CN104811110A - 用于抗噪的旋转变压器励磁频率定序 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动车辆的电驱动系统的电机(例如，马达或发电机)，其适于耦接到车辆的车轮以用于在所存储的电能和车轮的旋转间的转换。旋转变压器被耦接到电机，并具有与电机一起旋转的转子，该旋转变压器响应励磁信号以产生位置信号。控制器被耦接到旋转变压器以接收位置信号以及被耦接到该电机以控制该转换。该控制器在可变的频率上生成励磁信号，该可变频率随着电机的运行点的变化来选择以避免谐波噪声峰值在该电机上传播。因此，该位置信号相对较少地受到电磁噪声的影响。

Description

用于抗噪的旋转变压器励磁频率定序
背景技术
本发明总体上涉及用于电动车辆驱动的电机的位置感测，并尤其涉及一种用来驱动电驱动系统中的旋转变压器的励磁信号。
诸如混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)这样的电动车辆使用逆变器驱动的电机提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电动驱动系统包括DC(直流)电源(诸如电池组或燃料电池)，该DC电源由接触器开关耦接至可变电压转换器(VVC)，以调节主链路电容两端的主总线电压。第一逆变器在主总线和牵引马达之间连接以推进车辆。第二逆变器在主总线和发电机之间连接，以在制动期间再生能量来通过VVC给电池再充电。如此处所使用的，电机指代马达或发电机。
该逆变器包括以桥接配置连接的晶体管开关(诸如绝缘栅双极型晶体管，或称IGBT)。电子控制器打开以及关闭开关以将总线的DC电压转换为应用到马达的AC(交流)电压，或将发电机的AC电压转换为总线上的DC电压。在每种情况下，该逆变器响应于包括电机旋转位置的各种感测条件而被控制。
使用被称为旋转变压器的装置典型地感测位置信号。在电动车辆中使用的旋转变压器的一个优选的类型为可变磁阻式旋转变压器。旋转变压器生成信号，该信号提供旋转变压器附接的电机的转子旋转位置的绝对指示。该旋转变压器具有转子和定子，其中该旋转变压器的转子附接到电机的转子上以共同旋转。该旋转变压器具有接收由AC电压组成的励磁信号的一次绕组。旋转变压器的一对二次绕组的每一个生成取决于转子位置的感应电压。感应电压比提供了对电机的旋转位置的测量。
用于励磁信号的特定频率可以在相当宽范围的频率中选择。被称为旋转变压器-数字转换(resolver-to-digital)(R2D)芯片的集成电路在生成励磁信号以及处理感应电压以生成转子位置的数字表示上是可用的。举例来说，AD2S1200为可向马萨诸塞州的诺伍德模拟装置公司购买的带有基准振荡器的12字节R/D转换器，其在10kHz、12kHz、15kHz或20kHz上提供固定的励磁频率的选择。
该电驱动系统承受向和从马达和/或发电机传播的大量的电磁噪声。由于该旋转变压器在同一个轴上十分接近电机来安装，所以其对于来自电机的电磁噪声耦合特别敏感。这个噪声会导致错误的位置反馈，潜在地造成不稳定的运行和增强的损耗。由于增加的重量、成本以及空间损失，电磁屏蔽组件的添加是不希望的。更好的信噪比可以通过在更高电压振幅上生成旋转变压器励磁信号来获得，但是这个解决方案也导致增加的成本和控制模块中的印制电路板上的附加空间。
发明内容
本发明随着电机运行点的变化实时地调度(即，改变)旋转变压器励磁频率以避免电机和旋转变压器之间的不希望的电磁噪声相互作用。由于电磁噪声的频率组成按照运行点(例如，机器速度，PWM(脉冲宽度调制)频率，或其他参数)变化，所以用于旋转变压器输出信号的最佳的信噪比可以通过将励磁信号频率转移到远离噪声中的峰值来获得。
在本发明的一个方面，电驱动系统被安装用于电动车辆。电机(例如，马达或发电机)适于耦接到车辆的车轮以在存储的电能和车轮的旋转之间转换。旋转变压器被耦接到电机，并具有与电机一起旋转的转子，该旋转变压器响应励磁信号以生成位置信号。控制器被耦接到旋转变压器以接收位置信号并耦接到电机以控制该转换。该控制器在随着电机的运行点的变化选择的可变频率上生成励磁信号以避免在电机上传播的谐波噪声峰值。
根据本发明，提供一种用于电动车辆的电驱动系统，包含：
适于耦接到车辆的车轮以用于在所存储的电能和车轮的旋转之间转换的电机；
耦接到电机的旋转变压器，该旋转变压器具有与电机一起旋转的转子，该旋转变压器响应励磁信号而产生位置信号；以及
耦接到旋转变压器以接收位置信号以及耦接到电机以控制该转换的控制器，其中该控制器在可变频率上生成励磁信号，该可变的频率随着电机的运行点的变化来选择以避免谐波噪声峰值在电机上的传播。
根据本发明的一个实施例，其中该运行点响应该电机的旋转速度而被确定。
根据本发明的一个实施例，其中该运行点响应PWM频率而被确定，该PWM频率通过控制器被用于控制该转换。
根据本发明的一个实施例，其中该运行点响应用于该转换的电压而被确定。
根据本发明的一个实施例，其中选择励磁信号的频率以使其与电机的旋转频率以及该旋转频率的谐波间隔开。
根据本发明的一个实施例，其中选择该励磁信号的频率以使其与PWM频率间隔开并与该PWM频率的谐波间隔开，该PWM频率通过控制器被使用以控制该转换。
根据本发明的一个实施例，其中该控制器包括将多个运行点与用于励磁信号的相应频率关联的映射。
根据本发明的一个实施例，其中该电机由马达组成。
根据本发明的一个实施例，其中该电机由发电机组成。
根据本发明，提供一种感测电驱动系统中电机的旋转位置的方法，包含：
测量电机的运行点；
在与噪声峰值间隔开的所选择的频率上生成励磁信号，该噪声峰值与该运行点相关联；
将励磁信号耦接到与该电机一起旋转的旋转变压器的输入上；以及
响应输出确定该电机的旋转位置，该输出由励磁信号在旋转变压器中引发。
根据本发明的一个实施例，其中该电机为用于电动车辆驱动系统的电动马达。
根据本发明的一个实施例，其中该电机为用于通过再生制动为电动车辆电池再充电的发电机。
根据本发明的一个实施例，其中该运行点响应该电机的旋转速度而确定。
根据本发明的一个实施例，其中该电机被耦接到电动车辆的车轮以用于在所存储的电能和车轮的旋转之间变换，以及其中该运行点响应被用于控制该变换的PWM频率而确定。
根据本发明的一个实施例，其中该电机被耦接到电动车辆的车轮以用于在所存储的电能和车轮的旋转之间变换，以及其中该运行点响应用于该变换的电压而被确定。
根据本发明的一个实施例，其中选择该励磁信号的频率以使其与电机的旋转频率以及旋转频率的谐波分隔开。
根据本发明的一个实施例，其中该电机被耦接到电动车辆的车轮以在所存储的电能和车轮的旋转之间变换，以及其中选择励磁信号的频率以使其与被用于控制该变换的PWM频率以及该PWM频率的谐波分隔开。
根据本发明的一个实施例，其中该选择的频率使用映射被识别，该映射将多个运行点与用于励磁信号的相应频率相关联。
附图说明
图1为示出了整合了本发明的一种类型的电动车辆的框图。
图2为示出了按照本发明的一个优选实施例的电动驱动的框图。
图3为示出了按照电机的速度确定的可变励磁频率的曲线图。
图4为示出了按照提供给电机的PWM信号的频率确定的可变励磁频率的曲线图。
图5为示出了使用映射或查询函数响应所测量的电机参数确定励磁频率的控制元件的框图。
图6为示出了获取电机的运行点与相应的励磁频率的相关映射的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在参考图1，车辆10以带有电驱动系统18的混合动力车辆示出。虽然功率分流混合布局被示出，但是本发明对于任何类型的电动车辆(例如，HEV、PHEV、或全电动车辆)还是可用的。内燃发动机11和电池组12供应能量用于推进车辆10。电池12驱动带有输出的马达13，该输出耦接到传动装置14用于驱动车轮15。发动机11的机械输出通过分流装置16被耦接到传动装置14用于提供动力传动系统的发动机驱动模式。分流装置16还将传动装置14耦接到发电机17以使在再生制动期间，来自车轮15的有效的机械动力可以被用来转动发电机17，回收能量如本领域内公知的用于为电池12充电。因此，该电机(即，马达13和发电机17)的每个耦接到车轮15以用于在所存储的电能和车轮旋转之间双向的转换。
电驱动系统18包括将电池电压转换为所希望的总线电压的可变电压转换器24，其通过逆变器21被可控制地转换(即，整流)以驱动马达13。逆变器22在发电机17和转换器20之间被耦接以在再生制动期间将来自发电机的AC电能转换为DC电能，其通过转换器20进一步转换为给电池12再充电的适当电压。
为了控制转换器20和逆变器(INV)21、22中的晶体管开关(未示出)，电驱动系统18包括图2中示出的马达-发电机控制单元(MGCU)。MGCU25被耦接到逆变器21和22以如本领域内公知地选择性驱动逆变器的各个相位管脚上的开关。旋转变压器26被耦接到马达13，以及旋转变压器27被耦接到发电机17。MGCU 25被连接到一对旋转变压器-数字转换芯片R2D1和R2D2。对于马达13，励磁频率指令fE从MGCU 25被提供到R1D1芯片来控制其振动以向旋转变压器26提供励磁信号EM。对于发电机17，励磁频率指令fE从MGCU 25被提供到R2D2芯片来控制其振动以向旋转变压器27提供励磁信号EG。
旋转变压器26和27中的每个通过产生唯一地识别每个旋转变压器中的转子位置的相应一对感应电压来响应励磁信号。每对旋转变压器输出信号被分别连接到R2D芯片，以用于转换由用于马达13的角度θM和用于电动机17的角度θG组成的旋转(角)位置数据。角度θM和θG被提供给MGCU 25，其使用这些角度控制存储电能和车轮旋转之间的转换。
根据马达/发电机目前工作的运行点，MGCU 25随着运行点的变化选择用于励磁信号的可变频率以避免在电机上传播的谐波噪声峰值。图3示出了与电磁噪声峰值相比的励磁信号频率的曲线图30，该电磁噪声峰值随着旋转速度的改变出现在电机旋转产生的谐波频率上。每条虚线31示出了出现在噪声频谱中的相应谐波噪声峰值改变的频率。更具体地，每个单独的峰值展示了带有增长的速度的线性增长。用于励磁信号的所选择的频率与噪声峰值间隔标绘(例如，出现在基波旋转频率和每个显著谐波上的峰值)。因此，励磁频率曲线30最初在电机的最低旋转速度上遵循20kHz的恒定频率值。随着电磁噪声的噪声峰值随着增长的速度接近励磁频率信号值，该励磁频率下降到点32上的新值以使该作为结果的励磁频率保持与谐波噪声峰值的分隔。举例来说，该新值32被选择以位于一对谐波噪声峰值的中间并接着遵循线性增长以保持与沿着线段33的谐波噪声峰值的相同间隔。对于实际的原因，该励磁频率在某些上限和下限之间被典型地保持。如图3中所示，当沿着线段33的励磁频率值达到20kHz时，该值再次下降到下一对连续的谐波噪声峰值之间的较低的励磁频率并接着随机器速度进一步增长继续遵循沿线段34的线性增长。前述的模式重复用于出现的机器速度上的额外的增长。
图4示出了可选择的实施例，其中励磁频率按照脉冲宽度调制(PWM)频率选择，该脉冲宽度调制频率通过控制器用于切换逆变器开关以控制电能到机械能的转换。在这个实施例中，该运行点按照PWM频率被限定，其进而被用于确定励磁频率。曲线图40示出了用于选择励磁信号的频率的函数。举例来说，曲线图40在低于大约3kHz的PWM频率上产生了20kHz的值。虚线41代表了PWM谐波信号，其每个随着基波PWM频率的增加在频率上线性增长。为保持曲线40处于与虚线41所希望的间隔关系中，诸如线段42这样的倾斜线段以与图3相似的方式在连续的PWM谐波频率峰值之间被利用。
如图3和4所示，本发明可以使用一维的运行点，其中诸如机器每分钟转速(RPM)或PWM频率这样的单个参数直接确定励磁频率值。作为一种选择，多参数可以用来限定运行点，其中该励磁信号频率响应多维度关系而被选择。举例来说，如图5中所示，映射表(即，查值表)或图解地或数学上限定的函数45响应诸如参数1和参数2这样的多个参数以产生用于励磁频率fE的相应的值，其命令振荡器(OSC)46以在指令频率fE上生成相应的AC信号。放大器47可以被用作缓冲器以将励磁信号耦接到旋转变压器。
本技术领域内的技术人员将认识到可以被用来限定运行点和励磁信号频率间的的适当函数或映射关系的各种程序。举例来说，这样的程序可以基于经验上的测量值或计算机模拟。图6示出了开发映射表方法的一个实施例，该映射表用于马达/发电机控制单元以将各种运行点与相应的励磁频率相关联。在电驱动系统的开发期间，原型单元可以被操作以为存在于不同运行点的实际电磁噪声进行定量。在步骤50，每个运行点以最终覆盖所有相关的运行点的方式被系统的选择。对于包含在运行点中的每个参数，相关的全部范围可以被分为区块。每个单独的运行点相当于用于全部构成参数的区块的各自组合。
使用所选择的运行点，该电驱动系统在步骤52中运行同时电磁频谱在步骤52中测量。在步骤53，频谱中的高值和低值被检测。在步骤54中，该频谱被检查以及励磁频率被选择用于相应的运行点并接着被存储在映射表中。该峰值可以被检测以将励磁频率远离被识别的峰值(例如，相邻峰值之间的中间)设置。作为一种选择，在每个频谱中的低值可以被检测以及励磁频率该设置在低值上，这固有地将励磁信号频率远离峰值分隔。上下边界频率(例如，分别为20kHz和4kHz)被预先确定以确保励磁频率保持在用于变压转换的技术指标中。如果连续可变的振荡频率是可用的，接着所选择的频率可以采用任何优化信噪比的值。在仅有一组可用的励磁频率的R2D芯片被使用的情况下，接着与最低噪声频谱相应的一个励磁频率被选择。
在步骤55中执行检验以确定附加的运行点是否有剩余。如果是，则返回到步骤50以处理下一个运行点。一旦没有更多的运行点剩余，则该映射在步骤56中完成以及准备在包括电动驱动系统的产品车辆中使用。
在运行中，电驱动系统通过测量电机的运行点感测电机的旋转位置。接着励磁信号在所选择的频率上产生，该频率与和运行点相关联的噪声峰值间隔(例如，通过在映射表中查询频率或评估相应的函数)。该励磁信号被耦接到与电机一起旋转的旋转变压器的输入。电机的旋转位置响应通过励磁信号在旋转变压器中产生的输出而被确定，由于电磁噪声的谐波噪声峰值的影响被最小化，其使所产生的输出的信噪比被优化。

Claims (9)

1.一种用于电动车辆的电驱动系统，包含：
适于耦接到车辆的车轮以用于在所存储的电能和车轮的旋转之间转换的电机；
耦接到电机的旋转变压器，该旋转变压器具有与电机一起旋转的转子，该旋转变压器响应励磁信号而产生位置信号；以及
耦接到旋转变压器以接收位置信号以及耦接到电机以控制该转换的控制器，其中该控制器在可变频率上生成励磁信号，该可变的频率随着电机的运行点的变化来选择以避免谐波噪声峰值在电机上的传播。
2.如权利要求1所述的系统，其中该运行点响应该电机的旋转速度而被确定。
3.如权利要求1所述的系统，其中该运行点响应PWM频率而被确定，该PWM频率通过控制器被用于控制该转换。
4.如权利要求1所述的系统，其中该运行点响应用于该转换的电压而被确定。
5.如权利要求1所述的系统，其中选择励磁信号的频率以使其与电机的旋转频率以及该旋转频率的谐波间隔开。
6.如权利要求1所述的系统，其中选择该励磁信号的频率以使其与PWM频率间隔开并与该PWM频率的谐波间隔开，该PWM频率通过控制器被使用以控制该转换。
7.如权利要求1所述的系统，其中该控制器包括将多个运行点与用于励磁信号的相应频率关联的映射。
8.如权利要求1所述的系统，其中该电机由马达组成。
9.如权利要求1所述的系统，其中该电机由发电机组成。
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