用于电动助力转向的电机控制电流传感器损失辅助缓和的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电动助力转向的电机控制电流传感器损失辅助缓和。助力转向系统包括扭矩修改器模块，该扭矩修改器模块响应于电流传感器故障生成修改的扭矩命令，修改的扭矩命令的大小在一时间段内变化。助力转向系统还包括前馈选择模块，其将动态前馈补偿应用到电机电流命令，由此生成应用到助力转向系统的电机的电机电压，动态前馈补偿修改助力转向系统的频率响应。
【专利说明】用于电动助力转向的电机控制电流传感器损失辅助缓和 相关申请的交叉引用
[0001] 本专利申请要求2015年1月30日提交的美国临时专利申请序列号62/109,698的优 先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0002] 本发明设及用于电动助力转向化PS)的电机控制电流传感器损失辅助缓和。
[0003] EPS系统要求使用扭矩控制方法操作用于提供转向辅助的电机。当使用永磁同步 机器(PMSM)时，利用场定向控制(FOC)W允许将交流电(AC)S相电机电压和电流信号转换 为同步旋转参照系，通常被称为d/q轴参照系。在d/q轴参照系中，电机电压和电流变为直流 (DC)量。F0C扭矩控制技术通常使用控制的前馈方法或闭环电流反馈控制来实施。
[0004] 当使用闭环电流反馈控制时，系统调节扭矩的能力很大程度上取决于所测量的电 流。然而，电流传感器，就像所有的传感器那样，容易发生故障。电流测量中误差的最常见形 式是增益和偏移误差。偏移误差可能是尤其成问题的，因为根据误差的大小，由偏移误差引 起的扭矩波动可W变得足够大，从而超过与最大转向力相关的要求。
[0005] 缓和由电流测量故障所引起的转向辅助的损失的常见方法是，当检测到故障时从 利用电流调节器来获得期望电机电流(并因此获得电机扭矩）的扭矩控制过渡到利用静态 前馈(逆向电机模型）补偿的扭矩控制。然而，基于前馈逆向电机模型的扭矩控制相比于高 带宽电流控制回路，通常具有低得多的带宽。电动助力转向系统中的电机扭矩控制回路是 用于转向系统的致动器，因此其应具有比外部转向辅助控制回路高数倍的带宽。用于转向 辅助控制回路的稳定性补偿W如下方式被设计，即，当闭环电流控制激活时，其适合于更高 带宽的扭矩控制。
[0006] 为在电流传感器故障状况期间使用的基于更低带宽前馈逆向电机模型的扭矩控 制而设计的稳定性补偿将与基础稳定性补偿显著不同。运在整个转向辅助控制回路的电流 传感器故障状况期间产生了非期望的结果，即，在故障状况下比在名义上的无故障状况下 更不稳定。
【发明内容】
[0007] 根据一个实施例，助力转向系统包括扭矩修改器模块和前馈选择模块，所述扭矩 修改器模块响应于电流传感器故障生成修改的扭矩命令，所述修改的扭矩命令的大小在一 段时间内变化，所述前馈选择模块将动态前馈补偿应用到电机电流命令，由此生成应用到 所述助力转向系统的电机的电机电压，所述动态前馈补偿修改所述助力转向系统的频率响 应，所述电机电流命令基于所述修改的扭矩命令。
[000引根据另一个实施例，助力转向系统包括稳定性补偿器选择器模块和扭矩修改器模 块，当检测到电流传感器故障时，所述稳定性补偿器选择器模块选择所述助力转向系统的 转向扭矩控制回路的稳定性补偿器，所述稳定性补偿器生成补偿的扭矩命令，所述扭矩修 改器模块响应于电流传感器故障根据所述补偿的扭矩命令生成修改的扭矩命令，所述修改 的扭矩命令的大小在一段时间内变化，应用到所述助力转向系统电机的电机电压基于所述 修改的扭矩命令。
[0009] 根据另一个实施例，一种用于控制助力转向系统的方法包括响应于电流传感器故 障生成修改的扭矩命令，所述修改的扭矩命令的大小在一段时间内变化；W及将动态前馈 补偿应用到电机电流命令，由此生成应用到所述助力转向系统电机的电机电压，所述动态 前馈补偿修改所述助力转向系统的频率响应，所述电机电流命令基于所述修改的扭矩命 令。 根据又另一个实施例，当检测到所述电流传感器故障时，所述修改的扭矩命令从零的 大小开始增大。 另外，所述修改的扭矩命令具有由在一时间段期间应用到所述修改的扭矩命令的比例 因子限定的稳态值。 根据又另一个实施例，所述动态前馈补偿基于由真导数的近似限定的传递函数。 进一步，所述真导数的所述近似表示为
[0010] 从结合附图的下面的描述中，运些和其它优势及特征将变得更加明显。
【附图说明】
[0011] 在本说明书的总结部分处的权利要求中具体指出了被视为是本发明的主题且明 确地要求保护所述主题。本发明的前述的和其它特征，W及优势从结合附图的下面的详细 描述中显而易见，其中：
[0012]图1示出了根据一些实施例的转向控制系统；
[0013] 图2示出了根据一些实施例的电流调节器配置的框图；
[0014] 图3示出了根据一些实施例的电机电气系统的框图；
[0015] 图4示出了根据一些实施例的典型电流传感器故障损失辅助缓和算法；
[0016] 图5示出了根据一些实施例的在电流传感器故障期间扭矩命令变化的曲线图；
[0017] 图6示出了根据一些实施例的在电流传感器故障期间扭矩命令变化的第二曲线 图；
[0018] 图7示出了根据一些实施例的采用静态前馈补偿的开环电流控制框图；
[0019] 图8示出了根据一些实施例的在运行速度下q轴直接传递函数的频率响应的对比 曲线图；
[0020] 图9示出了根据一些实施例的损失辅助缓和算法框图；
[0021 ]图9A示出了根据一些实施例的损失辅助缓和算法框图；
[0022] 图10示出了根据一些实施例的损失辅助缓和算法框图；W及
[0023] 图11示出了在故障状况下采用动态前馈补偿的电机控制电流回路的框图。
【具体实施方式】
[0024] 现在参照附图，其中，将参照具体实施例描述本发明，但不限制本发明，图1示出了 转向控制系统10。在所示实施例中，转向控制系统10包含转向控制模块12、电流基准发生器 14、电流回路补偿器16、由PMSM电机电气设备表示的电机18, W及转向系统机械设备20。电 流回路补偿器16可包含电流调节器24和静态前馈补偿器22。电流调节器24和静态前馈补偿 器22的输出在求和框26处结合，W形成用于PMSM电机电气设备的控制信号。静态前馈补偿 器22可W是激活的，而不管由电气设备提供的反馈。尽管在图1中示出了禪合的比例积分 (P.I.)配置，但在此所公开的主题不限于该配置。
[0025] 图2示出了根据一些实施例的电流调节器200的一种类型。如图所示，控制配置包 含数个子模块-BEMF(反电动势)补偿模块Gf202、积分模块204、比例补偿模块Cp206和积分补 偿模块Ci208、前馈补偿模块G 210、减法模块212、和加法模块213、214。图2也示出了电机 18。
[0026] 补偿模块Gf202、Cp206和Ci208，W及电机18的设备P(s)是2X2矩阵。信号Ir、Ie、Ip、 14、1|?、￥。、￥1、心￥。。、￥。、￥1?、￥|?是具有各自对应于巧时化轴的两个值的矢量。
[0027] 在图2中实施的电流模式控制配置可由矩阵补偿器表示。在d/q轴坐标系中限定的 下述等式描述了设备传递函数(使用线到中性点定义）：
[002引 Vd、Vq是d/q电机电压(单位伏特），Id、Iq是d/q电机电流(单位安培），Ld、Lq是d/q轴 电机电感(单位亨利），鳩电机电路(电机加上控制器)电阻(单位欧姆），Ke是电机邸MF系数 (单位伏/弧度/秒），ω。是机械电机速度（单位弧度/秒），W及Te是电磁电机扭矩（单位牛 米)。
[0029] 扭矩等式可W是非线性的，并且可W表示通过利用来自永磁体的磁场而产生的扭 矩，与由转子凸极(Ld和Lq之差)及Iq和Id的预定的值生成的磁阻扭矩之和。
[0030] 等式1和等式2可W改写如下：
[0031] 在上述等式中
是机器的电气速度。为了采用标准线性反馈控制 设计技术，假设该机器速度是缓慢变化的参数。可W认识到的是，由于相对缓慢的磁通动力 学，准静态反-EMF(BEM巧项KeWm可W认为是基本恒定的，其由于前馈路径中的扰动被补偿。 运两个假设允许针对固定的速度线性化等式4和等式5。注意在下面的等式中去掉了在V% 项中的撇号。
[0032] 等式4和等式5能使用S域表示改写如下： U = Pi(s)X (等式 6)
[0033] 注意，该描述经由复频率传递矩阵Pi(s)将设备输出转化为输入，并且因此是真设 备传递矩阵的逆矩阵。针对上述描述的框图（额外的BEMF项也在图中示出）在图3中所示的 电机的框图中示出。具体地，图3示出了准静态反-EMF(BEMF)项Ke ω m，并且电机18包含由等 式7表示的矩阵。
[0034] 将参照电流Ir与用于在图3中示出的电流控制系统的实际电流Ια相关联的闭环传 递矩阵Τ可W依据矩阵补偿器写成： Ia=TIr=(P-i+C)-i(G+C)Ir (等式 8)
[0035] 通过在上述表达式中插入适当的补偿器矩阵，传递矩阵T可W如下表示在等式9 中：
[0036] 项Tdd(s)和Tqq(S)是直接的电流间传递函数，而Tdq(s)和Tqd(s)表示两个电流回路 之间的交叉禪合。对于典型的系统，直接传递函数具有极高的带宽。
[0037] 图4示出了描述典型电流传感器故障损失辅助缓和算法400的框图。如下文更详细 地描述的那样，电流调节器选择器402可W通过逻辑输入选择性地启用或禁用。电流调节器 选择器402可W根据故障状况选择前馈控制的模式。也可W实施下文更详细地描述的算法 W在检测到电流传感器故障期间修改扭矩命令，从而确保从反馈控制到前馈控制模式的平 稳过渡。
[0038] 例如，可W通过扭矩命令修改器实现如在图5中所示的第一斜坡波形，如下文更详 细地描述的那样，W在紧接着检测到故障后的时间tramp期间减小扭矩命令。图5示出了在检 测到故障时扭矩命令的变化。当检测到故障时，扭矩命令修改器可W通过在时间段tramp内 减小扭矩命令来实现在图5中示出的斜坡波形。在时间段tramp之后，修改的扭矩命令按照比 例因子k减小到比例因子k和Tnrg乘积的大小。修改的扭矩命令可由扭矩命令修改器输出，如 下文更详细地描述的那样。
[0039] 图6示出了第二扭矩斜坡返回波形600。在一些情况中，由偏移误差引起的扭矩波 动可能超过与最大转向力相关的要求，因此在检测到电流传感器故障后立即将扭矩命令设 置为零。据此，在将扭矩命令设置为零值之后，所述扭矩命令在时间段tramp内增大。扭矩命 令可W在时间段tramp后返回到稳态值。所述修改的扭矩命令可W是比例因子k的函数，并且 在稳态状况中可W按照该比例因子减小。修改的扭矩命令可W按照比例因子k减小，如在图 6中所示。
[0040] 尽管示出了扭矩斜坡返回波形的两个具体实施例，但是扭矩命令修改器可W配置 成实现任何数量的斜坡返回波形，并且本主题申请并不限于在图5和图6中所示的波形。此 夕h可W添加其它算法到扭矩命令，W避免在过渡段期间驾驶员可能够感受到的任何扰动。
[0041] 图7示出了开环反馈电流控制框图700,其中，反馈回路是开放的并且仅采用静态 前馈补偿。可W简化电机控制电流回路框图，如图所示。在运种情况下，直接传递函数变成：
[0042] 图8表示在ω m= 200弧度/秒(rad/s)的运行速度下，q轴直接传递函数的频率响应 的对比的对比曲线图800。如在图8中所示，相比于反馈补偿，静态补偿就幅值和相位两个方 面均提供了非期望的频率响应。
[0043] 为了补偿非期望的频率响应，在故障发生的时候可W改变转向控制系统的稳定性 补偿器。然而，稳定性补偿器将必须针对具有静态前馈控制配置的电机控制回路带宽被调 谐。此外，由于稳定性补偿器是具有各种状态的陷波滤波器，当转换发生时，所有的状态变 量都将被重新初始化为零，从而导致响应时间滞后。额外地，在过渡期间可能要求修改的扭 矩分量。
[0044] 图9A示出了具有一种类型的电流回路补偿器925A设计的转向控制系统900A。在图 9A中示出的配置可W通过从输入电压命令生成输出电流来控制电机18的PMSM电机电气设 备。具体地，图9A包含静态前馈补偿模块922A和电流调节模块923A。
[0045] 图9A也包含具有稳定性补偿器模块913A的转向控制模块912A、扭矩修改器模块 914A、稳定性补偿器选择器模块915AW及电流基准发生器模块916A。在检测到电流传感器 故障的情况下，前馈选择模块918A改变电流调节器模块923A的模式。前馈选择模块918A为 系统的电机选择电流调节器模块923A的模式，其被发送到电机18的PMSM电机电气设备。
[0046] 系统可W进一步包含电流传感器故障检测器模块920A，其检测电流传感器(未示 出）的运行状态。电流传感器故障检测器模块920A可W将启动命令发送到稳定性补偿器选 择器模块915A、扭矩修改器模块914A、W及前馈选择模块918A。
[0047] 响应于由电流传感器故障检测器模块920A检测到的电流传感器故障，稳定性补偿 器选择器模块915A可W通过从稳定性补偿器模块913A选择损失辅助模式输出来在转向系 统中实施损失辅助模式，并且因此生成发送到扭矩命令修改器模块913A的补偿的扭矩命 令。当检测到电流传感器故障时，损失辅助模式输出的选择改变由稳定性补偿器模块913A 提供的函数。稳定性补偿器模块913A可根据电机控制带宽来调谐，而当前馈选择模块918A 接到来自电流传感器故障检测器模块920A的启动命令时，在电流回路补偿器925A中实施的 静态前馈控制配置可W不改变。
[004引在一些实施例中，稳定性补偿器模块913A是陷波滤波器，其能够用多种状态编程。 在由稳定性补偿器选择器模块915A控制的稳定性补偿器模块913A的函数的改变期间，稳定 性补偿器模块913A的状态变量可W被重新初始化至零值，并且随时间过渡到表示转向系统 900A的实际状态的值。
[0049]具体地，扭矩修改器模块914A可W相应地实现如在图5和图6中所示的第一和第二 斜坡波形w辅助缓和由电流传感器故障引起的任何扰动。
[0050] 扭矩修改器模块914A响应于电流传感器故障可W生成修改的扭矩命令。修改的扭 矩命令的大小可随着时间改变并且与在图5和图6中所示的波形一致。如上文所强调的那 样，扭矩修改器模块914A不限于实现在图5和6中所示的波形。
[0051] 转向图9,该图包含转向控制模块912、扭矩修改器模块914, W及电流基准发生器 模块916。图9还包含前馈选择模块918,其在检测到传感器故障的情况下启用动态前馈补 偿。前馈选择模块918修改发送到系统的电机的扭矩命令，所述系统的电机由电机18的PMSM 电机电气设备表示。
[0052] 系统可W进一步包含电流传感器故障检测器模块920,其检测电流传感器（未示 出）的运行状态。电流传感器故障检测器模块920可W将启动命令发送到扭矩修改器模块 914, W及发送到前馈选择模块918。
[0053] 扭矩修改器模块914可W分别实现如在图5和图6中所示的第一和第二斜坡波形W 辅助缓和由电流传感器故障所引起的任何扰动。扭矩修改器模块914响应于电流传感器故 障可W生成修改的扭矩命令。所述修改的扭矩命令的大小可W随时间改变并且与在图5和 图6中所示的波形一致。如上文所强调的那样，扭矩修改器模块914不限于实现在图5和图6 中所示的波形。
[0054] 前馈选择模块918可W选择动态前馈补偿模式，其处理电机电流命令。响应于接收 扭矩命令修改器的电流基准发生器916,电机电流命令可W通过电流基准发生器916生成。 响应于电流传感器故障检测，对电机电流命令的处理可W改变发送到电机的电压命令。
[0055] 由前馈选择模块918应用的动态前馈补偿算法可W由动态前馈补偿器模块922执 行。动态前馈补偿器模块922可W使用由导数估计子模块(未示出）实现的导数传递函数。动 态前馈补偿器模块922可W修改助力转向系统的电机控制回路的频率响应。理想地，导数传 递函数是真导数，其可记作拉普拉斯变换变量S，然而在一些实施例中，所述传递函数可W 由导数的近似，5,来表示，如下：
[0056] 在一些实施例中，所述导数估计子模块可W是高通滤波器，但是在其它实施例中， 所述导数估计子模块可W是具有特定幅值和相位特性的离散时间导数滤波器。
[0057] 应该认识到的是尽管在图9中示出了静态前馈模块922,但是在实施动态前馈算法 时，静态前馈模块922对于图9的系统的运行来说不是必需的。
[005引在一些实施例中，转向控制模块912的稳定性补偿器是陷波滤波器，其能够用多种 状态编程。在由稳定性补偿器选择器模块控制的稳定性补偿器的函数的改变期间，所述稳 定性补偿器的状态变量可W被重新初始化为零值，并且随时间过渡到表示所述转向系统的 实际状态的值。
[0059]图10包含具有稳定性补偿器模块1013的转向控制模块1012、扭矩修改器模块 1014、稳定性补偿器选择器模块1015W及电流基准发生器模块1016。如果检测到电流传感 器故障，则前馈选择模块1008改变电流调节器模块1023的模式。前馈选择模块1008针对系 统的电机选择电流调节器模块1023的模式，其被发送到电机18的PMSM电机电气设备。
[0060] 具体地，扭矩修改器模块1014可W相应地实现在图5和图6中所示的第一和第二斜 坡波形，W辅助缓和由电流传感器故障引起的任何扰动。
[0061] 与在图9A中所提供的描述类似，响应于由电流传感器故障检测器模块1020检测到 的电流传感器故障，稳定性补偿器选择器模块1015可W通过从稳定性补偿器模块1013选择 损失辅助模式输出来在转向系统中实施损失辅助模式。当检测到电流传感器故障时，损失 辅助模式输出的选择改变由稳定性补偿器模块1013提供的函数。
[0062] 此外，在检测到传感器故障的情况下前馈选择模块1008启用动态前馈补偿。前馈 选择模块1008修改发送到系统的电机的扭矩命令，所述系统的电机由转向系统机械设备 1018的PMSM电机电气设备表示。
[0063] 图11是在故障状况下采用动态前馈补偿的电机控制电流回路的简化框图。导数项 示出为S。包含在导数估计模块中的导数补偿器是真导数的近似。通常，基于应用，可W使 用从简单的高通滤波器到具有特定幅值和相位特性的更加复杂的离散时间导数滤波器的 许多不同类型的导数滤波器设计。
[0064] 对于图11，直接传递函数变为：
[0065] 从等式13和等式14可W认识到，如果导数滤波器是理想的，那么两个传递函数将 简单地变得一致。导数滤波器容纳在图11中的导数估计模块1110内。
[0066] 如果电流回路具有不同的配置，并且在正常运行期间不具有完全的前馈补偿器， 那么可连续地计算完整的动态前馈补偿项，但仅在故障状况期间应用。
[0001] 如上文所使用的那样，术语"模块"或"子模块"指的是专用集成电路(ASIC)、电子 电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组)和存储器、组合逻 辑电路，和/或提供所描述功能的其它合适部件。当W软件实现时，模块或子模块可W作为 非易失性计算机可读存储介质体现在存储器中，所述非易失性计算机可读存储介质可由处 理电路读取并且存储由处理电路执行W执行方法的指令。此外，可W组合和/或进一步分割 在上述图中示出的模块或子模块。
[0002] 虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但应容易理解的是本发明 不限于运样的公开实施例。相反，可W修改本发明W并入此前未描述但却与本发明的精神 和范围相称的任何数量的变型、改变、替代或等效布置。额外地，虽然已经描述了本发明的 各种实施例，但应当理解的是本发明的方面可W仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本 发明不应被视为受限于前文的描述。
【主权项】
1. 一种助力转向系统，其包括： 扭矩修改器模块，所述扭矩修改器模块响应于电流传感器故障生成修改的扭矩命令， 所述修改的扭矩命令的大小在一时间段内变化;W及 前馈选择模块，所述前馈选择模块将动态前馈补偿应用到电机电流命令，由此生成应 用到所述助力转向系统的电机的电机电压，所述动态前馈补偿修改所述助力转向系统的频 率响应，所述电机电流命令基于所述修改的扭矩命令。2. 根据权利要求1所述的助力转向系统，其进一步包括稳定性补偿器选择器模块，当电 流传感器故障被检测到时，所述稳定性补偿器选择器模块选择所述助力转向系统的转向扭 矩控制回路的稳定性补偿器，所述稳定性补偿器选择器模块生成发送到所述扭矩修改器模 块的补偿的扭矩命令。3. 根据权利要求2所述的助力转向系统，所述修改的扭矩命令至少部分地基于所述补 偿的扭矩命令。4. 根据权利要求1所述的助力转向系统，当所述电流传感器故障被检测到时，所述修改 的扭矩命令减小到零的大小，所述修改的扭矩命令在一时间段内从零的大小开始增大。5. 根据权利要求4所述的助力转向系统，所述修改的扭矩命令具有由在所述时间段期 间应用到所述修改的扭矩命令的比例因子限定的稳态值。6. 根据权利要求2所述的助力转向系统，所述动态前馈补偿基于由真导数的近似限定 的传递函数。7. 根据权利要求6所述的助力转向系统，所述真导数的所述近似表示文8. -种助力转向系统，其包括： 稳定性补偿器选择器模块，当电流传感器故障被检测到时，所述稳定性补偿器选择器 模块选择所述助力转向系统的转向扭矩控制回路的稳定性补偿器，所述稳定性补偿器生成 补偿的扭矩命令;W及 扭矩修改器模块，所述扭矩修改器模块响应于电流传感器故障根据所述补偿的扭矩命 令生成修改的扭矩命令，所述修改的扭矩命令的大小在一时间段内变化，应用到所述助力 转向系统的电机的电机电压基于所述修改的扭矩命令。9. 根据权利要求8所述的助力转向系统，其进一步包括前馈选择模块，所述前馈选择模 块应用动态前馈补偿到电机电流命令，由此生成应用到所述助力转向系统的电机的所述电 机电压，所述动态前馈补偿修改所述助力转向系统的频率响应，所述电机电流命令基于所 述修改的扭矩命令。10. -种用于控制助力转向系统的方法，其包括： 响应于电流传感器故障生成修改的扭矩命令，所述修改的扭矩命令的大小在一时间段 内变化；W及 应用动态前馈补偿到电机电流命令，由此生成应用到所述助力转向系统的电机的电机 电压，所述动态前馈补偿修改所述助力转向系统的频率响应，所述电机电流命令基于所述 修改的扭矩命令。11. 根据权利要求10所述的方法，其进一步包括当电流传感器故障被检测到时选择所 述助力转向系统的转向扭矩控制回路的稳定性补偿器，所述稳定性补偿器选择器模块生成 补偿的扭矩命令。12. 根据权利要求10所述的方法，当所述电流传感器故障被检测到时，所述修改的扭矩 命令从零的大小开始增大。13. 根据权利要求12所述的方法，所述修改的扭矩命令具有由在一时间段期间应用到 所述修改的扭矩命令的比例因子限定的稳态值。14. 根据权利要求10所述的方法，所述动态前馈补偿基于由真导数的近似限定的传递 函数。15. 根据权利要求14所述的方法，所述真导数的所述近似表示文
【文档编号】B62D5/04GK105835943SQ201610150686
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年1月30日
【发明人】J·A·克莱瑙, P·普拉莫德, D·B·斯克伦格, S·K·森戈泰延
【申请人】操纵技术Ip控股公司