优化为不仅减低噪声还减轻动力损耗。本发明的进一步优势在于多重载波周期的使用可以将噪声能量移动至人类听觉较不敏感的频率范围，以使整个系统，如电机、车辆等具有较小的声学响应。在示例性实施例中，可能周期的集合包括那些与5kHz上下的频率有关的周期。在图5中，使用5kHz的单载波频率时的噪声能量分布与使用具有多于一种载波频率的PPP时的噪声能量分布进行比较。量化噪声的一种方法为通过噪声指数；其中较低的噪声指数优于较高的噪声指数。如图5中所示，使用5kHz的单载波频率进行PWM发信号产生600以上的噪声指数。使用本发明的PPP，噪声指数可以降低至100以下。
图6示出了用于降低可听到的EDS噪声的示例性方法600。该方法可以在602开始。在框604，载波周期可以选自优化的PPP。例如，储存在POM模块220的存储器224的优化的PPP可以由指数i通过处理器模块222的微计算装置存取。参考数组304，对于i＝1，可以选择0.29ms的周期。
在框606，可以应用所选择的周期。例如，0.29ms的周期(或3.4kHz的频率)可以由处理器模块222提供给载波信号模块214。模块214的信号发生器可以产生3.4kHz的载波信号。接着，载波信号可以与电压VA进行比较以提供用于逆变器电路204的PWM驱动信号，例如SA。在示例性实施例中，新的频率(或载波周期)以半周期间隔应用，以使随后的当前周期在完成目前或当前的载波周期之前应用。然而，还可以使用其他更新间隔，例如单周期间隔、双周期间隔等。因此，在示例性实施例中，新的周期可以在完成全部当前周期时或在其之后应用。在框608，可以将指数增加一。例如，i可以由1改变为2。在判定框610，可以根据增加的指数是否大于模式序列的长度来进行确定。例如，如果模式具有200个元素，则增加的指数可以与200进行比较。对于数组304来说，增加的指数可以与6进行比较。如果增加的指数超过模式长度，则在框612，指数i可以被重置为1以便可以重复该模式。
本发明提供了一种用于在减轻动力损耗的同时执行降低与电机操作有关的可听到的噪声的PWM方法的设备和方法。优化的伪随机周期模式可以扩展频谱中的载波以及边带噪声能量以降低或消除由为电机供应动力的逆变器电路的PWM开关造成的嗡鸣噪声。举例说明，但不是限制，伪随机周期模式可以表示为具有200-400个元素的数组，其中每个元素为可以用作PWM驱动信号的载波周期的2至5个的周期中的一个。根据优化的模式改变载波周期可以在实质上降低与信号有关的噪声指数。使用5kHz上下的频率已经在降低可听到的噪声方面显示出其是十分有效和高效的。

Claims (8)

1.一种系统，其特征在于，包含：
配置为最优化地扩展能量以降低可听到的噪声的脉宽调制优化模块；以及
配置为接收包含脉宽调制优化模块指定的载波周期的脉宽调制驱动信号的逆变器电路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉宽调制优化模块包含伪随机周期模式。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述脉宽调制驱动信号根据所述伪随机周期模式产生。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，信号发生器配置为提供具有所述脉宽调制优化模块指定的载波周期的载波信号，所述载波信号用于提供所述脉宽调制驱动信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，随后的载波周期根据伪随机周期模式在完成当前载波周期时或在其之后应用。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述随后的载波周期在包含至少两个全所述当前载波周期的间隔完成时应用。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，随后的载波周期根据伪随机周期模式在完成当前载波周期之前应用。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述随后的载波周期在当前载波周期的中点应用。
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