用于电动汽车驱动控制的DPWM和RPWM技术

摘要：文章介绍了电动汽车交流驱动中采用确定脉宽调制（DPWM）技术和随机脉宽调制（RPWM）技术的比较研究结果。RPWM方法替代DPWM方法，采用Avant公司先进的仿真软件SABER，其重点是降低电磁干扰（EMI）。为了评估PWM技术对驱动性能的影响，同时对驱动效率，转矩脉动和电流控制系统动态响应进行了研究。文中考虑了逆变器开关频率随机变化定义的2种RPWM技术：一种技术是调制器的取样频率与开关频率同步变化；另一种技术是取样频率固定且等于平均开关频率。研究表明：在驱动性能几乎不受影响的同时，RPWM技术降低EMI的良好潜力，可使EMI下降10dB或更多。

关键词：交流驱动；电动汽车；电磁干扰（EMI）；逆变器控制；随机脉宽调制（RPWM）

引言

目前，电动汽车的主要制造商在混合电动汽车交流驱动的开发中考虑的是采用各种措施减小体积。措施之一是驱动电动汽车的电动机用的逆变器使用随机脉宽调制（RPWM）技术。最初开发RPWM是为了降低供电逆变器交流驱动发出的噪声，而且大量实验研究已证明它在这方面是有效的。至于电动汽车，由于采用了高开关频率，加之现代汽车隔音好，所以噪声不很重要。与需要使用DPWM控制的逆变器进行比较，希望该技术能减小EMI滤波器体积。为了评估这种可能性和评定RPWM技术对驱动性能的影响，进行了大量的仿真研究。使用了Avant公司的软件SABER，并在文中介绍了研究结果。

研究范围

驱动系统由一个电池，一个直流环节，一台逆变器和一台交流电动机构成。现代汽车装有灵敏的通信和控制系统，使直流电源电缆辐射的EMI问题变得非常重要。辐射的EMI建模很难，也不精确，因此，为26变流技术与电力牵引1/2005电动汽车驱动控制的PWM新技术了比较分析PWM技术，研究重点放在电池电流的频谱上。该电流的交流成分，后来被认作电流噪声，是辐射EMI的主要源。

为了降低电流噪声，必须采用一个EMI滤波器和一个集中的或分布的电感-电容电路。滤波器的大小与要求的电流噪声谐波衰减的程度有关。因此，用RPWM替代DPWM，使电流噪声频谱平整，以减小流过整个电源电流的滤波器的体积和重量，这在混合电动汽车中，电池占主要空间，乘客使用任何额外空间都很珍贵的情况下尤为重要。

从DPWM到RPWM的改变，即使降低了EMI，但对驱动的其他特性也可能产生负面影响，因此，除研究电流噪声外，还研究了下面的问题：
（1）驱动系统效率：定义为电动机的轴机械功率与电池端子的电功率之比；
（2）转矩脉动因子：定义为电动机中提高转矩均方根（rms）交流成分与该转矩平均值之比；
（3）参考转矩迅速变化的电流控制系统的动态响应。

效率和转矩脉动的研究分别由18个和9个工作点展开。评估效率的18个点取自汽车制造商相关的内部标准。这些点代表7个速度级别，涵盖了整个速度范围，其中包含每个速度级别采用2～4个级别转矩的弱场区。另外选择的9个工作点涵盖的工作条件很宽，包含弱场和短时（90s）过载。特别是其中6个点对应10％的额定速度和最高速度，能承受最高转矩60min，每种速度90s。从18个效率评估点中选出3个保留点。研究了不同转矩相同速度定性工作点之间，迅速转换的电流控制系统动态响应。转矩脉动研究中使用相同的9个工作点记录和分析了电流噪声。这部分的研究详情见第6节。

PWM技术

研究中采用的DPWM技术是空间矢量PWM减速开关技术。2种RPWM方案与DPWM比较，除了数字调节器的开关和采样周期随机变化的时间长短与DPWM的不一致外，RPWM Ⅰ的原理与DPWM相同。不同的是，RPWM Ⅱ调节器工作采用的采样频率不变，等于平均开关频率f_sw,ave，并定义为平均开关周期T_ave的倒数。

在2种RPWM方法中，开关周期以随机的方式变化，具有同概率密度。在RPWM Ⅰ中，开关周期范围为xT_ave-(2-x)T_ave，其中x＜1时为常量。在所描述的研究中，x设为0.48，平均开关频率设为12kHz。在RPWMⅡ中，开关周期范围为^T_min-2,T_min表示可允许的最小开关周期，设为40μs，为采样周期，平均开关频率仍是12kHz，该方法中的固定采样频率也为该值。DPWM的开关和采样频率都设为12kHz。

图1～图3描述了PWM技术对逆变器可变频谱的影响。图1表示采用DPWM技术的输出电压频谱实例。图2和图3分别表示采用RPWM Ⅰ和RPWM Ⅱ技术的相应频谱。可以看到，RPWM Ⅰ的“纯随机”调制实际消除了DPWM中的典型谐波成分。RPWM Ⅱ方法中尽管时间长短可变，但开关周期与固定周期的采样周期同步。不过可以肯定，在采样频率附近产生谐波比DPWM产生的少。



效率和转矩脉动

已经发现，PWM技术对驱动效率的影响可忽略。在DPWM中，确定工作点的效率从0.86变化到0.92，在RPWM Ⅰ中，从0.85变化到0.92，在RPWM Ⅱ中，从0.87变化到0.91。至于转矩脉动，当使用RPWM技术时，产生的转矩脉动比使用DPWM技术平均高30％。不过，由于频率非常高，所以转矩脉动不为电动汽车上的乘客所感觉。

电流控制的动态响应

图4-图6分别描述采用DPWM，RPWM Ⅰ，RPWM Ⅱ技术，参考转矩产生电流i^*_Q迅速变化的电流控制系统动态响应。此外，还描述了转矩产生电流i_Q，磁通产生电流i_D和它们的参考信号，定子电流波形和电动机转矩。

至于RPWM技术，除预期的电流和转矩波形无规则外，观察不到电流控制品质变坏。不过，此观察只在平均开关频率很高时才有效。尽管控制器调节开关频率达12kHz，并维持固定设定，但开关频率变化的电流控制灵敏度仍很低。对于低平均开关频率，电流控制器必须重新调节，否则，将失去对整个电流的控制。图7描述频率为f_sw,ave=3kHz，使用RPWM Ⅱ技术控制的逆变器。


电流噪声

在EMI研究中，低频驱动模型增加了寄生电容。用第二节中规定的9个工作点，针对3种PWM技术的每一种技术，持续1500次开关循环进行驱动仿真。电池电流采样完全一致，每一次均为16ns，对应采样频率为62.5MHz（该频率不可与驱动数字控制系统的采样频率混淆）。当今最快且大内存的计算机也不能处理这样长的仿真，因此，限制了驱动运行。该电流在10kHz-30MHz范围内的频谱使用基于Hanning window（PWELCH.m sciptfile）的Welch周期图形技术的MATLAB程序进行评估和绘制。

在高频范围内，全部PWM方法产生的电流噪声频谱相似。因此，研究集中于低频范围。持续7500次开关循环进行重复驱动仿真，但采样周期为160ns（6.25MHz）。被评估的频谱分成2个频率范围：10-150kHz和150kHz-3MHz。




图8-图16表示电流噪声的频谱实例。图8-图10使用了低速高转矩工作点。图11-图13是中速中转矩工作点。图14-图16是高速高功率工作点。值得注意的是，对于一个给定的工作点，10-150kHz和150kHz-3MHz窄范围内的频谱与10kHz-30MHz宽范围内的频谱各部分都不一样。频谱成分中的不同大多数来自采样比例的不同。分析长波记录，我们认为窄范围频谱比宽范围频谱更精确。因此，PWM技术对EMI的影响主要由形成频谱的成分描述。

可以看到，在整个被描述的频谱中，DPWM和RPWM之间差别很大。尽管RPWMⅡ产生一些谐波，但噪声仍比DPWM的低10dB。可以肯定，在大多数频率范围内，采用RPWM Ⅰ和RPWM Ⅱ方案，几乎没有噪声频谱成分。






结语

为方便起见，表1概括了研究结果。对于每一工作点及10-150kHz和150kHz-3MHz各自的频率范围，确定了电流噪声最明显的频谱成分。同样，对于每一工作点，发现了驱动效率和转矩波动系数。针对3种PWM技术的每一种技术，提供了这些结果的范围和平均值。


该研究表明，对于传导和辐射的EMI，在严格限制的交流驱动中，RPWM技术是有效的。只要维持很高的平均开关频率，随机调制对驱动性能的影响就无关紧要。同时，还可大大削弱电流噪声频谱的谐波成分，减小EMI滤波器体积。由固定采样频率和可变开关频率定性的RPWM Ⅱ技术折衷了DPWM和RPWM Ⅰ技术。因此，在新驱动中，强烈推荐该技术。

最后，值得强调的是，RPWM并不能降低噪声或电磁噪声总量，但它能减少相关的开关频率窄频带中的噪声浓度。实际上，电流噪声谱峰干扰比连续频谱干扰更大。因此，已提到的制造商标准要求使用峰和支点检波器。欧洲联盟标准EN 61800对平均EMI和准峰EMI作了限定。