用于在汽车中产生振动的方法及系统的制作方法

专利名称：用于在汽车中产生振动的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及汽车，更特别地，涉及用于在汽车中产生振动的方法及系统。
背景技术：
近年来，技术的前进以及在风格上不断发展的品味导致汽车设计上相当大的变 化。变化之一涉及汽车内电气系统的复杂性，特别是代用燃料车辆如混合动力车、电瓶车和 燃料电池车。这些代用燃料车辆典型地使用一个或多个电动机，电动机可能与另一个致动 器联接，以驱动车轮。 用电动机驱动车轮的优点之一一般被认为是电动机比较安静，这提供了舒适的驾 驶体验。然而，这也使得汽车外的人如行人难以听到汽车，这在某些情况下可能是不希望有 的。 因而，希望提供一种用于在使用电动机的汽车中产生声音(和/或振动)的方法 及系统，其中电动机也用来向车轮提供动力。此外，从下面联接附图进行的描述和前述技术 领域及背景，本发明其他所需的特征和特性将变得显而易见。

发明内容
提供了一种用于操作具有第一和第二部件的汽车电动机的方法。选择对于电动机 振动的期望频率。使电流流过第一和第二部件中的至少一个以使得第二部件相对于第一部 件移动。调制电流以使得电动机以期望频率振动。 提供了一种用于操作汽车电动机的方法。电动机包括具有至少一个绕组的定子和 具有至少一个磁体的转子，转子可旋转地联接到定子。选择用于电动机振动的期望频率。使 电流流过所述至少一个绕组以使得转矩作用到转子，使转子相对于定子旋转。调制电流以 使得电动机以期望频率振动。 提供了一种汽车驱动系统。汽车驱动系统包括具有定子和转子的电动机、联接到 电动机的直流(DC)电源、功率逆变器和控制器。定子具有至少一个绕组，转子具有至少一 个磁体并且可旋转地联接到定子，功率逆变器包括至少一个晶体管并且联接到电动机和DC 电源以从DC电源接收DC电并向电动机提供交流(AC)电。控制器与电动机、DC电源和功 率逆变器可操作地通信。控制器配置成接收代表电动机振动期望频率的信号，操作所述至 少一个晶体管以便使电流流过所述至少一个绕组以使得转矩作用到转子，使转子相对于定 子旋转，并调制电流以使得电动机以期望频率振动。


在下文中将结合下面的附图描述本发明，其中同样的附图标记表示同样的元件， 和 图1是根据本发明一个实施例的示范性汽车的示意图；
图2是图1的汽车内的电压源逆变器系统的框4
图3是图1的汽车内的电压源、逆变器和电动机的示意图；
图4是电动机驱动系统的示意性框图；禾口 图5是笛卡儿坐标系，其表示同步参考系内的各种电动机电流矢量。
具体实施例方式
下面的详细说明本质上仅仅是示例性的，不是用来限制本发明或本发明的应用及 用途。此外，不打算被前述技术领域、背景和发明内容或下面的详细说明中存在的任何明示 的或暗示的理论所约束。 下面的说明涉及被"连接"或"联接"在一起的元件或特征。当用在本文时，"连接" 可以是指一个元件/特征被机械地连接到另一个元件/特征(或与其直接通信)，而不必直 接地连接。同样，"联接"可以是指一个元件/特征被直接或间接地连接到另一个元件/特 征(或直接或间接地与其通信)，而不必机械地连接。然而，应该懂得，尽管在下面在一个实 施例中可能将两个元件描述为被"连接"，但在备选实施例中相似的元件可以被"联接"，反 之亦然。因而，尽管这里所示的示意图示出了元件的举例布置，但另外的居间元件、装置、特 征或部件可以存在于实际的实施例中。 此外，这里描述的各种部件和特征可以涉及使用特别的数字描述符，如第一、第 二、第三等等，以及位置和/或角度描述符，如水平和垂直。然而，这种描述符可以为了关于 附图的描述目的而单独使用，并且不应被解释为限制，因为在其他实施例中可能重新排列 各种部件。还应该懂得，图l-5仅仅是说明性的，可以不按比例绘制。 图l至5表示用于操作具有第一和第二部件的汽车电动机的方法及系统。选择电 动机振动期望频率，使电流流过第一和第二部件中的至少一个以使得第二部件相对于第一 部件移动，调制电流以使得电动机以期望频率振动。 图1表示根据本发明一个实施例的车辆(或"汽车")10。汽车10包括底盘12、车 身14、四个车轮16和电控系统18。车身14布置在底盘12上并且基本上包围汽车10的其 他部件。车身14和底盘12可以共同形成车架。车轮16在车身14的相应角部附近各自旋 转地联接到底盘12。 汽车10可以是许多不同类型的汽车中的任一种，如轿车、货车、卡车或运动型多 功能车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或 全轮驱动(AWD)。汽车10还可以包含许多不同类型的发动机中的任一个或其组合，例如汽 油或柴油燃料的内燃机、"两用燃料车"(FFV)发动机(即，使用汽油和酒精的混合物)、气态 化合物(例如，氢和/或天然气)燃料的发动机、内燃机/电动机混合发动机(即，如在混 合电动车(HEV)中)和电动机。 在图1中所示的示范性实施例中，汽车10是HEV，并且还包括致动器组件20、电池 (或高压直流(DC)电源)22、功率变换器组件(例如，逆变器或逆变器组件)24和散热器 26。致动器组件20包括内燃机28和电动机/发电机(或马达)30。 仍然参考图1，内燃机28和/或电动机30结合起来以使得一个或两者通过一个 或多个传动轴32机械地联接到车轮16中的至少一些。在一个实施例中，汽车10是"串联 HEV"，其中内燃机28并非直接联接到变速器，而是联接到发电机(未示出)，发电机用来给 电动机30供电。在另一个实施例中，汽车10是"并联HEV"，其中内燃机28直接联接到变速器，例如通过使电动机30的转子旋转地联接到内燃机28的传动轴。
散热器26在车架的外部部分连接到车架，并且尽管未详细示出，但散热器中包括 多个冷却通道并且散热器联接到发动机28和逆变器24，冷却通道包含冷却流体(即，冷却 剂)如水和/或乙二醇(即，"防冻剂")。 再次参考图l，在所示的实施例中，逆变器24接收冷却剂并与电动机30共享冷却 剂。然而，其他实施例可以使用单独的冷却剂分别用于逆变器24和电动机30。散热器26 可以相似地连接到逆变器24和/或电动机30。 电控系统18与致动器组件20、高电压电池22和逆变器组件24可操作地通信。 尽管未详细示出，但电控系统18包括各种传感器和汽车控制模块，或多个电控单元(多个 ECU)，如逆变器控制模块和车辆控制器，和至少一个处理器和/或存储器，该至少一个处理 器和/或存储器包括存储在其上(或另一个计算机可读介质中)的指令，以执行下面描述 的程序和方法。包括在这些指令中的可以是用于控制电动机30的操作和可能已知通过电 动机30和/或汽车10产生的相联系的振动和/或声音(即，在"查找"表中)的各种参数 (如下面描述的)。可以通过当改变参数时在各个汽车型号中操作(多个)电动机来形成 这些联系。 参考图2，示出了根据本发明一示范性实施例的电压源逆变器系统(或电子驱动 系统)34。电压源逆变器系统34包括控制器36，控制器36与脉冲宽度调制(P丽)调制器 38 (或脉冲宽度调制器)和逆变器24 (在其输出端)可操作地通信。P丽调制器38联接到 门驱动器39，门驱动器又具有联接到逆变器24输入端的输出端。逆变器24具有联接到电 动机30的第二输出端。控制器36和P丽调制器38可以与图1中所示的电控系统18集成 一体。 图3更详细地示意性示出了图1和2的电池22、逆变器24 (或功率变换器)和电 动机30。逆变器24包括联接到电动机30的三相电路。更具体地说，逆变器24包括开关网 络，开关网络具有联接到电池22( S卩，电压源(VJ)的第一输入端和联接到电动机30的输 出端。尽管示出了单一 的电压源，但可以使用具有两个串联电源的分布式DC链。
如本领域技术人员懂得的，在一个实施例中，电动机30包括定子组件41 (包括导 电线圈或绕组)和转子组件43 (包括铁磁芯和/或磁体)，以及变速器和冷却流体(未示 出)。如一般懂得的，电动机30内的定子组件41和/或转子组件43可以包括多个电磁磁 极(例如，十六个磁极)。应该懂得，上面提供的描述打算作为可以使用的一种电动机类型 的例子。本领域技术人员将懂得，下面描述的技术可以应用于任何类型的电动机。
开关网络包括具有反并联二极管(即，反并联于每个开关)的三对(a，b，和c)串 联开关，这三对串联开关分别对应于电动机30的每个相。每对串联开关包括第一开关或晶 体管(即，"高"开关)40、42和44以及第二开关(即，"低"开关)46、48和50，第一开关具 有联接到电压源22正极的第一端子，第二开关具有联接到电压源22负极的第二端子和联 接到相应第一开关40、42和44的第二端子的第一端子。如一般了解的，开关40-50中的每 一个都可以呈单独的半导体装置的形式，如形成在半导体(例如硅)基板(例如电路小片) 上的集成电路内的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。 图4示意性的表示根据本发明一个实施例的电动机驱动系统52。电动机驱动系 统52包括电流调节器54、旋转转变块56和58、相位变换块60和62、功率逆变器24(包括
6P丽调制器38)、电动机30、加法器64和66、位置检测器68和振动系统70。如本领域技术 人员懂得的，块54-62、加法器64和66以及振动系统70可以作为存储在计算机可读介质上 的指令设置在电控系统内。尽管未详细示出，但如一般懂得的，位置检测器68可以包括具 有数字输出的分解器(例如，旋转编码器)，其配置成检测电动机30内的转子的角位置。
在运行过程中，参考图1和2，通过以交替方式利用内燃机28和电动机30和/或 同时利用内燃机28和电动机30向车轮16提供动力来操作汽车10。为了给电动机30供 电，在将电力送到电动机30之前，从电池22 (和，在燃料电池汽车的情况下为燃料电池)向 逆变器24提供DC电，逆变器24将DC电转变成交流(AC)电。如本领域技术人员懂得的， DC电向AC电的转变基本上通过以"开关频率"(FJ，例如12千赫(kHz)，操作(即，重复地 开关)逆变器24内的晶体管来执行。 一般地，控制器36产生脉冲宽度调制(P丽)信号以 控制逆变器24的开关动作。然后，逆变器24将P丽信号转变成调制的电压波形以操作电 动机30。 根据本发明的一个方面，振动系统70(图4)调制被提供给电动机30绕组的电流 以使得电动机30以期望频率振动。该频率可以处于人类听觉范围(例如，20-20000Hz)之 内或之下。可以选择人类听觉范围内的频率以使得电动机30的振动连同由电动机30的振 动引起的汽车10其他部件的振动一起在汽车10内(例如，在发动机舱内)产生声波。也 可以使用低于20Hz的频率在汽车10的驾驶室内产生振动的感觉(例如，模拟由大的内燃 机引起的振动)。 再次参考图4，从高电平控制器，例如电控系统18内的转矩控制器或车辆控制器， 发送转矩指令。将转矩指令转变成电流指令i:和i^，其是DC量。 在一个实施例中，相位变换块62将取样自电动机的三相电流ia、 ib和i。转变成二 相电流。然而，在其他实施例中，对电流中的两个进行取样并利用最初的两个电流确定第三 个(例如，假定电流共计零)。旋转转变块58提供关于转子位置的旋转转变(例如，静止至 同步帧)以将二相AC电流ia和ie变成二相直流电流ids和i^，其被用作加法器64和66 处的电流反馈。 电流指令和电流反馈之间的差异驱动电流调节器54产生电压指令v*ds和v:，其 也是DC量。 通过旋转转变块56执行关于转子位置9 res的从v*ds和v*qs向v*a和A的反转
的转变(例如，同步至静止帧)，其中从位置检测器68接收转子位置eres。然后通过相位
变换块60将这些二相AC电压指令v*a和v*e转变成三相AC量，并且逆变器34用三相AC 量驱动电动机30。 图5表示笛卡儿坐标系，其代表根据本发明一个方面的用于电动机操作的同步 (d-q)参考系。在正常操作过程中，呈第一电流控制角72的静止矢量(In)71可以代表定子 电流。如本领域技术人员懂得的，当电流流过定子41(图3)时，常规地调节电流控制角以 使作用于转子43的转矩达到最大。 再次参考图4，响应于(例如，从电控系统1 8)接收的用于使电动机30以特定频 率振动的请求，振动系统70通过将振动电流i*qs sg和i*ds sg提供给相应的加法器64和66 来调制同步帧电流(或电流指令)。如图5中所示，有效结果是振动电流矢量74(例如沿着 q-轴)与正常操作的电流矢量71合成，得到呈第二电流控制角78的合成电流矢量76。为了稳态操作条件(例如，不变的速度、转矩和DC电压)，正常操作的电流矢量71在d-q参考 系中是不变的。尽管为了说明性的目的而仅仅在第一象限中示出，但正常操作的电流矢量 71可以位于四个象限的任一个中，这取决于机器类型和操作条件。然而，振动电流矢量74 是按所需振动频率随时间变化的量。 如图4中所示，振动系统70包括波形发生器80，其产生振动电流并在一个实施 例中接收来自声音定序器82的输入和/或随机波形输入信号84。声音定序器82可以具 有振动电流的调制特性(如幅度、角、频率和持续时间)的各种设定，这些设定适合于产生 特定振动，如下所述。随机波形输入84可以是代表特定声音(例如，存储在存储器中的 MovingPicture Experts Group Audio Layer 3文件(MP3))的信号。波形发生器80配置 成基于来自声音定序器82和随机波形输入信号84中任一个或两者的输入产生并适当调制 振动电流。尽管所示的实施例既包括声音定序器82又包括随机波形输入信号84，但一些实 施例可以仅仅使用它们中的一个。 现在参考图4和5，如本领域技术人员懂得的，和正常的电流矢量71和/或第一电 流控制角72不同，合成的电流矢量76和/或第二电流控制角78没有在规定瞬间及时提供 作用于转子的最大转矩量，而是，除了作用到转子30的转矩之外，合成电流矢量76使切向 力和径向力作用到电动机30的转子43 (和/或定子41)。 当调制振动电流时，合成电流矢量76和/或第二电流控制角78被调整，如同转子 和定子上的任何外力(径向的或切向的) 一样。因而，如果以特定频率调制振动电流，则转 子和定子上的外力也将被调整，从而引起振动。高于大约20Hz的振动使得电动机30和/ 或汽车10内的其他部件产生声波。 可以用振动电流i*qs—sg和i*ds—sg调节所得声音的特性。可以通过改变振动电流的 幅度和第二电流控制角78调节振动的振幅，从而调节音量。以类似的方式，振动电流的调 制的频率的变化改变声音的频率(即音调)。照此，以特定幅度、电流控制角和频率调制振 动电流引起在该特定调制的持续时间内的特定振动和/或声音。应该懂得，振动电流的特 定设定所产生的声音可能由于汽车型号的不同而改变，这取决于汽车内的部件的不同结构 特性。 因而，仍参考图4，振动系统70可以向加法器64和66提供一系列振动电流以使得
由电动机30"播放"一系列音调。所述一系列音调可以是歌的曲调(例如，Richard Wagner
的"Ride of the Valkeries")或声响效果(例如，八或十缸发动机的隆隆声)。 如上面指出的，在一些实施例中，低于大约20Hz的振动频率可以用来产生对于汽
车用户(们)可感知的振动，例如低频振动，其与当停留在具有八缸发动机的经典大马力汽
车中时感觉到的振动相似。 在一些实施例中，可以与汽车的功率消耗和/或速度成比例地调节所述一系列音 调的音量。如上面建议的，电控系统18可以包括让用户从存储在存储器中的目录选择一特 定系列音调的装置。可以选择在电动机30内引起的振动以抵消运行期间在汽车10内出现 的其他振动和/或声音。振动可以以这样一种方式产生以便汽车10附近的行人听得见，以 便警告行人汽车的存在和运行状态。另外，可以选择振动的频率以根据车辆的性能产生特 定的声音。例如，如果汽车10相对有效地运行，则可以播放一个系列的音调(例如使用者 选定的音调)。然而，如果汽车的性能或效率降低到一阈值以下，则可以产生不同系列的音调。 —个优点是电动机的振动和/或其引起的振动可以用来产生听得见的噪音以使得行人可以在汽车接近的时候更容易听见它。另一个优点是系统利用可能已经配置在汽车中的部件产生这些振动，从而将对生产成本的影响降到最小。还有个优点是振动易于调节，因为可以用电子方法产生振动(即，通过改变振动电流)。因而，可以容易地为最终用户提供一种将他或她的汽车个性化的手段。 虽然在前面的详细说明中已经提供了至少一个示例性的实施例，但应当懂得有大量变型存在。还应该懂得，示例性的实施例或多个示例性的实施例仅仅是例子，不是用来以任何方式限制本发明的范围、应用或配置。而是，前述详细说明将为本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的方便的指导。应该懂得，在不背离如在所附权利要求及其法律的等价物中阐明的本发明的范围的情况下，能在元件的功能和布置上作出各种改变。
权利要求
一种用于操作汽车电动机的方法，该汽车电动机包括第一和第二部件，该方法包括选择用于电动机的振动的期望频率；使电流流过所述第一和第二部件中的至少一个以使得所述第二部件相对于所述第一部件移动；和调制所述电流以使得所述电动机以所述期望频率振动。
2. 如权利要求1所述的方法，其中流过所述第一和第二部件中的至少一个的所述电流 基本上处于d-q坐标系上呈第一角度的电流矢量上。
3. 如权利要求2所述的方法，其中处于呈所述第一角度的所述电流矢量上的流过所述 第一和第二部件中的至少一个的所述电流使得在所述第一和第二部件之间产生第一力。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述电流的调制引起所述电流矢量在所述d-q坐标 系上的所述第一角度和第二角度之间的调整。
5. 如权利要求4所述的方法，其中当所述电流矢量在所述d-q坐标系上呈第二角度时， 在所述第一和第二部件之间产生第二力，所述第二力小于所述第一力。
6. 如权利要求5所述的方法，其中所述第一部件是包括至少一个绕组的定子，所述第 二部件是包括至少一个磁体的转子，和其中所述转子可旋转地联接到所述定子。
7. 如权利要求6所述的方法，其中所述转子相对于所述定子的运动包括所述转子相对 于所述定子的旋转，且所述第一和第二力是作用于所述转子的转矩。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述期望频率大于或等于20赫兹(Hz)。
9. 如权利要求8所述的方法，还包括选择振动的第二期望频率，该第二期望频率高于20赫兹；禾口 调制所述电流以使得所述电动机以所述第二期望频率振动。
10. 如权利要求7所述的方法，其中所述期望频率小于20赫兹。
11. 一种用于操作汽车电动机的方法，所述汽车电动机包括具有至少一个绕组的定子 和具有至少一个磁体且可旋转地联接到所述定子的转子，所述方法包括选择用于电动机的振动的期望频率；使电流流过所述至少一个绕组以使得转矩作用到所述转子，以便使所述转子相对于所 述定子旋转；禾口调制所述电流以使得所述电动机以所述期望频率振动。
12. 如权利要求11所述的方法，还包括 选择用于电动机的振动的第二期望频率；禾口调制所述电流以使得所述电动机以所述第二期望频率振动。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述期望频率和所述第二期望频率大于或等于20 赫兹(Hz)。
14. 如权利要求13所述的方法，其中流过所述至少一个绕组的所述电流基本上处于 d-q坐标系上呈第一角度的电流矢量上。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述电流的调制引起所述电流矢量的调整以使 得所述电流矢量在所述d-q坐标系上间歇地处于第二角度，和其中当所述电流矢量在所述 d-q坐标系上处于所述第二角度时，第二转矩作用到所述转子，所述第二转矩小于所述第一转矩。
16. —种汽车驱动系统，包括包括定子和转子的电动机，所述定子具有至少一个绕组，所述转子具有至少一个磁体 并且可旋转地联接到所述定子；联接到所述电动机的直流电源；功率逆变器，其包括至少一个晶体管并且联接到所述电动机和所述直流电源以从所述 直流电源接收直流电并向所述电动机提供交流电；控制器，其与所述电动机、所述直流电源和所述功率逆变器可操作地通信，其中所述控 制器配置成接收表示电动机振动的期望频率的信号；操作所述至少一个晶体管以便使电流流过所述至少一个绕组以使得转矩作用到所述 转子，以便使所述转子相对于所述定子旋转；禾口调制所述电流以使得所述电动机以所述期望频率振动。
17. 如权利要求11所述的汽车驱动系统，其中所述控制器进一步配置成 接收表示电动机振动的第二期望频率的信号；禾口调制所述电流以使得所述电动机以所述第二期望频率振动。
18. 如权利要求17所述的汽车驱动系统，其中所述期望频率和所述第二期望频率大于 或等于20赫兹(Hz)。
19. 如权利要求18所述的汽车驱动系统，其中流过所述至少一个绕组的所述电流基本 上处于d-q坐标系上呈第一角度的电流矢量上。
20. 如权利要求19所述的汽车驱动系统，其中所述电流的调制引起所述电流矢量的调 整以使得所述电流矢量在所述d-q坐标系上间歇地处于第二角度，和其中当所述电流矢量 在所述d-q坐标系上处于所述第二角度时，第二转矩作用到所述转子，所述第二转矩小于 所述第一转矩。
全文摘要
本发明涉及一种用于在汽车中产生振动的方法及系统。提供了一种用于操作具有第一和第二部件的汽车电动机的方法和系统。选择电动机振动期望频率，使电流流过第一和第二部件中的至少一个以使得第二部件相对于第一部件移动，调制电流以使得电动机以期望频率振动。
文档编号H02P27/04GK101771381SQ20091024719
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者J·M·纳加施马, J·贝雷萨, S·E·舒尔茨, Y·C·森 申请人:通用汽车环球科技运作公司