自动化电机控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及自动化电机控制。输入-输出线性化（IOL）和扩张状态观测器（ESO）技术被应用于永磁同步电机（PMSM）（200）的磁场定向控制（FOC）。在一个这样的方法中，至少一个增益值至少部分基于给定带宽值被确定。电机（200）的工作参数基于至少一个增益值和来自电流传感器（217，218）与电机电流相关的信息被确定。用于控制电机（200）的控制信号基于所确定的工作参数被确定。因此，通过IOL和ESO技术的实施，自动控制能够通过设置带宽值来实现。
【专利说明】自动化电机控制
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及电动机控制器，更具体地，涉及利用改进自动化方面控制电动机。
【背景技术】
[0002] 各类电动机是众所周知的。一般而言，电动机通过向电机的输入端施加电流进行 驱动，其中电流建立的磁场与另一个磁场相互作用以转动电机转子。例如，一个或更多个永 磁体能够提供与输入电流产生的磁场相互作用的磁场。电机的转动能够通过控制施加到电 机的电流的各种方面进行控制。
[0003] 电机具有多种设计。一种常见的设计包括具有三个电流流过的导线绕组，其中电 流流动产生的磁场与多个永磁体相互作用。为了控制具有复杂设计的电机，电流控制会需 要基于电机的工作反馈进行改变的复杂自动模式。
[0004] 现今的许多电机控制系统(如可以与用在洗衣机、电子自行车、制造应用，以及任 何其他自动电机控制中的电机连用）包括速度和电流控制器，所述速度和电流控制器包含 必须被手动调整以实现期望的系统性能水平的参数。性能通常依据控制器的抗干扰性能、 对参数不确定性的鲁棒性以及建立时间进行测量。然而，针对较大应用空间，因为电机被应 用于具有不同电机控制需求的各种各样的应用中，手动调整控制器能非常耗时和繁琐。而 且，对于具体应用的控制器参数调增并不意味着相同参数将会给予不同应用所期望的系统 性能。改变应用常常降低控制器的鲁棒性和抗干扰性能。而且，许多应用需要控制系统专 业知识基于电机控制解决方案开发微控制器，其中的专业知识是软件工程师不可得到的。
[0005] 在本领域中的一个已知方案中，磁场定向控制（F0C )被用于永磁同步电机 (PMSM)。这类电机具有非线性特性，以及控制这类电机的一种方法是线性化所述特性并施 加线性控制。传统的基于比例积分（PI)的磁场定向控制中的主要控制流在图1中示出。PI 的使用要求六个增益的手动调整（kp和ki用于每三个PI)以实现所期望的系统性能。这些 增益通常通过实验室试验发现。而且，在使用这种方法时，没有封闭形式的解决方案确定期 望的控制器带宽(控制电机时的控制器的计算能力量)。
[0006] 在其他主要动态系统或背景中，通过使用简化的和/或特定的输入-输出线性化 (I0L)和扩张状态观测器（ES0)技术应用F0C。这种简化形式被称为自抗扰控制（ADRC)。这 种方法应用到PMSM环境具有某些限制。例如，在这种背景下，ADRC的应用已经使用速度的 一阶ADRC以及i d和的PI，或者速度、id和的一阶ADRC。然而，不需要级联速度和 的两个控制系统。不必要地增加控制器的数量不仅增加了增益设计的复杂性，而且降低了 系统性能。
【发明内容】
[0007] 一般而言，根据这些各种实施例，输入-输出线性化（I0L)和扩张状态观测器 (ES0)技术应用于永磁同步电机（PMSM)的磁场定向控制（F0C)。在一个这样的方案中，至 少一个增益值至少部分基于给定带宽值被确定。电机的工作参数基于至少一个增益值和来 自电流传感器的与电机电流有关的信息被确定。用于控制电机的控制信号基于所确定的工 作参数被确定。因此，自动控制能够通过IOL和ESO技术的实施，通过设置带宽值实现。而 且，与之前的应用相比，能够减少控制器的总数量。在阅读和研究下列具体描述后，这些和 其他益处将变得更加清晰。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 通过提供自动电机控制的下列详细描述，尤其是结合附图进行学习，可以至少部 分地满足上述需求，其中：
[0009] 图1包括PMSM电机控制的示例性现有技术方案的示意图；
[0010] 图2包括根据本发明的各种实施例配置的电机控制的示例方案的示意图；
[0011] 图3包括根据本发明的各种实施例配置的电机控制的示例方法的流程图；
[0012] 图4包括根据本发明的各种实施例配置的电机控制方案的抗扰性仿真的负载扭 矩曲线示意图；
[0013] 图5包括根据本发明的各种实施例配置的电机控制方案的抗扰性仿真的给定负 载扭矩曲线的具有抗扰性的转子速度和电流^示意图；
[0014] 图6包括根据本发明的各种实施例配置的电机控制方案的抗扰性仿真的给定负 载扭矩曲线的具有抗扰性的控制力度、和 '示意图；以及
[0015] 图7包括根据本发明的各种实施例配置的电机控制方案的抗扰性仿真的(转子+ 负载）惯性J中的参数不确定性的转子速度和电流i d示意图。
[0016] 本领域技术人员应当明白，为了简化和清楚起见，所示绘图中的元件并不一定按 比例绘制。例如，绘图中的一些元件的尺寸和/或相对位置可以相对于其他元件夸大，以帮 助理解本发明的各种实施例。而且，商业上可行的实施方案中的有用或必要的常用但易于 理解的元件通常未被示出，以免阻碍这些不同实施例的视图。应当进一步明白，某些动作和 /或步骤可以以特定出现顺序描述或示出，而本领域的技术人员应当理解，这种关于顺序的 规定并不是实际要求的。应当理解，本文所使用的术语和表达具有普通技术含义，如上述符 合本领域的技术人员所理解的术语和表达一样，除非不同的具体含义已经在文中阐述。
【具体实施方式】
[0017] 现参照绘图，具体参照图1，描述了一种电机控制现有方案，以帮助说明本文所述 的进步。在图1中，PMSM100通过使用传统的基于PI的磁场定向控制方案进行控制。整流 器105向逆变器110提供电力。逆变器110包括各种门或开关，以从整流器105提取电力 并将电力施加于电机100的三个绕组的电流路径112、113、114。逆变器110通过从控制设 备120接收控制信号进行控制。电机100的电流（^和i b)被感测并通过使用已知数学变 换、克拉克-柏克变换（Clarke-Park transformation) 125进行变换，以获得反馈值iq和 id。估计器130提取可用电机电流（i α和i e )和所施加的电压（Va和Ve )值并输出估计的 转子位置Θ&和速度ω&。估计的转子位置Θ&被用于柏克（Park)变换中。估计的速度 ? est和基准速度ωΜ?比较135,以确定基准速度ωΜ?的方差。所述方差被应用到速度比例 积分（ΡΙ)计算模块140,以确定与速度有关的基准电流值（i q)Mf。这个速度相关的基准电 流值（iq)Mf与克拉克-柏克变换125的电流反馈值比较145,以确定方差，所述方差被 提供给iq电流比例积分（PI)计算模块150,以确定用于控制电机的基准电压值（V,) Mf。
[0018] 类似地，克拉克-柏克变换125的电流信息id与基准电流（id) ,ef比较160,以确 定基准电流（id)Mf的方差。所述方差被提供给id电流比例积分（PI)计算模块165,以确定 控制电机的基准电压值（Vd) 。电压基准值（V,) 和（Vd) 输入到逆柏克变换170,以获 得脉冲宽度调制器180使用的电压值（Va ) 和（Ve ) ，所述脉冲宽度调制器使用这些值 输出逆变器110的控制信号。
[0019] 在一般的情况下，一般的二阶动态系统，例如电机，能被表示为
[0020]
【权利要求】
1. 一种装置，其包括： 输入端，其经配置接收来自至少一个电流传感器的信息，所述至少一个电流传感器经 配置感测到永磁同步电机的至少一个电流路径中的电流； 处理设备，其被连接以从所述输入端接收与所述至少一个电流路径中的电流有关的信 息，并经配置以发送控制所述永磁同步电机工作的信号，所述处理设备经配置： 接收带宽值；以及 至少部分基于所述带宽值确定至少一个增益值； 通过应用具有扩张状态观测器反馈的输入-输出线性化，使用磁场定向控制，至少部 分基于所述至少一个增益值和来自所述电流传感器与所述至少一个电流路径中的所述电 流有关的信息，确定电机的工作参数； 基于所述工作参数使控制信号发送到控制电路，以控制电机的操作。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述处理设备经进一步配置以通过下列操作确定 所述永磁同步电机的所述工作参数： 通过使用基准转速和速度扩张状态观测器反馈，实施输出速度控制值的输入-输出线 性化速度控制器，以及 通过使用基准d-轴线电流和电流扩张状态观测器反馈，实施输出电流控制值的输 入-输出线性化电流控制器。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述处理设备经进一步配置，通过实施输出速度 控制值的一个输入-输出线性化速度控制器和通过实施输出电流控制值的输入-输出线性 化电流控制器，确定所述永磁同步电机的工作参数。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中所述处理设备经进一步配置以通过接收与基准速 度有关的信息和来自所述处理设备的扩张状态观测器速度模块的反馈，实施输出速度控制 值的所述一个输入-输出线性化速度控制器。
5. 根据权利要求4所述的装置，其中所述处理设备的扩张状态观测器速度模块经配置 以接收与电机速度有关的反馈信息和来自所述一个输入-输出线性化速度控制器的控制 信号，以及将扩张状态观测器输出作为所述反馈提供给所述一个输入-输出线性化速度控 制器。
6. 根据权利要求3所述的装置，其中所述处理设备经进一步配置以通过接收与基准 电流有关的信息和来自扩张状态观测器电流模块的反馈，实施输出电流控制值的所述输 入-输出线性化电流控制器。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中所述处理设备的扩张状态观测器电流模块经配置 以接收与d-轴线电流有关的反馈信息和来自所述输入-输出线性化电流控制器的控制信 号，以及将扩张状态观测器输出作为所述反馈提供给所述输入-输出线性化电流控制器。
8. 根据权利要求1所述的装置，其中所述处理设备经进一步配置以通过选择观测器增 益，从而通过将所有极点设置在扩张状态观测器带宽处，以使扩张状态观测器速度模块的 特征多项式具有全部正的实系数，以至少部分基于所述带宽值确定所述至少一个增益值。
9. 一种方法，其包括： 由处理设备接收来自至少一个电流传感器的与到永磁同步电机的至少一个电流路径 中的电流有关的信息； 由所述处理设备至少部分基于带宽值，确定至少一个增益值； 通过应用具有扩张状态观测器反馈的输入-输出线性化，使用磁场定向控制，由所述 处理设备至少部分基于所述至少一个增益值和来自所述至少一个电流传感器与所述至少 一个电流路径中的所述电流有关的信息，确定所述永磁同步电机的工作参数； 所述处理设备基于所述工作参数使控制信号发送，以控制所述永磁同步电机的操作。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述处理设备确定所述永磁同步电机的工作参 数进一步包括： 通过使用基准旋转速度和速度扩张状态观测器反馈，实施输出速度控制值的一个输 入-输出线性化速度控制器，以及 通过使用基准d-轴线电流和电流扩张状态观测器反馈，实施输出电流控制值的输 入-输出线性化电流控制器。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中所述处理设备确定所述永磁同步电机的工作参 数进一步包括实施输出速度控制值的一个输入-输出线性化速度控制器以及实施输出电 流控制值的输入-输出线性化电流控制器。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述实施输出速度控制值的所述一个输入-输 出线性化速度控制器包括接收与基准速度有关的信息和来自扩张状态观测器速度模块的 反馈。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述扩张状态观测器速度模块接收与电机速度 有关的反馈信息和来自所述一个输入-输出线性化速度控制器的控制信号，以及将扩张状 态观测器输出作为所述反馈提供给所述一个输入-输出线性化速度控制器。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述实施输出电流控制值的所述输入-输出线 性化电流控制器包括接收与基准电流有关的信息和来自扩张状态观测器电流模块的反馈。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述扩张状态观测器电流模块接收与d-轴线电 流有关的反馈信息和来自所述输入-输出线性化电流控制器的控制信号，以及将扩张状态 观测器输出作为所述反馈提供给所述输入-输出线性化电流控制器。
16. 根据权利要求9所述的方法，其中由所述处理设备至少部分基于带宽值确定至少 一个增益值包括选择观测器增益，从而通过将所有极点设置在扩张状态观测器带宽处，以 使扩张状态观测器速度模块的特征多项式具有全部正的实系数。
17. 根据权利要求9所述的方法，其中由所述处理设备至少部分基于带宽值确定至少 一个增益值包括选择输入-输出控制器增益，从而通过将所有极点设置在输入-输出线性 化控制模块带宽处，以使输入-输出线性化控制模块的特征多项式具有全部正的实系数。
18. -种方法，其包括： 由处理设备接收来自至少一个电流传感器与到永磁同步电机的至少一个电流路径中 的电流有关的彳目息； 通过选择观测器增益，从而通过将所有极点设置在扩张状态观测器带宽处，以使扩张 状态观测器速度模块的特征多项式具有全部正的实系数，以由所述处理设备至少部分基于 所述带宽值确定至少一个增益值； 至少部分基于所述至少一个增益值和来自所述至少一个电流传感器的与所述至少一 个电流路径中的所述电流有关的信息，使用磁场定向控制，由所述处理设备确定所述永磁 同步电机的工作参数，其通过； 实施一个输出速度控制值的二阶输入-输出线性化速度控制器，所述一个二阶输 入-输出线性化速度控制器接收与基准速度有关的信息和来自扩张状态观测器速度模块 的反馈，其中所述扩张状态观测器速度模块接收与电机速度有关的反馈信息和来自所述一 个二阶输入-输出线性化速度控制器的控制信号，并将扩张状态观测器输出作为所述反馈 提供给所述一个二阶输入-输出线性化速度控制器，以及 实施输出电流控制值的单阶输入-输出线性化电流控制器，所述单阶输入-输出线性 化电流控制器接收与基准电流有关的信息和来自扩张状态观测器电流模块的反馈，其中所 述扩张状态观测器电流模块接收与d-轴线电流有关的反馈信息和来自所述单阶输入-输 出线性化电流控制器的控制信号，并将扩张状态观测器输出作为所述反馈提供给所述单阶 输入-输出线性化电流控制器； 所述处理设备基于所述工作参数使控制信号发送，以控制所述永磁同步电机的操作。
【文档编号】H02P21/13GK104052363SQ201410097878
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】A·S·卡塔瑞亚, D·P·麦吉 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司