CN106059403A - 用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统和方法。该系统包括逆变器，其通过逆变器切换将从电池供应的DC电转变成AC电，并向驱动电动机供应AC电。旋转变压器配置成检测驱动电动机的转速和转子的位置，信号发生器包括配置成生成方波信号的微控制器。积分器配置成将方波转变成正弦波，并且施加正弦波激励输入信号到旋转变压器。此外，电动机控制器配置成调整激励输入信号的频率，以防止逆变器的逆变器切换频率和用于转速计算而采样的输出电压信号的峰值重叠。

Description

用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2015年4月16日提交于韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2015-0054024的优先权和权益，该申请的全部内容包括在此作为参考。

技术领域

本发明涉及用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统和方法，并且更特别地涉及防止输入到旋转变压器的激励电压信号的峰值与逆变器切换时间重叠，以减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动。

背景技术

近来，已存在对环境友好车辆的增长的需要，其中环境友好车辆满足车辆中的较高的汽油里程数和全球市场中严格的排气规定的需求。该状况的可能的解决方案包括发展混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PEV)和电动车辆(EV)。通常，电动车辆包括用作驱动电动机的永磁体同步电动机(PMSM)(例如使用电力的驱动源)，并且使用旋转变压器估算转速和位置以操作驱动电动机。

图1是示出根据现有技术的用于计算驱动电动机转速的旋转变压器(resolver)系统的配置的示例性示意图。参考图1，旋转变压器10安装在驱动电动机上，并且用于测量中心轴的位置和转速。旋转变压器10还包括在外壳11的内侧上用线圈缠绕的定子12，以及由安装在定子12内的由永磁体组成的转子13。旋转变压器电路包括用于接收激励输入信号的输入端子(例如参考线圈)、用于基于由双极(例如N极和S极)构成的转子(例如永磁体)的位置而输出正弦波(例如Sin)信号的第一输出端子(例如输出线圈1)，以及用于输出余弦波(例如Cos)信号的第二输出端子(例如输出线圈2)。微控制器配置成以固定的频率输出方波信号。方波信号由电路积分器积分，并输出为正弦波且用作激励输入信号。

旋转变压器10使用输出电压信号估算转速和位置。通过施加激励输入信号(例如激励电压)到输入端子将输出电压信号从每个输出端子输出。即，在激励输入信号和输出电压信号的峰值不应有噪声以准确估算驱动电动机的转速和位置。然而，当微控制器切换逆变器开启而将从电池(例如，未示出)供给的直流(例如DC)电转变成三相交流(例如AC)电并向驱动电动机供电时，噪声在旋转变压器的激励输入信号和输出电压信号中生成。例如，在逆变器和旋转变压器电路中的切换彼此接近，这导致了切换噪声从而影响旋转变压器电路。因此，由在旋转变压器10的激励输入信号和输出电压信号中生成的噪声导致的转速脉动发生。

图2示出根据现有技术的在旋转变压器信号处理电路中的噪声生成。如图2所示，旋转变压器10的激励输入信号的峰值和逆变器切换频率同步，并且噪声在激励输入信号和输出电压信号中生成，由此导致过大的转速脉动。过大的转速脉动可导致噪声、振动与声振粗糙度(NVH)恶化、由电流控制不稳定性导致的驱动电动机效率降低引起的减小的汽油里程数，以及由车辆振动导致的耐久性恶化，从而导致频繁更换部件和售后服务成本增加。

上述在背景部分公开的信息仅用于对本公开的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于该国本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

发明内容

本发明提供用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统和方法。在一方面，本发明的示例性实施例提供用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统，其可包括：逆变器，其配置成通过逆变器切换将从电池供应的DC电转变成AC电并向驱动电动机供应AC电；旋转变压器，其可配置成检测驱动电动机的转速和转子的位置。该系统还可包括：信号发生器，其包括可配置成生成方波信号的微控制器和可配置成将方波转变成正弦波的积分器。正弦波激励输入信号可施加到旋转变压器，并且电动机控制器可配置成调整激励输入信号的频率，以防止逆变器的逆变器切换频率和用于转速计算而采样的输出电压信号的峰值重叠。

特别地，电动机控制器可配置成监控逆变器切换频率，并施加与逆变器切换频率大约相同的频率的激励输入信号。当使用旋转变压器计算驱动电动机转速时，电动机控制器可配置成采样(例如选择)从输出电压信号检测到的峰值。逆变器可具有不发生逆变器切换的停滞期(dead time periods)，以防止上开关和下开关同时接通和断开。

另外，电动机控制器可配置成调整激励电压信号的峰值以使该峰值位于不发生逆变器切换的停滞期内。电动机控制器可配置成执行激励输入信号变化调整，通过该变化调整，激励输入信号的频率的变化可与逆变器切换频率的变化同步。信号发生器可配置成生成与可变切换频率大约相同频率的正弦波，并可配置成生成可变激励输入信号且将该可变激励输入信号施加到旋转变压器。

本发明的另一示例性实施例提供用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的方法，其可包括：在电动车辆的驱动电动机的操作点监控逆变器切换；当逆变器切换频率固定时，通过信号发生器生成与固定的逆变器切换频率同步的固定方波；以及当逆变器切换频率可变时，通过信号发生器生成与可变逆变器切换频率同步的可变方波。此外，固定的或可变的方波可转变成正弦波，并且激励输入信号可生成，并且激励输入信号可被调整以防止逆变器切换时间和激励输入信号的峰值重叠。

特别地，可做出频率调整以允许激励输入信号的峰值发生在不发生逆变器切换的停滞期中。该方法还可包括当输出电压信号生成时，将激励输入信号施加到旋转变压器；采样输出电压信号的峰值以用于转速计算；以及使用采样的输出电压信号的峰值来计算转速。

根据示例性实施例，可做出调整以防止旋转变压器的激励输入信号的峰值与逆变器的切换频率同时发生。例如，最小噪声可在生成旋转变压器的输出电压信号的峰值生成，由此减小转速脉动。此外，旋转变压器的激励输入信号可与逆变器切换频率同步，并可基于逆变器的切换频率是否可以为固定的或可变的，允许激励输入信号的频率固定或可变，由此维持减小转速脉动。另外，减小转速脉动可通过调整旋转变压器的激励输入信号实现，这可减小扭矩脉动。由此，NVH生成、售后服务成本和电流脉动可减小，并由此提高驱动电动机的效率。

附图说明

本公开的上面的和其他的目标、特征和其他优点从以下结合附图的详述描述中更清晰地理解，在附图中：

图1是示出根据现有技术的用于计算驱动电动机转速的旋转变压器系统的配置的示例性示意图；

图2是根据现有技术的在旋转变压器信号处理电路中的噪声生成的示例性图解；

图3是示出根据本发明示例性实施例的用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统的示例性示意图；

图4是示出根据本发明示例性实施例的逆变器的结构的示例性示意图；

图5是示出根据本发明示例性实施例的做出调整以防止旋转变压器的激励电压的峰值和逆变器切换频率同时发生的示例图；

图6是示出根据本发明示例性实施例的将逆变器停滞期与激励输入信号的峰值同步的方法的示例图；

图7是示出根据本发明示例性实施例的可变的逆变器切换频率的示例图；

图8A和图8B是示出根据本发明示例性实施例的随着可变逆变器切换频率而变化的可变激励电压信号频率的示例图；

图9是示意性示出根据本发明示例性实施例的用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的方法的示例性流程图；以及

图10和图11是示出通过施加激励输入信号而生成的旋转变压器输出电压信号的测量值和电动机转速的实际测量值的示例图，这些测量值是在本发明和现有技术之间比较的结果。

符号描述

100：用于减小驱动电动机的转速脉动的系统

110：电池

120：逆变器

130：驱动电动机

140：旋转变压器

150：信号发生器

151：微控制器

152：积分器

160：电动机控制器

具体实施方式

在以下详述中，仅本发明的某些示例性实施例简单的以示例性方式被示出并描述。如本领域技术人员应认识到的，所描述的示例性实施例可以以各种不同方式修改，所有修改都不背离本发明的精神或范围。因此，附图和描述被认为在性质上是说明性而不是限制性的。相同的附图标记在整个说明书中指代相同的要素。

本文使用的术语仅出于说明具体实施方式的目的，而不意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”、“该”也意在包括复数形式，除非上下文中另外明确指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有结合。例如，为使本发明的描述清楚，不示出不相关的部分，并且层和区域的厚度为清晰被放大。此外，当陈述一个层“在另一个层或基板上”时，该层可直接在另一个层或基板上，或第三层可布置在其间。

除非特别说明或从上下文中是显而易见的，如本文所用，术语“约”应理解为本领域中一个正常容差的范围，例如在平均值的2个标准差之内。“约”可以理解为在规定值的10％，9％，8％，7％，6％，5％，4％，3％，2％，1％，0.5％，0.1％，0.05％或0.01％内。除非在上下文中明确规定，否则本文提供的所有数值都被术语“约”修饰。

应该理解的是，本文中使用的术语“车辆”、“车辆的”或其他类似术语包括一般的机动车辆，比如包含多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商业车辆的客运汽车、包括各种轮船和舰船的船只、飞机等，还包括混合动力车、电动车、插电式混合动力电动车、氢动力车和其它替代燃料车辆(例如，燃料是从非石油资源中提炼出来的)。如本文所述，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如同时具有汽油动力和电动力的车辆。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性进程，可以理解的是，上述示例性进程也可以由一个或多个模块执行。此外，应该理解的是，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。上述存储器被配置成存储该模块，以及处理器专门配置成执行该模块以实现其在下面进一步描述的一个或多个进程。

此外，本发明的控制逻辑可被实施为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的例子包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可以分布在网络耦接的计算机系统上，这样可以通过分布式方式例如通过远程服务器或控制器局域网络(CAN)存储和执行计算机可读介质。

图3是用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统的示例性实施例。参考图3，用于减小电动车辆的驱动电动机转速脉动的系统100可包括电池110、逆变器120、驱动电动机130、旋转变压器140、信号发生器150和电动机控制器160。电池110可以是用作电源的高压电池，并可配置成供应从外部充电的电能。逆变器120可配置成通过逆变器切换将从电池110供应的直流(DC)电转变成三相交流(AC)电，并可配置成将电力供应到驱动电动机130。控制器可配置成操作系统的其他各种部件。

图4是示出根据示例性实施例的逆变器的结构的示例性示意图。参考图4，逆变器120可包括可配置成将电池110的DC电转变成AC电的多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。逆变器120可执行逆变器切换操作以防止布置在上部的上开关和布置在下部的下开关同时接通和断开。驱动电动机130可配置成通过由从逆变器120供应的三相交流电驱动来生成扭矩。

旋转变压器140可配置成检测驱动电动机130的驱动转速和转子的位置(例如角度信息)，并然后发送反馈信息至电动机控制器160。特别地，可提供驱动转速和关于转子的位置信息以使得用于电动车辆操作的多个控制器能够参考该信息。信号发生器150可包括可配置成生成方波信号的微控制器151，以及可配置成如图8所示将方波信号转变成正弦波的积分器152。信号发生器150可配置成施加正弦波激励输入信号至旋转变压器140的激励输入端子中。

电动机控制器160可配置成通过逆变器120的切换控制，操作可与驱动扭矩、驱动转速和再生制动扭矩等相关联的驱动电动机130的所有操作。电动机控制器160可配置成在使用旋转变压器140估算转速时，采样数据诸如激励电压信号的正弦波峰值(例如最高点)，并可使用采样数据用于转速计算。即，输入激励电压信号和输出电压信号的峰值可包含最小噪声，以准确计算驱动电动机的转速和位置。然而，当逆变器切换时间和激励电压信号同步时，可发生过大的转速脉动。因此，电动机控制器160可配置成调整激励输入信号的频率以防止逆变器切换时间和被采样用于转速计算的输出电压信号的峰值重叠。

图5是图解根据示例性实施例可做出调整以防止旋转变压器激励电压的峰值和逆变器切换频率同时发生的示例性图表。参考图5，电动机控制器160可配置成操作信号发生器150以防止逆变器切换时间与激励输入信号和输出电压信号的峰值重叠。

特别地，电动机控制器160可配置成监控逆变器切换频率并施加与逆变器切换频率大约相同的频率的激励输入信号，并可做出调整以防止逆变器切换时间与激励电压的峰值重叠。然后，可防止由于逆变器切换的噪声在施加到旋转变压器140的激励输入信号的峰值处生成。因此，最小噪声可在输出电压信号的峰值处生成。另外，当转速估算使用旋转变压器140时，从输出电压信号检测到的峰值可被采样，并可用来防止由逆变器切换噪声导致的转速脉动的发生。即，如图5所示，尽管激励输入信号的噪声生成部分可发生在除峰值之外的其他部分，但输出电压信号的除峰值之外的噪声生成部分不可使用，由此引起最小转速脉动。

图6是示出根据示例性实施例的将逆变器的停滞期与激励输入信号的峰值同步的方法的示例图。参考图6，逆变器120可包括防止上开关和下开关同时接通和断开的无切换时期(例如“停滞期”)。

电动机控制器160可配置成调整激励电压信号的峰值以使该峰值位于停滞期内。例如，逆变器切换不在停滞期内发生，因此由逆变器切换导致的噪声可不在激励电压信号的峰值处生成。即，电动机控制器160可配置成做出调整以确保激励电压信号的峰值位于逆变器切换的停滞期内，并将峰值与逆变器切换频率同步。因此，最小噪声可在位于停滞期的激励输入信号的峰值处生成。因此，最小噪声也可在输出电压信号的峰值生成，由此防止由逆变器切换噪声导致的转速脉动。

图7是示出根据示例性实施例的可变的逆变器切换频率的示例图。参考图7，当电动车辆行驶时，逆变器切换频率可基于电动机扭矩或电动机转速而变化。根据前述示例性实施例，当逆变器120的切换频率持续地恒定时，通过使用恒定的激励电压信号频率，可控制激励电压信号的峰值在逆变器切换的停滞期内发生。因此可减小转速脉动。此外，降低逆变器120的切换频率可改善效率。用于降低切换频率的可变逆变器切换频率方法可在车辆低速驾驶期间使用。即，电动机控制器160可配置成执行激励输入信号变化调整，该调整可通过激励输入信号的频率进行控制，其中该激励输入信号的频率的变化可与逆变器切换频率的变化同步。

图8是根据示例性实施例的随着可变逆变器切换频率而变化的可变激励电压信号频率的示例图。参考图8，在图8A中信号发生器150可配置成使用固定频率输出固定的激励输入信号，并且在图8B中使用可变频率输出可变的激励输入信号。

参考图8A，当逆变器120的切换频率固定时，电动机控制器160可配置成通过信号发生器150的微控制器151生成固定频率的方波。电动机控制160可配置成将方波转变成正弦波，并生成固定的正弦波激励输入信号，且施加该输入信号至旋转变压器140。

参考图8B，当电动机控制器160监控逆变器的切换频率并表明逆变器120的切换频率可变时，可通过信号发生器150的微控制器151生成与可变切换频率大约相同的频率的方波。此外，方波可通过积分器152转变成正弦波，并可生成可变正弦波激励输入信号，且施加该输入信号至旋转变压器140。即，电动机控制器160可配置成通过将可随着车辆驱动状况变化的逆变器切换频率与激励输入信号的频率同步，并使得激励电压信号的峰值在逆变器切换的停滞期内发生，来减小转速脉动。

基于用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统100的上述配置，参考图9描述根据示例性实施例的用于减小电动车辆的驱动电动机转速脉动的方法。图9示出根据示例性实施例的用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的方法的示例性流程图。参考图9，当电动车辆处在通电状态时，电动机控制器160可配置成监控驱动电动机130的逆变器切换S101。当逆变器120的逆变器切换频率固定时S102，如图8A所示，电动机控制器160可配置成通过信号发生器150生成与固定逆变器切换频率同步的固定方波S103。

相反，当逆变器120的逆变器切换频率可变时S102，如图8B所示，电动机控制器160可配置成通过信号发生器150生成与可变逆变器切换频率同步的可变方波S104。因此，电动机控制器160可配置成做出调整以防止固定的或可变的逆变器切换频率时间与激励输入信号的峰值重叠S105。特别地，电动机控制器160可配置成通过做出频率调整来生成激励输入信号，使得激励输入信号的峰值在逆变器切换的停滞期内发生S106。

电动机控制器160可配置成施加激励输入信号至旋转变压器140S107，并且当对应的旋转变压器输出电压信号生成时S108，采样输出电压信号的峰值以用于转速计算S109。即，通过调整激励输入信号，采样的输出电压信号的峰值不与逆变器切换时间重叠，并因此生成最小噪声。电动机控制器160可配置成使用采样的输出电压信号的峰值来计算转速S110，其无逆变器切换噪声。此外，尽管未在附图中示出，但电动机控制器160可配置成持续监控逆变器的切换操作，并将激励电压信号与对应的固定或可变的逆变器切换频率同步，以防止峰值与逆变器切换时间重叠。

图10和图11是示出通过施加激励输入信号而生成的旋转变压器输出电压信号的测量值和电动机转速的实际测量值的示例图，这些测量值是在本发明和现有技术之间比较的结果首先，在图10所示的现有技术中，当激励输入信号和逆变器切换时间重叠时，旋转变压器输出电压信号的峰值和逆变器切换时间也重叠，由此生成噪声。在电动机转速中的过大的转速脉动可通过使用采样的峰值来计算。

然而，如图11所示，当根据本发明可做出调整使得激励输入信号不与逆变器切换时间重叠时，旋转变压器输出电压的峰值和逆变器切换时间不重叠，由此在峰值生成最小噪声。因此，可使用采样的峰值来计算在电动机转速中的转速脉动的减小。即，尽管在旋转变压器输出电压内存在噪声，但噪声不在输出电压信号的峰值存在，并因此不采样峰值，因此对转速脉动没有影响。

根据示例性实施例，可做出调整以防止旋转变压器激励输入信号的峰值与逆变器切换频率同时发生。另外，可防止噪声在旋转变压器输出电压信号的峰值生成，由此减小转速脉动。此外，旋转变压器激励输入信号可与逆变器切换频率同步。基于逆变器切换频率是否为固定的或可变的，控制激励输入信号的频率固定或可变，由此维持减小转速脉动。即，减小转速脉动可通过调整旋转变压器激励输入信号实现，这可减小扭矩脉动。该减小可以减少NVH生成和售后服务成本并减小电流脉动，并可实现提高驱动电动机的效率。

本发明的示例性实施例不仅通过装置和/或方法实施，而且可通过用于实现与本发明的示例性实施例的配置对应的功能的程序与具有记录在其上的该程序的记录介质来实施。此类实施方式可由本发明所属领域的技术人员从上面描述的示例性实施例中容易地实现。

尽管本发明已结合目前被认为是可实践的示例性实施例进行了描述，但应理解本发明不限于所公开的实施例，而是相反的旨在覆盖包括在所附权利要求书的精神和保护范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种用于减小电动车辆的驱动电动机的转速脉动的系统，其包括：

逆变器，其配置成通过逆变器切换将从电池供应的直流电转变成交流电，并配置成向所述驱动电动机供应交流电；

旋转变压器，其配置成检测所述驱动电动机的转速和转子的位置；

信号发生器，其包括配置成生成方波信号的微控制器和配置成将方波转变成正弦波的积分器，并且所述积分器配置成施加正弦波激励输入信号到所述旋转变压器；以及

电动机控制器，其配置成调整所述激励输入信号的频率，以防止所述逆变器的逆变器切换频率和用于转速计算而采样的输出电压信号的峰值重叠。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电动机控制器配置成监控所述逆变器切换频率，并且施加与所述逆变器切换频率大约相同的频率的激励输入信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电动机控制器配置成当使用所述旋转变压器计算所述驱动电动机的转速时，选择从输出电压信号检测到的峰值。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述逆变器具有不发生所述逆变器切换的停滞期，以防止上开关和下开关同时接通和断开。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述电动机控制器配置成将所述激励电压信号的峰值调整到不发生逆变器切换的所述停滞期内。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述电动机控制器配置成执行激励输入信号变化调整，通过所述激励输入信号变化调整，所述激励输入信号的频率的变化与所述逆变器切换频率的变化同步。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述信号发生器配置成生成与可变切换频率大约相同频率的正弦波，以及生成可变激励输入信号，并且将所述可变激励输入信号施加到所述旋转变压器。

8.一种用于减小电动车辆的驱动电动机转速脉动的方法，所述方法包括以下步骤：

由处理器在所述电动车辆的驱动电动机的操作点监控逆变器切换；

当所述逆变器切换频率固定时，由所述处理器通过信号发生器生成与所述固定的逆变器切换频率同步的固定方波；以及

当所述逆变器切换频率可变时，由所述处理器通过信号发生器生成与所述可变的逆变器切换频率同步的可变方波；以及

由所述处理器将固定的或可变的方波转变成正弦波，生成激励输入信号，并且调整所述逆变器切换时间和所述激励输入信号的峰值以防止重叠。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在不发生逆变器切换频率的停滞期，频率调整发生以及所述激励输入信号的峰值发生。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

通过施加激励输入信号到所述旋转变压器来生成输出电压信号；

采样所述输出电压信号的峰值以用于转速计算；以及

使用所述采样的输出电压信号的峰值来计算转速。