DE102013201538A1

DE102013201538A1 - PWM-Frequenzrasteroptimierung für NVH

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Publication number: DE102013201538A1
Application number: DE102013201538A
Authority: DE
Inventors: Jami J. Miller; Michael W. Degner; Scott Xiong Yu; William C. Reynolds
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US20130200828A1; CN103248215A; US8907604B2; CN103248215B

Abstract

Ein optimiertes pseudozufälliges Periodenraster kann hörbare Geräusche in einem System reduzieren, das eine Wechselrichterschaltung aufweist, die konfiguriert ist, einer Elektromaschine Energie bereitzustellen. Ein System kann ein PWM-Optimierungsmodul (POM), umfassend das PPP einschließen. Eine Trägerperiode für ein Trägersignal, das verwendet wird, um PWM-Wechselrichterantriebssignale bereitzustellen, kann gemäß dem PPP ausgewählt werden. Das PPP kann als Array von 200 bis 400 Elementen ausgedrückt werden, wobei jedes Element eine Periode aufweist, die zu einem endlichen Satz von zwei oder mehreren vorbestimmten Perioden gehört. Eine Periode kann nach einem Index des Arrays ausgewählt werden und der Index erhöht werden, um das PPP zu durchlaufen, was nach Abschluss davon wiederholt werden kann. Das PPP kann optimiert werden, um Störgeräusche zu reduzieren und gleichzeitig Wechselrichterverluste abzuschwächen. Modelliertechniken können die Anzahl von Arrayelementen, die Anzahl von möglichen Perioden und Periodenwerte, welche das PPP optimieren, ermitteln.

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen leistungselektronische Wechselrichtersysteme und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Reduzieren von unerwünschten Nebengeräuschen (Noise, Vibration, Harshness = NVH), die mit einer Elektromaschine für ein Fahrzeug in Zusammenhang stehen.
Elektrische und hybride elektrische Fahrzeuge können Strom zum Antrieb mithilfe eines elektrischen Antriebssystem einsetzen und weisen eine Stromschaltung auf, zum Beispiel einen Leistungselektronik-Wechselrichter, der mit einer Elektromaschine verbunden ist. In dieser Anordnung kann die Stromschaltung die Übertragung von Strom zwischen einer Stromquelle und der Elektromaschine zum Antreiben einer Last steuern, wie zum Beispiel einer Fahrzeughinterachse. Für eine dreiphasige Wechselstrom-Elektromaschine kann die Stromschaltung einen Wechselrichter mit drei Phasenstellern einschließen, wobei jeder Steller Schalter umfasst, die einzeln gesteuert werden können, um den gewünschten Wechselrichterausgang bereitzustellen. Zum Beispiel können Antriebssignale, die eine Gleichung eines Elektromaschinen-Drehmomentbedarfs sind, dem Wechselrichter von einer Wechselrichtersteuerung bereitgestellt werden. Pulsweitenmodulationssignale (PWM-Signale) werden oftmals als Antriebssignale für einen Wechselrichter verwendet. Die gewünschten Grundspannungsbefehle können von einem Trägersignal moduliert werden, um eine Serie von Impulsen zu erzeugen, die den Wechselrichter ein- und ausschalten, um die gewünschten Spannungen auf den Spulen einer mehrphasigen Elektromaschine zu erzeugen. Das Einsetzen von niedrigeren Schaltfrequenzen kann die Schaltverluste in dem Wechselrichter reduzieren. Das Schalten zu Frequenzen im hörbaren Bereich kann jedoch unangenehm hohe jaulende und heulende Nebengeräusche erzeugen, die Automobilbediener und Mitfahrer irritieren.
Bemühungen zum Reduzieren der hörbaren Elektromaschinen-Nebengeräusche beruhen häufig auf der Verwendung von Trägerfrequenzen, die höher sind als der hörbare Bereich eines typischen menschlichen Gehörs. Zum Beispiel offenbart die US-Patentanmeldung Nr. US 20090115362 , eingereicht von Subrata Saha et al. für Aisin AW Company Limited, die am 7. Mai 2009 veröffentlicht wurde, eine Strategie zum Unterdrücken von Seitenbandrauschen durch Schalten von einem Niederfrequenzträgermodus (5 kHz) in einen Hochfrequenzträgermodus (7,5 kHz) unter vorbestimmten Zieldrehoment- und Drehzahlbedingungen sowie das Zurückschalten in den Niederfrequenzmodus, wenn andere vorbestimmten Zieldrehmoment- und Drehzahlbedingungen vorliegen. Während der Einsatz einer Trägerfrequenz von 7,5 kHz die Schaltfrequenz zu dem oberen Ende des hörbaren Bereichs verschieben kann, in dem das menschliche Ohr weniger empfindlich ist, kann die höhere Schaltfrequenz zu höheren Schaltverlusten führen, welche die Kraftstoffeffizienz für ein elektrisches oder hybrides elektrisches Fahrzeug herabsetzen kann.
Die US-Patentanmeldung US20100052583 , eingereicht von Naoyoshi Takaatsu et al. für Toyota Jidosita, die am 4. März 2010 veröffentlicht wurde, lehrt das Wechseln der PWM-Strategie und der Frequenz in dem Versuch, die Nebengeräusche zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Takaatsu offenbart ein Fahrzeug, das einen Motor zum Antreiben von Rädern, einen Wechselrichter zum Antreiben des Motors und eine Steuerungsvorrichtung zum Durchführen der PWM-Steuerung des Wechselrichters einschließt. Die Steuerungsvorrichtung führt eine synchrone PWM-Steuerung dann durch, wenn ein elektrischer Strom, der von dem Wechselrichter oder dem Drehmoment, das in dem Motor erzeugt wird, das an einen Motor geliefert wird, größer ist als ein Schwellenwert; und führt eine synchrone PWM-Steuerung oder nicht synchrone PWM-Steuerung dann durch, wenn der elektrische Strom oder das Drehmoment kleiner ist als der Schwellenwert, und setzt die Trägerfrequenz oder eine Impulszahl der PWM-Steuerung dann höher, wenn der elektrische Strom oder das Drehmoment größer ist als der Schwellenwert. Es sind sowohl synchrone als auch nicht synchrone Steuerungsschaltungen erforderlich, wobei die Schaltung zwischen diesen beiden erfolgt. Während die asynchrone Steuerung eine beliebige Frequenz verwenden kann, erfordert die synchrone Steuerung ganzzahlige Vielfache einer Grundträgerfrequenz. Während das Takaatsu-Verfahren und -System wirksam sein können, um die Nebengeräusche unter gewissen Umständen zu reduzieren, erfordern sie zusätzliche Steuerungsschaltungen und unterschiedliche PWM-Strategien für unterschiedliche Betriebsbedingungen. Zum Beispiel wird in einigen Motorbetriebsbereichen eine Strategie für die Nebengeräuschunterdrückung eingesetzt, während in einem anderen dazu unterschiedlichen Betriebsbereich eine Strategie zum Reduzieren der Wechselrichterverluste eingesetzt wird. Beide oben genannten Offenbarungen erfordern eine Echtzeitverarbeitung zur Beurteilung des aktuellen Elektromaschinenstatus, und die Zuweisung einer PWM-Trägerfrequenz, die von den Stromanforderungen und dem Drehmomentbedarf abhängig ist. Obschon diese für ihren jeweiligen Verwendungszweck geeignet sein können, lehrt keine Offenbarung ein Verfahren zum Bereitstellen von PWM-Steuerungssignalen, die Elektromaschinen-Nebengeräusche auf optimierte Weise reduzieren können, nämlich unabhängig von den Strom- und Drehmomentbedingungen. Andere Lösungen wie die zufällige Anordnung inkrementaler Frequenzen um 7,5 kHz, wie zum Beispiel 7,75 kHz und 7,25 kHz, helfen, Schaltnebengeräusche abzuschwächen, erhöhen jedoch die Schaltverluste und setzen die Kraftstoffeffizienz herab.
Ein Beispielsystem schließt ein Pulsweitenmodulations (PWM)-Optimierungsmodul (POM) ein, das für die optimale Verteilung von PWM-Energie konfiguriert ist und hörbare Nebengeräusche in Zusammenhang mit einem elektrischen Antriebssystem reduziert, wobei eine Wechselrichterschaltung zum Empfangen eines PWM-Antriebssignals konfiguriert ist, umfassend eine Trägerfrequenz, die von einem POM zugewiesen wird. In einem Beispielsystem kann ein POM ein optimiertes pseudozufälliges Periodenraster (PPP) umfassen, das ein Trägersignal für die PWM-Signalübertragung, aufweisend eine Periode gemäß PPP, erzeugen kann. Das PPP kann optimiert sein, um die Nebengeräuschenergie in Zusammenhang mit dem Trägersignal in einem Frequenzbereich zu verteilen, um die Nebengeräusche des Elektroantriebssystems zu reduzieren, die für einen Automobilbediener oder Mitfahrer hörbar sind. Die Optimierung kann ferner die Abschwächung von Wechselrichterverlusten einschließen. In einem Beispielsystem kann die Trägerperiode gemäß PPP an Halbperiodenintervallen geändert werden, sie kann jedoch auch an der Vollperiode, Doppelperiode und anderen Intervallen geändert werden. Die Zuweisung der Trägerfrequenz durch das POM kann unabhängig von den Elektromaschinenstromanforderungen und dem Drehmomentbedarf durchgeführt werden.
Eine Vorrichtung der Erfindung kann ein POM umfassen, das zum optimalen Verteilen von PWM-Energie und zum Reduzieren des hörbaren Elektromaschinenschaltgeräusches konfiguriert ist. In einer Beispielausführungsform kann ein POM ein PPP umfassen, das optimiert ist, um unerwünschte Elektromaschinennebengeräusche zu reduzieren. Zum Beispiel kann das PPP ein Array mit einer endlichen Zahl von Elementen umfassen, wobei jedes Element eine Periode repräsentiert, die zu einem endlichen Satz aus zwei oder mehreren vorbestimmten Perioden gehört. In einer Beispielsausführungsform kann ein PPP zwischen 200 und 400 Elementen umfassen, die sequentiell an vorbestimmten Intervallen ausgewählt werden können.
Ein Verfahren der Erfindung kann das Auswählen einer Trägerperiode gemäß dem Index eines PPP einschließen, das optimiert ist, um hörbare Elektromaschinengeräusche zu reduzieren, indem die ausgewählte Trägerperiode und die Erhöhung des Index angewendet werden. Zum Beispiel kann die Trägerperiode an einem PWM-Halbperiodenintervall gewechselt werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen: 1 ein Beispielsystem, aufweisend ein PWM-Optimierungsmodul (POM).
2 ein Beispielsystem.
3 ein beispielhaftes pseudozufälliges Periodenraster.
4 ein beispielhaftes pseudozufälliges Periodenraster.
5 einen Vergleich zwischen beispielhaften erfinderischen Bereichen von Nebengeräuschen und traditionellen Signalnebengeräuschbereichen.
6 ein Beispielverfahren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden hier vorgestellt; die Erfindung kann jedoch in vielen anderen alternativen Formen ausgeführt werden, die für einen Fachmann ersichtlich sind. Zum leichteren Verständnis der Erfindung und zur Bereitstellung einer Grundlage für die Patentansprüche wurden mehrere Figuren in diese Beschreibung aufgenommen. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu und zugehörige Elemente können ausgelassen werden, um die neuartigen Merkmale der Erfindung hervorzuheben. Die strukturellen und funktionellen Details, die in den Figuren dargestellt sind, werden zum Lehren der praktischen Ausführung der Erfindung für einen Fachmann bereitgestellt und dürfen nicht als einschränkend ausgelegt werden. Zum Beispiel können Steuermodule und Komponenten für verschiedene Systeme verschieden angeordnet und/oder kombiniert werden und werden nicht als einschränkend für die hier vorgestellten Beispielkonfigurationen angesehen. Die Erfindung wird in dem Kontext eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang erklärt, das eine Elektromaschine aufweist, man wird jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene Umgebung beschränkt ist, sondern auch eine Mehrzahl von Anwendungen betreffen kann, die über die Automobilbranche hinaus gehen.
1 zeigt ein Schema eines Beispielfahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 kann jedoch von jedem geeigneten Typ sein, wie zum Beispiel ein elektrisches oder hybrides elektrisches Fahrzeug. In mindestens einer Ausführungsform kann das Fahrzeug 100 einen ersten Radsatz 112, einen zweiten Radsatz 114, einen Motor 116, eine HEV-Hinterachse 118 und ein elektrisches Antriebssystem (EDS) 120 aufweisen. Das elektrische Antriebssystem 120 kann konfiguriert sein, das Drehmoment an dem ersten und/oder zweiten Radsatz 112, 114 bereitzustellen. Das elektrische Antriebssystem 120 kann jede geeignete Konfiguration aufweisen; zum Beispiel kann es eine Stromumwandlungsschaltung in Form eines Leistungselektronikumwandlers (PEC) 122, der an eine Elektromaschine 126 angeschlossen ist, aufweisen. Die Elektromaschine 126 kann mit einer Leistungsübertragungseinheit 130 verbunden sein, die wiederum mit einem Differential 140 zum Steuern des Radsatzes 114 verbunden ist. Man wird in Betracht ziehen, dass die Elektromaschine 126 als Motor arbeiten kann, der elektrische Energie in kinetische Energie umwandelt, oder als Generator, der kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. In einer Beispielsausführungsform kann die PEC 122 mit einer ersten Elektromaschine über ein Schnittstellenkabel 127 verbunden sein, und eine zweite Elektromaschine über ein zweites Schnittstellenkabel (nicht dargestellt). Das Schnittstellenkabel 127 kann ein dreiphasiges Hochspannungsschnittstellenkabel sein, über das die PEC 122 Strom für die Elektromaschine 126 bereitstellen kann. Die PEC 122 kann eine Hardwareschaltung aufweisen, die Strom an die Elektromaschine 126 bereitstellt, und mit einem Fahrzeugsteuerungssystem (VCS) 150 verbunden sein, von wo Signale aus verschiedenen Steuerungseinheiten in Bezug auf den Fahrzeugbetrieb und -steuerung empfangen werden können. Die PEC 122 kann mit einem Pulsweitenmodulations-(PWM) Optimierungsmodul (POM) 125 verbunden sein, um die PWM-Antriebssignale für die PEC 122 zu optimieren, sodass die von dem EDS 120 hörbaren Geräusche auf eine Weise reduziert werden können, die Energie spart und die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs gewährleistet.
Die Elektromaschine 126 kann von einer oder mehreren Stromquellen betrieben werden, um die Fahrzeugtraktionsräder anzutreiben. Die Elektromaschine 126 kann von jedem geeigneten Typ sein, zum Beispiel eine Traktionsmaschine, Motorgenerator oder Starter-Generator. Außerdem kann die Elektromaschine 126 mit einem regenerativen Bremssystem zum Wiedergewinnen von Energie in Zusammenhang stehen. Die Leistungsübertragungseinheit 130 kann selektiv mit mindestens einer Elektromaschine 126 verbunden sein. Die Leistungsübertragungseinheit 130 kann von jedem geeigneten Typ sein, wie ein Mehrgang-Stufenverhältnisgetriebe, stufenloses Automatikgetriebe oder ein elektronisches wandlerloses Getriebe, die einem Fachmann bekannt sind. Die Leistungsübertragungseinheit 130 kann eines oder mehrere Fahrzeugräder antreiben. In der Ausführungsform aus 1 wird die Leistungsübertragungseinheit 130 mit einem Differenzial 140 auf geeignete Weise verbunden, wie zum Beispiel mit einer Antriebswelle oder einer mechanischen Vorrichtung. Das Differenzial 140 kann mit jedem Rad des zweiten Radsatzes 114 über eine Welle 142 verbunden sein, wie zum Beispiel über eine Achse oder eine Halbwelle.
Die PEC 122 kann mit einer Stromquelle 121 verbunden sein. In verschiedenen Ausführungsformen, wie zum Beispiel hybriden Elektrofahrzeuganwendungen, können zusätzliche Leistungssysteme bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann ein zweites Stromsystem bereitgestellt werden, das eine elektrische Stromquelle oder eine nicht elektrische Stromquelle wie einen Verbrennungsmotor aufweist. Die Stromquelle 121 kann von jedem geeigneten Typ sein. Zum Beispiel kann die Stromquelle 121 eine elektrische Stromquelle wie eine Batterie umfassen, die mehrere elektrisch miteinander verschaltete Zellen, einen Kondensator oder eine Brennstoffzelle aufweist. Wenn eine Batterie verwendet wird, kann diese von jedem geeigneten Typ sein, wie Nickel-Metall-Hybrid (Ni-MH), Nickel-Eisen (Ni-Fe), Nickel-Cadmium (Ni-Cd), Bleisäure, Zinkbromid (Zn-Br) oder auf Lithiumbasis. Wenn ein Kondensator verwendet wird, kann dieser von jedem geeigneten Typ sein, wie ein Ultrakondensator, Superkondensator, elektrochemischer Kondensator oder elektronischer Doppellagenkondensator, die dem Fachmann bekannt sind. In einer Beispielsausführungsform kann eine Batterie zusammen mit einem oder mehreren Kondensatoren verwendet werden. Die PEC 122 kann eine Wechselrichterschaltung 123 umfassen, die Strom für die Elektromaschine 126 bereitstellt. Eine Wechselrichtersteuerung 124 kann PWM-Antriebssignale für die Wechselrichterschaltung 123 bereitstellen. Die Wechselrichtersteuerung 124 kann die Verarbeitungs- und Steuerungsfunktionen in Zusammenhang mit dem Betrieb der Wechselrichterschaltung 123 durchführen und entsprechende Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination davon aufweisen. Die Wechselrichtersteuerung 123 kann Software-Algorithmen ausführen und Informationen speichern. In einer Beispielsausführungsform kann die Wechselrichtersteuerung 123 eine Platine mit einer Schaltung umfassen, die zum Empfangen von Feedback-Strom notwendig ist, Referenzströme oder -spannungen empfangen oder herstellen kann, Strom reguliert, Spannungen und Ströme anweist sowie andere Betriebsabläufe durchführt, die mit der Befehlsanweisung und Steuerung der Elektromaschine 126 in Zusammenhang stehen. Die Wechselrichtersteuerung 124 kann eine Eingabe von einem Sensor 215 erhalten, der Strom in dem Kabel 127 erkennt. In einer Beispielsausführungsform kann die Wechselrichtersteuerung 124 auch eine Eingabe von einem Sensor (nicht dargestellt) empfangen, der zum Erkennen der Bewegung der Elektromaschine 126 konfiguriert ist. Ein POM 125 kann mit der Wechselrichtersteuerung 124 verbunden sein, um die PWM-Signalisierung zu optimieren und die hörbaren Nebengeräusche, die in Zusammenhang mit dem Betrieb der Elektromaschine 126 stehen, zu reduzieren und gleichzeitig Leistungsverluste der Wechselrichterschaltung 123 zu verhindern.
2 zeigt ein Beispielsystem 200 mit einer Wechselrichterschaltung 204, die zum Steuern durch die Wechselrichtersteuerung 210 konfiguriert ist, die mit einem POM 200 verbunden ist. Die Wechselrichterschaltung 204 kann mit einer Stromquelle 202 verbunden sein und eine Schaltung umfassen, um drei Phasenströme I_A, I_B, I_C für eine dreiphasige synchrone Elektromaschine 206 bereitzustellen. In einer Beispielausführungsform kann die Wechselrichterschaltung 304 Phasensteller A, B und C aufweisen, die mit den Schaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6 zum Bereitstellen der Ströme I_A, I_B, I_C konfiguriert sind.
Die Wechselrichtersteuerung 210 kann ein Strom- / Spannungssteuermodul 212 aufweisen, das zum Bereitstellen der erforderlichen Elektromaschine 206 Statorwickelspannungen V_A, V_B, V_C basierend auf dem Elektromaschinen-206 Drehmomentbedarf T_R konfiguriert ist. Die Wechselrichtersteuerung 210 kann auch ein PWM-Signalmodul 214 zum Erzeugen von PWM-Antriebssignalen S_A, S_B, S_C für die Wechselrichterschaltung 204 basierend auf den Phasenspannungen V_A, V_B, V_C aufweisen. Zum Beispiel können die Antriebssignale S_A, S_B, S_C in Form von Spannungsstufen und Arbeitszyklen vorliegen, die auf Gates der verschiedenen Schalter der Wechselrichterschaltungsphasensteller A, B und C angewendet werden, sind aber nicht darauf beschränkt. In einer Beispielsausführungsform kann das PWM-Signalmodul 214 ein Trägersignalmodul 214 und ein Vergleichsmodul 216 aufweisen. Das Trägersignalmodul 214 kann ein Trägersignal V_CAR bereitstellen, das die PWM-Schaltfrequenz bereitstellen kann. Zum Beispiel kann das Trägersignalmodul 214 einen Hochfrequenz-Signalgenerator umfassen. In einer Beispielausführungsform kann das Trägersignalmodul 214 ein dreieckiges Wellenträgersignal erzeugen. Das Vergleichsmodul 216 kann das Trägersignal V_CAR mit dem Spannungssignal V_A, V_B, V_C vergleichen, um die Antriebssignale S_A, S_B, S_C bereitzustellen.
Das POM 220 kann mit dem PWM-Modul 214 verbunden sein und zum Umsetzen einer Strategie zum Reduzieren von hörbaren Nebengeräuschen auf optimierte Weise konfiguriert sein. Das POM 220 kann für das Zuweisen einer Trägerperiode für das Trägersignal, das in Modul 214 erzeugt wird, konfiguriert sein. Das Beispiel-POM 220 kann ein Prozessormodul 222 und einen Speicher 224 aufweisen, wie ein ROM, der zum Speichern eines optimierten PPP konfiguriert ist, das ausgelegt ist, um die Geräuschenergie in Zusammenhang mit dem Betrieb von Elektromaschine 206 und Wechselrichterschaltung 204 zu verteilen. In einer Beispielausführungsform kann das Prozessormodul 222 eine Mikrocomputervorrichtung umfassen, die ein PPP sequentiell durchläuft, um eine Trägerperiode auszuwählen. Das Prozessormodul 222 kann zur Bereitstellung der ausgewählten Periode für das PWM-Modul 214 konfiguriert sein. Wenngleich als separates Modul zu Lehrzwecken dargestellt, wird auch in Betracht gezogen, dass das POM 220 in dem PWM-Modul 214 enthalten sein kann, und eine einzelne Mikrocomputervorrichtung kann zum Bestimmen der Trägerperiode unter Verwendung eines optimierten PPP konfiguriert sein, das in einem Speicher gespeichert wird oder in der Mikrocomputervorrichtung programmiert ist und ein PWM-Signal basierend auf den erforderlichen Phasenspannungen V_A, V_B, V_C konfiguriert. Ein PPP kann nach Abschluss einer Sequenz wiederholt werden.
3 zeigt ein Beispiel-PPP, das als Array 300 von N Elementen ausgedrückt ist, p₁, p₂, p₃, p₄, p₅, p₆, p_N, die sequentiell von dem Index i bis zu dem letzten Element p_N in Reihe gebracht sind, wobei jedes Element p_i eine Trägerperiode mit einem Wert von 0,29 ms oder 0,15 ms repräsentiert. Zur Verdeutlichung umfasst das Raster 304 ein pseudozufälliges Array mit nur sechs Elementen. Die Serie 306 umfasst eine erste Rastersequenz 304, auf die eine Wiederholung von Raster 304 folgt. Ein Graph 308 zeigt eine Serie, welche die Wiederholung von Raster 304 in der Zeitdomäne wiederholt, in der eine neue Trägerperiode am Ende jeder aktuellen Periode angewendet wird. Das Raster 304 wird als Sequenz aus 6 Dreiecken angezeigt, die wiederholt wird, wenn das Ende der Sequenz erreicht wurde. In einer Beispielausführungsform kann eine neue Trägerperiode an Halbperiodenintervallen angewendet werden, sodass das Raster 304 als Serie von symmetrischen und asymmetrischen Dreiecken angezeigt wird, die wiederholt werden können, wie Graph 310 zeigt.
4 zeigt ein Beispiel-Rasterarray 402 mit 20 Elementen, wobei jedes Element eine von 4 Trägerperioden ist. Das Array 402 kann die Rastersequenz 404 bereitstellen. Graph 406 zeigt das Raster 404, wenn die Trägerperiode an Einzelperiodenintervallen gewechselt wird, und stellt eine Sequenz aus 20 symmetrischen Dreiecken bereit, die wiederholt werden können. Graph 408 zeigt das Muster 404, wenn die Trägerperiode an Halbperiodenintervallen aktualisiert wird, und stellt eine Sequenz von 10 symmetrischen und asymmetrischen Dreiecken, die wiederholt werden können, bereit. Für ein Array von 200 Elementen kann das Raster als eine Serie aus 200 Dreiecken erscheinen, die wiederholt wird, wenn die Trägerperiode an Einzelperiodenintervallen aktualisiert wird, oder aus 400 Dreiecken, wenn die Trägerperiode an Doppelperiodenintervallen gewechselt wird.
Die PWM-Geräuschreduktionsstrategie der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von den Frequenzverteilungs-PWM-Strategien aus dem Stand der Technik, zum Beispiel aufgrund ihres pseudozufälligen anstelle zufälligen Charakters, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein PPP besitzt eine vorbestimmte Reihenfolge von Elementen, eine vorbestimmte Länge oder Anzahl von Elementen, und eine endliche Anzahl von möglichen Werten für jedes Element, wobei diese durch Modellierungstechniken zum optimalen Reduzieren der hörbaren Geräusche, die von dem Elektromaschinenantrieb erzeugt werden, ausgewählt werden können. Ein PPP kann, im Gegensatz zu einer zufälligen Hopping-Strategie, bei der jede Frequenz (oder Trägerperiode) zufällig ausgewählt wird und unabhängig von vorherigen Auswahlen ist, wiederholt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform gehört jedes Element eines PPP zu einem Satz von zwei oder mehr Trägerperioden (cp), wie in Gleichung 1 unten gezeigt. p_i € {cp₁, cp₂, cp₃, ..... cp_m}2 ≤ m ≤ M (1)
Die endliche Zahl von möglichen Trägerperioden, die in dem Raster verwendet werden können, die Reihenfolge, in der die möglichen Trägerperioden verwendet werden und die Gesamtzahl von Elementen in dem Raster können optimiert werden, um die Menge von Geräuschenergie im hörbaren Bereich neu zu verteilen. Die Modellierungstechniken können zum Bewerten der Geräuschreduktion und Wirksamkeit von verschienen Rastern verwendet werden. Es wurde gefunden, dass ein PPP mit einer Länge von zwischen 200 und 400 Elementen, in der jedes Element eines von 2 bis 5 möglichen Perioden ist, wirksam und effizient Geräuschenergie verteilt, um hörbare Töne zu reduzieren, die von den Bedienern, Passagieren und Fußgängern in der Nähe gehört werden. Das PPP kann optimiert werden, um Geräusche zu reduzieren und Leistungsverluste abzuschwächen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Verwendung von mehreren Trägerperioden die Geräuschenergie in Frequenzbereiche verschieben kann, in denen das menschliche Gehör weniger empfindlich ist, sodass das gesamte System, z. B. Elektromaschine, Fahrzeug, usw. eine geringere akustische Reaktion nach sich zieht. In einer Beispielausführungsform schließt das Setzen möglicher Perioden diejenigen ein, die mit Frequenzen über und unter 5 kHz in Zusammenhang stehen. In 5 wird die Geräuschenergieverteilung bei Verwendung einer Einzelträgerfrequenz von 5 kHz mit der Geräuschenergieverteilung verglichen, wenn ein PPP mit mehr als einer Trägerfrequenz verwendet wird. Eine Art der Quantifizierung von Geräuschen ist der Geräuschindex, wobei ein geringerer Geräuschindex einem hohen Geräuschindex vorzuziehen ist. Wie in 5 dargestellt, erzeugt eine PWM-Signalisierung unter Verwendung einer Einzelträgerfrequenz von 5 kHz einen Geräuschindex von über 600. Durch die Verwendung eines PPP dieser Erfindung kann der Geräuschindex auf unter 100 reduziert werden.
6 zeigt ein Beispielsverfahren 600 zum Reduzieren eines hörbaren EDS-Geräusches. Das Verfahren kann an 602 starten. An Block 604 kann eine Trägerperiode von einem optimierten PPP ausgewählt werden. Zum Beispiel kann ein optimiertes PPP, das in dem Speicher 224 des POM-Moduls 220 gespeichert ist, von dem Index i mithilfe der Mikrocomputervorrichtung am Prozessormodul 222 abgerufen werden. In Bezug auf das Array 304 kann für i = 1 eine Periode von 0,29 ms ausgewählt werden.
An Block 606 kann die ausgewählte Periode angewendet werden. Zum Beispiel kann die 0,29 ms-Periode (oder 3,4 kHz-Frequenz) von dem Prozessormodul 222 für das Trägersignalmodul 214 bereitgestellt werden. Ein Signalgenerator an Modul 214 kann ein Trägersignal bei 3,4 kHz erzeugen. Das Trägersignal kann dann mit Spannung V_A verglichen werden, um ein PWM-Antriebssignal für die Wechselrichterschaltung 204 bereitzustellen, zum Beispiel S_A. In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine neue Frequenz (oder Trägerperiode) an Halbperiodenintervallen angewendet, sodass eine nachfolgende aktuellen Periode vor dem Abschluss der vorliegenden oder aktuellen Trägerperiode angewendet wird. Es können jedoch andere Aktualisierungsintervalle eingesetzt werden, zum Beispiel Einzelperiodenintervalle, Doppelperiodenintervalle, usw. Daher kann in einer Beispielausführungsform eine neue Periode an oder nach Abschluss einer vollen aktuellen Periode angewendet werden. An Block 608 kann der Index um eins erhöht werden. Zum Beispiel kann i von 1 zu 2 geändert werden. An Entscheidungsblock 610 kann eine Bestimmung durchgeführt werden, ob der hochgesetzte Index größer ist als die Länge der Rastersequenz. Wenn ein Raster zum Beispiel 200 Elemente aufweist, kann der hochgesetzte Index mit 200 verglichen werden. Für das Array 304 kann der hochgesetzte Index mit 6 verglichen werden. Wenn der hochgesetzte Index die Rasterlänge überschreitet, kann an Block 612 der Index i auf 1 zurückgesetzt werden, sodass das Raster wiederholt werden kann.
Die Erfindung stellt Vorrichtungen und Verfahren für das Umsetzen einer PWM-Strategie zum Reduzieren von hörbaren Geräuschen in Zusammenhang mit dem Elektromaschinenbetrieb bereit, während die Leistungsverluste abgeschwächt werden. Ein optimiertes pseudozufälliges Periodenraster kann die Träger- und Seitenbandgeräuschenergie in dem Frequenzbereich verteilen, um die jaulenden Geräusche zu reduzieren oder zu beseitigen, die von der PWM-Schaltung einer Wechselrichterschaltung, die Strom an eine Elektromaschine liefert, verursacht werden. Zum Beispiel kann ein pseudozufälliges Periodenraster als ein Array von 200 bis 400 Elementen ausgedrückt werden, wobei jedes Element eines von 2 bis 5 Perioden ist, das als Trägerperiode für PWM-Antriebssignale verwendet werden kann, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Änderung der Trägerperiode gemäß dem optimierten Raster kann den Geräuschindex in Zusammenhang mit einem Signal wesentlich reduzieren. Durch das Verwenden von Frequenzen unter und über 5 kHz können hörbare Geräusche nachweislich wirksam und effizient reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20090115362 [0003]
US 20100052583 [0004]

Claims

System, umfassend: ein Pulsweitenmodulations (PWM)-Optimierungsmodul (POM), das konfiguriert ist, um Energie optimal zu verteilen, um hörbare Geräusche zu reduzieren; und eine Wechselrichterschaltung, die konfiguriert ist, um ein PWM-Antriebssignal zu empfangen, umfassend eine POM-zugewiesene Trägerperiode.
System nach Anspruch 1, wobei das POM ein pseudozufälliges Periodenraster (PPP) umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei das PWM-Antriebssignal gemäß dem PPP erzeugt wird.
System nach Anspruch 1, wobei ein Signalerzeuger konfiguriert ist, ein Trägersignal mit der POM-zugewiesenen Trägerperiode bereitzustellen, wobei das Trägersignal verwendet wird, um das PWM-Antriebssignal bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, wobei eine nachfolgende Trägerperiode gemäß einem pseudozufälligen Periodenraster (PPP) bei oder nach Abschluss einer aktuellen Trägerperiode angewendet wird.
System nach Anspruch 5, wobei die nachfolgende Trägerperiode bei Abschluss eines Intervalls angewendet wird, das mindestens zwei volle aktuelle Trägerperioden umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei eine nachfolgende Trägerperiode gemäß einem pseudozufälligen Periodenraster (PPP) vor dem Abschluss einer aktuellen Trägerperiode angewendet wird.
System nach Anspruch 7, wobei die nachfolgende Trägerperiode an einem Mittelpunkt einer aktuellen Trägerperiode angewendet wird.