CN107819423A - 基于马达工作点的伪随机脉冲宽度调制变化 - Google Patents

Abstract

一种车辆的电力驱动器使用逆变器电路，该逆变器电路配置为根据PWM驱动信号向电机提供多相AC驱动信号。PWM控制器监控电力驱动器的工作点，并且被配置为响应于所监控的工作点从多个预定区域识别电力驱动器的工作区域。序列存储器存储多个序列，每个序列针对各自的一个预定区域进行优化，以降低可听噪声和转换损耗。PWM控制器根据对应于所识别的工作区域的各自序列来产生PWM驱动信号。因此，基于马达的扭矩和/或速度来优化可听噪声和转换损耗的降低。

Description

基于马达工作点的伪随机脉冲宽度调制变化

技术领域

本发明大体涉及包括用于电动车辆的电力驱动系统的逆变器的电源转换器，并且更具体地，涉及减少与电力驱动系统相关联的噪声和振动的脉冲宽度调制信号的变化序列。

背景技术

诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)的电动车辆使用变频驱动电机以提供牵引扭矩。典型的电力驱动系统包括通过接触器开关连接到可变电压转换器(VVC)的DC(直流)电源(例如电池组或燃料电池)，以调节主DC链路电容器两端的主总线电压。逆变器连接在用于DC链路的主总线和牵引马达之间，以便将DC电源转换为连接到马达绕阻的AC(交流)信号以推进车辆。

逆变器包括晶体管开关装置(例如绝缘栅双极晶体管，IGBT)，该晶体管开关装置以具有多个相桥的桥配置连接。典型的配置包括由逆变器驱动的具有三相桥的三相马达。电子控制器打开和关闭开关，以便将DC电压从总线转换为施加到马达的AC电压。响应于包括电机的旋转位置(用于确定速度)和各相中的电流(用于确定扭矩产生)的各种感测条件来控制逆变器。

用于马达的逆变器可以优选地脉冲宽度调制DC链路电压，以便传输正弦电流输出的近似值，从而以期望的速度和扭矩来驱动马达。根据需要打开和关闭施加到IGBT的栅极的脉冲宽度调制(PWM)控制信号，使得所得到的电流与期望的电流匹配。为了获得期望的正弦输出电压，栅极控制信号由载波信号调制以产生一系列脉冲，这一系列脉冲使得逆变器开关受制于占空比而打开和关闭，占空比是通过将马达的输出与期望的输出进行比较得出的。载波信号处于高于传送到马达的正弦信号的频率的频率，以便可以精确地控制逆变器输出。在可接受的载波频率的范围内，使用较低的频率与减少逆变器中的转换损耗有关。然而，在可听频谱内的频率转换可能会产生令人不愉快的高音调呜呜声和口哨声，这会使车辆的操作员和乘客恼怒。因此，一些降低可听见噪声的尝试依赖于可听频谱以上的载波频率，但这些都导致更高的转换损耗。

Miller等人的标题为“噪声、振动和粗糙性(NVH)的PWM频率模式优化”的美国专利8,907,604公开了PWM载波频率的伪随机变化，以最佳地传播PWM能量并且降低可听见的噪声。在多个载波频率之间传播噪声能量实现了足够的噪声降低，以允许载波频率位于可听频率的范围内，从而可以避免与较高频率相关联的转换损耗的增加。然而，如果可能，将期望提供噪声和转换损耗的进一步优化。

发明内容

如现有技术中的伪随机序列的使用在可变操作条件下提供了不一致的性能，因为电力驱动系统的声学特性和行为根据车辆工作点而变化(例如，由驱动器的扭矩、速度和电压限定)。本发明使用预定的多个PWM算法序列，使得每个序列优化在不同工作点或者工作点范围(即，区域)处的声学行为。序列是指对PWM算法修改的顺序排列或模式。这些修改可以包括但不限于载波频率的变化和转换波形中共模电压分量的变化。可以基于声学和/或转换损耗性能的建模或者通过其他优化方法从较大的伪随机生成序列集中选择序列。

一方面，本发明提供了一种用于车辆的电力驱动器，该电力驱动器包括配置为根据PWM驱动信号向电机提供多相AC驱动信号的逆变器电路。PWM控制器监控电力驱动器的工作点，并且被配置为响应于所监控的工作点而从多个预定区域识别电力驱动器的工作区域。序列存储器存储多个序列，每个序列针对各自的一个预定区域进行优化，以减少可听噪声和转换损耗。PWM控制器根据与所识别的工作区域相应的各自序列产生PWM驱动信号。

根据本发明，提供一种产生连接到电动车辆中的电机的逆变器电路的PWM驱动信号的方法，包括以下步骤：

监控电力驱动器的工作点；

响应于所监控的工作点，从多个预定区域识别电力驱动器的工作区域；

从多个存储的序列中选择序列，其中选择的序列针对所识别的工作区域进行优化，以降低可听噪声或转换损耗；

遵循所选择的序列生成PWM驱动信号，直到所监控的工作点对应于不同的工作区域。

在本发明的一个实施例中，监控工作点包括监控在电机中流动的电流并且响应于所监控的电流确定由电机产生的扭矩。

在本发明的一个实施例中，监控工作点包括监控电机的旋转并且响应于所监控的速度确定电机的转速。

在本发明的一个实施例中，监控工作点包括监控在电机中流动的电流，响应于所监控的电流确定由电机产生的扭矩，监控电机的旋转，以及响应于所监控的速度确定电机的转速。

在本发明的一个实施例中，每个序列包括PWM驱动信号的载波频率的相应变化。

在本发明的一个实施例中，每个序列包括在预定载波频率之间转换的预定伪随机模式。

在本发明的一个实施例中，每个序列包括PWM驱动信号的共模电压的相应变化。

在本发明的一个实施例中，方法进一步包括以下步骤：

启动高效率模式；和

在高效率模式期间产生没有多个序列的PWM驱动信号，而不考虑降低可听噪声。

根据本发明，提供一种电动车辆，包括：

马达；

将DC电压转换成使马达通电的AC电压的逆变桥；

控制器，控制器通过PWM驱动信号转换桥，其中控制器根据基于马达工作区域选择的多个预定序列中的相应一个序列改变驱动信号的载波频率，其中每个序列伪随机地改变载波频率以优化由马达产生的可听噪声。

在本发明的一个实施例中，马达工作区域根据由马达传递的扭矩和马达的转速来限定。

在本发明的一个实施例中，每个序列伪随机地改变在每个可听频谱内的两个预定频率之间的载波频率。

在本发明的一个实施例中，每个序列伪随机地改变在每个可听频谱内的三个预定频率之间的载波频率。

附图说明

图1是示出了根据本发明的一个实施例的电动车辆的动力传动系统的示意框图；

图2是示出了根据载波信号和占空比产生PWM栅极信号的波形图；

图3是示出了现有技术使用的独立于马达工作点操作的一个伪随机噪声降低序列的框图；

图4是现有技术序列的图示；

图5是示出了根据图4的序列的载波信号的波形图；

图6是示出了本发明的一个优选实施例的框图，其中使用马达工作点来选择用于修改PWM驱动信号的对应序列；

图7是示出了本发明的一个优选方法的流程图；

图8是表示基于马达速度的一维工作区域的表；

图9是表示基于马达速度和扭矩的二维工作区域的曲线图；

图10-12是表示载波频率变化的各个序列的曲线图；

图13是示出了本发明的替代实施例的流程图；

图14是示出了修改PWM驱动信号的共模电压的波形图；

图15-17是表示共模电压变化的各个序列的曲线图。

具体实施方式

图1示出了作为实现本发明的PWM变化的一种类型的车辆的混合动力电动车辆10。车轮11可以通过变速器14由内燃机12和/或由牵引马达13驱动。为了提供电力推进，马达13可以通过逆变器开关桥15来驱动，逆变器开关桥15在DC链路电容器16处接收DC链路电压。DC链路电压可以是由本领域已知的由转换器18转换来自电池组17的DC电力产生的。

逆变器15包括连接到马达相绕阻23、24和25的相桥20、21和22。相桥20具有上部开关装置26和下部开关装置27，该上部开关装置26和下部开关装置27串联连接在DC链路16两端并且在装置26和27之间提供连接到马达13的绕阻23的结点28。类似地，相桥21具有上部开关装置30和下部开关装置31，而相桥22具有上部开关装置32和下部开关装置33。结点34和35分别连接到马达绕阻24和25。

开关装置可以由IGBT、反并联二极管、宽带隙场效应晶体管(Field EffectTransistor，FET)或其他装置组成。上部和下部开关装置中的每一个具有连接到控制器38中的驱动器37的各自的栅极端子。连接到相桥的每个结点的电流传感器40测量通过每个相绕阻的电流。测量的电流强度从传感器40提供到控制器38中的逻辑电路41，以用于确定PWM开关信号将由驱动器37施加到开关装置。如本领域已知的，可以将所测量的电流与根据可以从操作者输入(诸如加速器踏板)得到的扭矩需求42确定的期望的马达电流进行比较，使得操作者可以控制车辆速度。因此，电流反馈确定逻辑电路41内的PWM占空比，然后用于产生相桥开关装置的PWM开关信号的定时。

图2示出了在可听频谱中以频率(例如，大约5kHz)产生为三角波形的PWM载波信号45。所选的频率高于马达的旋转频率。响应于检测到的电流和目标电流(表示扭矩)之间的任何误差而产生PWM占空比信号46。将占空比46与PWM载波信号45进行比较，以产生用于一个相桥的PWM驱动信号47和48(在死区时间插入和其它已知的调整之前)。以相同的方式获得用于其他相桥的PWM驱动信号。

图3示出了在Miller等人的美国专利8,907,604中公开的更详细的逆变器系统的类型，其中PWM控制器根据修改序列来修改PWM驱动信号(即，施加到逆变器开关的栅极的开关信号)。修改序列由用于转换逆变器开关的两个不同载波频率之间交替的伪随机模式组成。因此，控制器38包括电流/电压控制器50，控制器50监控电流和/或马达位置/速度以确定用于PWM开关的适当占空比，并且产生相应的马达相位信号，该马达相位信号在PWM控制器51中连接到比较器53。可变频率载波信号从振荡器52连接到比较器53。为了将由PWM控制器51发送到逆变器桥15的产生的PWM驱动信号配置为使得来自马达13的可听噪声和振动被降低或优化，使用来自序列存储器54的序列来控制来自振荡器52的输出频率。在图4中示出了示例序列，其中载波信号的周期在周期P1和周期P2(例如，各自约为0.29毫秒和约为0.15毫秒)之间交替。在载波信号的每个周期结束时，该周期可以可能地被改变。示例序列具有6个载波周期的长度，并且此后相同的序列被无限期地重复。图5示出了遵循预定的伪随机序列的载波信号，使得载波信号的周期对应于在第一、第二、第三和第五周期期间的周期P1，并且对应于在第四和第六周期期间的周期P2。

在现有技术中，使用马达/控制器建模技术预先设计序列，该技术通常在马达的所有操作条件下降低可听噪声。然而，声学特性可以在不同的速度、扭矩和电源电压组合中变化，使得单个序列尚未实现在降低噪声或者转换损耗减少方面的完全优化。

为了提高噪声降低和开关效率的总体优化，本发明根据马达的工作点利用多个序列来改变PWM驱动信号特性。如图6中所示，PWM控制器38的另一实施例响应于电机的一个或多个条件来监控工作点。条件可以包括：1)来自电流传感器的马达电流信号，该电流传感器测量在电机中流动的电流作为扭矩的量度，2)来自监控旋转的旋转传感器的马达位置信号，该信号作为速度的量度，和/或3)将诸如DC链路电压的输入电压V_in施加到逆变器桥。扭矩计算器55根据本领域已知的电流传感器信号确定瞬时扭矩。来自框55的计算扭矩被提供给用于识别工作点的序列控制器56。在加法器57中，瞬时扭矩也与用户所需求的扭矩信号(例如，来自加速器踏板)进行比较。计算的扭矩和所需扭矩指令之间的差异被输入到占空比框58，该占空比框如本领域已知的确定占空比值。占空比信号连接到比较器59的同相输入端。

马达位置信号输入到速度计算器框60，并且所计算的速度与输入电压V_in一起连接到序列控制器56，用于识别电力驱动器的工作点。

序列控制器56使用计算的扭矩、计算的速度和输入电压中的一个或多个来识别瞬时工作点。然后选择瞬时工作点落入的工作区域。序列存储器61包括多个存储的序列，其中每个序列针对各自的一个工作区域进行优化，使得相应的预定序列优化落入检测到的工作区域内的工作点的可听噪声和转换损耗。在一个实施例中，所选择的序列由序列控制器56用作控制振荡器62的操作，由此连接到比较器59的反相输入的PWM载波信号的产生频率遵循由所选择的序列指定的模式。比较器59的输出端连接到PWM框63，用于以如本领域已知的适当的方式(例如，包括插入死区时间以避免直通)来确定提供给每个逆变器相桥的驱动器的特定驱动信号的定时。

除了或代替使用修改载波频率的序列之外，序列控制器56可以进一步连接到PWM框63，以使用适于以这样的方式改变PWM驱动信号中的共模电压的序列，即，改变(例如，扩散)可听噪声，而不会影响输入到电机的所产生的相位电流。

图7示出了可以由图6中的系统实现的总体方法的一个实施例。在步骤65中收集各种输入以确定电力驱动器的工作点。在步骤66中，确定对应于收集的输入的工作区域。基于确定的工作区域，在步骤67中设置相应的序列。通过使用足够数量的工作区域，可以在每个工作区域内获得有效的优化，同时避免控制器的过度加载或者大存储器存储要求。

如图8中所示，工作区域可以仅使用一个维度来指定，例如速度。因此，当速度处在从零到速度S1的范围内时，然后检测到区域#1。示出了增量速度范围与工作区#2和#3相对应，并且可以使用相应的预定序列分别优化每个工作范围内的电力驱动器的性能。可以经验地通过随机生成用于特定工作范围的多个序列并且然后测量由每个可能的序列产生的实际噪声产生和转换损耗以便找到具有针对相应工作区域的最佳性能的序列来获得序列。也可以单独或与经验测试相结合采用系统建模来确定工作范围的最佳序列。

工作区域也可以二维地或三维地限定。在图9中示出了工作区域的二维布置，其中根据多个区域1-11分割了速度和扭矩范围。

在图10-12中示出了用于改变载波频率的示例序列。序列76和77各自示出具有三个可能的频率载波频率值。伪随机序列可以具有任何适当的长度。示出了具有一系列10要素的序列长度，由此该要素在载波信号的每第10个波长之后重复。在图12中，示出了仅具有两个可能频率值的序列78。

可以选择使用载波频率的变化，以允许使用降低转换损耗的较低载波频率，但是在噪声降低和转换损耗之间仍然存在折衷。在某些情况下，例如当尝试使电动车辆的行驶范围最大化时(例如，当剩余电池电量低时)，以高效率模式来操作车辆可能变的很有必要，该高效率模式优先考虑效率超过噪音降低。因此，主车辆控制器可以自动地或响应于操作者命令来启动高效率模式。然后可以向各种系统报告高效率模式的触发，以用于调节其操作以提高效率。如图13中所示，本发明的另一实施例结合了高效率模式。在步骤70中，收集各种输入。在步骤71中执行检查以确定高效率模式是否有效。如果是这样，则在步骤72中采用最佳载波频率策略，最佳载波频率策略使用最有利的载波频率来减少转换损耗(例如，低频率)。如果不是在高效率模式中，则在步骤74中确定工作区域，并且在步骤75中设置相应的序列。在任何一种情况下，该方法的子程序在步骤73处结束，并且在车辆操作期间不断地重新调用该过程。

图14示出了共模电压的变化。三相PWM电压80、81和82的原始、未更改版本在图的顶部分别示出为相位A、B和C。通过在PWM电压83、84和85所示的每个相位的开关点的开始和结束处插入零序列86，共模电压被修改而不改变电机的扭矩产生。改变PWM共模电压的效果类似于PWM载波频率的变化，因为可听噪声谱扩展并且变得不太令人反感。如图15-17所示，操纵所添加的零序列86的大小以产生伪随机共模电压序列90、91和92。

Claims (16)

1.一种车辆的电力驱动器，包括：

逆变器电路，所述逆变器电路配置为根据PWM驱动信号向电机提供多相AC驱动信号；

PWM控制器，所述PWM控制器监控所述电力驱动器的工作点，并且所述PWM控制器配置为响应于所监控的所述工作点而从多个预定区域识别所述电力驱动器的工作区域；和

存储多个序列的序列存储器，每个序列针对各自的一个所述预定区域进行优化，以减少可听噪声和转换损耗；

其中所述PWM控制器根据对应于所识别的所述工作区域的各自序列产生所述PWM驱动信号。

2.根据权利要求1所述的电力驱动器，进一步包括：

电流传感器，所述电流传感器监控所述电机中流动的电流，作为由所述电机产生的扭矩的量度；

其中所述工作点包括所测量的所述扭矩。

3.根据权利要求1所述的电力驱动器，进一步包括：

旋转传感器，所述旋转传感器监控所述电机旋转，作为所述电机转速的量度；

其中所述工作点包括所测量的所述速度。

4.根据权利要求1所述的电力驱动器，进一步包括：

电流传感器，所述电流传感器监控所述电机中流动的电流，作为由所述电机产生的扭矩的量度；和

旋转传感器，所述旋转传感器监控所述电机旋转，作为所述电机转速的量度；

其中所述工作点包括所测量的所述扭矩和所测量的所述速度。

5.根据权利要求1所述的电力驱动器，其中每个序列包括所述PWM驱动信号的载波频率的相应变化。

6.根据权利要求5所述的电力驱动器，其中每个序列包括在预定载波频率之间转换的预定伪随机模式。

7.根据权利要求1所述的电力驱动器，其中每个序列包括所述PWM驱动信号的共模电压的相应变化。

8.根据权利要求1所述的电力驱动器，其中所述PWM控制器配置为检测高效率模式，并且其中所述PWM控制器在所述高效率模式期间产生没有多个所述序列的所述PWM驱动信号，而不考虑降低可听噪声。

9.一种产生连接到电动车辆中的电机的逆变器电路的PWM驱动信号的方法，包括以下步骤：

监控电力驱动器的工作点；

响应于所监控的所述工作点，从多个预定区域识别所述电力驱动器的工作区域；

从多个存储的序列中选择序列，其中选择的所述序列针对所识别的工作区域进行优化，以降低可听噪声或转换损耗；

遵循所选择的所述序列生成所述PWM驱动信号，直到所监控的所述工作点对应于不同的工作区域。

10.根据权利要求9所述的方法，其中监控所述工作点包括监控在所述电机中流动的电流并且响应于所监控的所述电流确定由所述电机产生的扭矩。

11.根据权利要求9所述的方法，其中监控所述工作点包括监控所述电机的旋转并且响应于所监控的速度确定所述电机的转速。

12.根据权利要求9所述的方法，其中每个序列包括所述PWM驱动信号的载波频率的相应变化。

13.根据权利要求12所述的方法，其中每个序列包括在预定载波频率之间转换的预定伪随机模式。

14.根据权利要求9所述的方法，其中每个序列包括所述PWM驱动信号的共模电压的相应变化。

15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：

启动高效率模式；和

在所述高效率模式期间产生没有多个所述序列的所述PWM驱动信号，而不考虑降低可听噪声。

16.一种电动车辆，包括：

马达；

将DC电压转换成使所述马达通电的AC电压的逆变桥；

控制器，所述控制器通过PWM驱动信号转换所述桥，其中所述控制器根据基于马达工作区域选择的多个预定序列中的相应一个序列改变所述驱动信号的载波频率，其中每个序列伪随机地改变所述载波频率以优化由所述马达产生的可听噪声。