用于电动助力转向的马达控制抗积分饱和及电压饱和设计的制作方法

本专利申请要求在2015年5月28日提交的美国临时专利申请序列号62/167,520的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于电动助力转向（EPS）的马达控制抗积分饱和（anti-windup）和电压饱和（saturation）设计。

背景技术：

电动助力转向系统需要提供转向辅助的电马达通过使用转矩控制的方法来进行操作。在使用永磁同步马达（PMSM）时，利用磁场定向控制（FOC）。这允许交流（AC）三相马达电压和相关的电流信号被转换成同步旋转参考系（即，d/q轴参考系）。在d/q轴参考系中，马达电压和电流变为直流（DC）量。FOC转矩控制技术可使用前馈控制方法或闭环电流反馈控制来实现。

在电动助力转向系统中的电马达的闭环电流控制具有在控制系统的能力之外跟踪所需的转矩指令（例如，马达转矩指令）的苛刻要求。在此之中，需要控制系统的整个操作范围的性能的一致性，包含在整个马达速度范围的操作和接近供电电压限制的操作。

不像利用PMSM的高压电源应用，车辆的控制系统可用的供电电压具有限度，而在车辆应用中使用的马达其大小通常设计为传送稳定状态的电力要求。对于闭环电流反馈马达控制架构，控制系统被设计为以接近零稳态误差跟踪电流阶跃指令。两个积分器可以用于此目的，每个积分器用于每个电流回路。电流控制器对参考电流和所测电流应用适当的变换以便获得电压指令，然后将该电压指令经由电压源逆变器（VSI）被施加于该马达。

一些电流控制系统被设计为预期满足一组给定的线性系统性能指标的准线性反馈架构。然而，在达到致动器限度时，与致动器相关的非线性约束会导致线性反馈控制回路变得不稳定，从而导致整体系统性能下降。这种性能下降可以在跟踪行为、转矩脉动和可听见噪声方面表现出来。电马达控制系统中的一种此类非线性在于施加到马达的总电压受在VSI的输入端可用的电压量限制。如果线性控制回路计算产生的整个电压指令大小超出电池的输出的电压指令，则该电压指令可能需要被限制。

由于装置输入饱和非线性的存在所产生的问题在于，当控制器计算超出系统的电压限度的电压指令（瞬时或稳定状态）时，该电压指令被限制在电池电压可用的最大值。状态（或具有存储器的控制器的元件），诸如积分器的状态是不正确的，因为它们不符合最初计算的非限定或预限定的电压指令。如果饱和条件持续一段时间，则控制器的状态可能变得非常不正确。在系统返回线性工作范围内时，该状态可以在一定量的时间之后返回正确值，这取决于饱和条件持续多长时间。被称为控制器积分饱和（windup）的这种情况会产生很差的整体控制系统的性能和不稳定性。

一些抗积分饱和的方案主要集中在单输入单输出（SISO）系统，特别是PID型控制器。近年来针对工厂输入非线性的多输入多输出（MIMO）AW系统的设计方法已有了最新进展。然而，这些技术主要集中在对每个控制信号具有独立饱和限度的MIMO系统。在PMSM电流控制系统中，非线性是两个控制信号在一起饱和的径向或循环电压限度。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，用于防止电马达中的控制积分饱和的系统包括限制模块，其响应于指令电压超出马达电源的可用电压确定限制电压指令，所述限制电压指令被施加于电马达；饱和参量模块，其基于所述限制电压指令确定饱和参量，所述饱和参量表示超出可用电压的指令电压的大小；非线性处理模块，其处理所述饱和参量以生成经处理的饱和参量；以及参考电流修正器模块，其基于所述经处理的饱和参量生成电流指令，所述电流指令被施加于所述控制系统以改进电流指令跟踪。

用于控制电马达中的积分饱和的方法包括响应于指令电压超出马达电源的可用电压确定限制电压指令，所述限制电压指令被施加于电马达；基于所述限制电压指令确定饱和参量，所述饱和参量表示超出可用电压的指令电压的大小；处理所述饱和参量以生成经处理的饱和参量而保留在非线性状态；以及基于所述经处理的饱和参量生成电流指令，所述电流指令被施加于所述控制系统以改进电流指令跟踪。

通过下列结合附图的描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

本发明关注的主题在本说明书的结论部分的权利要求中特别指出并明确要求保护。通过下列结合附图的详细描述，本发明的上述和其它特征和优点将更加明显，其中：

图1为根据示例性实施例的马达控制系统的示例性示意图；

图2为根据示例性实施例的马达的相量图；

图3为根据示例性实施例的包含抗积分饱和模块的马达控制系统的示例性框图；

图4为根据示例性实施例的抗积分饱和模块的示例性框图；

图5为根据示例性实施例的抗积分饱和方法的示例性框图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个方面的马达控制系统10。在所示的示例性实施例中，马达控制系统10包含马达20、逆变器22、供电电压24和控制模块30（也被称为控制器）。电压供应24向马达20供应供电电压。在一些实施例中，电压供应24为12伏电池。不过，应当理解，也可使用其它类型的电压供应。逆变器22通过可被标记为‘’、‘’和‘’的多个连接件32（例如，三个连接器）连接至马达20。在一些实施例中，马达20为多相、永磁同步马达（PMSM）。在该示例中，马达20为三相PMSM。控制模块30通过逆变器22连接至马达20。

控制模块30从转矩控制系统34（诸如例如转向控制系统）接收马达转矩指令。控制模块30包含控制逻辑，该控制逻辑通过逆变器22向马达20发送马达电压指令。

图2继续参考图1，图2表示马达控制系统的相量图200，其中，指令电压受方向保持电压限制器限制。在图2中，直轴（d轴）的电压大小在竖直轴上表示，而正交轴（q轴）的电压大小在水平轴上表示。马达20（图1）可经操作，使得在图2中示为的马达电压指令超出逆变器22的能力。具体地，逆变器22可具有输入源电压限度，其在图2中示为在直轴（d轴）和正交轴（q轴）之间延伸的弧度的大小。

为了在马达20的可操作控制期间将马达电压指令限制在逆变器的操作参量内，可被修正。如图2所示，马达电压指令可被限制在由表示的大小，其可小于或等于。因此，在逆变器的源能力内。电压向量和的定向角度在图2中也被分别示为和。电压向量和受限制，使得的定向角度被保存（即，）。

图3为根据本发明的一些实施例的控制模块30的框图，除了其它子模块之外，控制模块30还包含电压限制器模块316、非线性处理模块301、参考修正模块318。如图所示，控制模块30包含若干子模块–BEMF补偿模块302、积分模块308、补偿模块306和310、修正模块320、减法模块304和加法模块312、314。图3还示出马达20（也在图1中示出）。

马达20为由控制模块30控制的装置。即，马达20接收实际马达电压指令。该实际马达电压指令基于马达电压指令。实际马达电压指令可受限制模块316限制，这取决于马达电压指令是否超出逆变器22或马达20的其它电源的能力。马达20生成转矩和电流（即，取出或输出电流，该电流为如上面参考图1和2所述的实际马达电流）。在d/q轴坐标系中定义的下列方程式可描述马达20的装置的装置传递函数（使用火线至零线定义，line to neutral definition）：

（方程式1）

（方程式2）

（方程式3）。

其中，、为d/q马达电压（单位为伏特），、为d/q马达电流（单位为安培），、为d/q轴马达电感（单位为亨利），为马达电路（马达加上控制器）电阻（单位为欧姆），为马达BEMF系数（单位为Volts/rad/s），为机械马达速度（单位为rad/s），以及为电磁马达转矩（单位为Nm）。

在一些实施例中，限制器模块316为方向保持电压限制器，其保持初始相位角同时将大小减至最大可用电压。不过，其它电压限制器可用于修正电压指令的大小和角度的限制器模块316。限制器模块316输出由表示的限制电压指令。

提供的转矩方程式是非线性的，其表示通过影响永磁体的磁场所形成的转矩以及转子凸极效应（rotor saliency）（和之间的差异）和正确选择和所生成的磁阻转矩的总和。

此外，装置的磁链可表示为：

（方程式4）

（方程式5）。

需要指出，d轴磁链包括由于永磁体的通量和由于d轴定子电流的相对通量分量。就磁链而言，电压方程式可重新表述为：

（方程式6）

（方程式7）。

在稳定状态时，电压方程式可变成，

（方程式8）

（方程式9）。

马达20连同控制模块30构成具有一定频率响应特性的闭环系统。应认识到，该闭环系统的频率响应受一组模型方程式支配，该模型方程式定义将输入电流指令变换为输出电流的传递函数。换句话讲，通过发送基于输入电流指令所生成的实际马达电压指令，控制模块30调控输出电流。为测得的并反馈给控制模块30的电流。

修正模块320取测得的反馈电流作为马达20的输入。基于测得的反馈电流，修正模块320从q轴电流分量的变化解耦输出电流的d轴分量。

补偿模块306和310构成矩阵值（或者，多维）比例-积分（PI）控制器，其补偿在指令电流和测得电流之间的差值以控制马达20。补偿模块306从差值电流产生比例电压指令（由减法模块304确定）。补偿模块306连同积分模块308产生积分电压指令。加法模块312组合电压指令和以产生电压指令。比例电压指令和积分电压指令以下面的方式来确定：在组合的电压指令施加于马达20时，所述组合电压指令致使至电流传递函数的总电流为特定的期望量级。需要指出，、、、、和中的每个具有d轴分量和q轴分量。而且，、、、、和表示向量而不是标大小。

补偿模块306为比例控制器以及补偿模块310为积分控制器。除了在马达输入扰动传递函数特性和电流测量噪声传递函数特性之间提供有益的折衷以外，比例补偿模块还在期望第一阶类型响应时，帮助配置闭环系统的频率响应。在期望更高阶传递函数（例如，第三阶）时，利用与PI控制器不同的配置。

如本文所使用的，术语“模块”或“子模块”是指专用集成电路（ASIC）、电子电路、处理器（共享、专用或群组）和执行一或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适部件。当在软件中实现时，模块或子模块可以在存储器中实施为可由处理电路读出并存储指令的非暂态机器可读存储介质，所述指令由处理电路执行以用于执行方法。此外，如图3所述的模块和子模块可组合和/或进一步分区。

在一些实施例中，控制模块30为具有闭环的反馈控制器。即，马达20的输出电流被反馈至控制模块30以及控制模块30使用该反馈来调控马达20的输出。在输出电流被反馈至控制模块30时，会生成控制器积分饱和，其中，马达电压指令可能超出实际马达电压指令。由于在这种情况下生成的积分饱和状况，这会导致马达控制系统的不稳定性。

控制系统通常被设计为满足一组线性性能指标，但是控制系统通常使用具有操作限度的致动器，诸如逆变器。在控制模块30产生超出致动器能力导致饱和的控制信号时，控制器会发生积分饱和。在饱和状况下，施加于装置的控制信号受到限制并且具有记忆力（或状态）的控制器的每个分量会不正确地更新。这种状况会导致控制器记忆累积大量的错误，这只有在系统退出饱和并在此状况下保持一段时间后才返回正确值。因此，在控制器发生积分饱和时，该系统可能在比预期更长的时段内保留在饱和状况，并最终降低整体性能。

如下面更详细描述的，由模块301、316和318组成的抗积分饱和方案选择性检测电压饱和状况并向控制系统的输入端提供实际马达电压指令的精确表示，从而提高系统性能。在d轴和q轴两者的电流回路的电流调节器的输出的向量总和在大小上大于可用直流母线电压时，会发生电压饱和状况。电压饱和可根据下面方程式来表示：

（方程式10a）。

抗积分饱和方案在图4中示出。限制器模块316（图3）确定指令电压是否超出最大可用供电电压。在指令电压超出最大可用供电电压或设定阈值电压的情况下，电压向量的大小基于下面根据一些实施例的方程式被设定等于下面的值：

（方程式10b）。

还如图4所示，抗积分饱和模块400包含饱和参量模块404。饱和参量模块404计算饱和参量，该饱和参量为表示饱和的大小的值。在一些实施例中，饱和参量与马达电压指令超出所述控制回路可以提供给马达的可用电压的程度相关。因此，饱和程度可表示电压指令与提供给马达的实际电压的比率。饱和程度由下面的方程式定义：

（方程式11）

其中，为马达电压指令的大小以及为供电电压。电压饱和非线性可为几何径向的，以及饱和程度可利用总电压向量大小的比率而不是初始控制信号和限制控制信号的差值来更精确地检测。通过上面的方程式应当认识到，出于准确性考虑使用直流母线电压，而实际马达电压指令可不怎么精确地表示逆变器能够提供的电压。更为具体地，在电压限度不是由方向保持电压限制器执行时，用于计算的是不精确的。

在另一实施例中，饱和参量相对于饱和量表示，其可由饱和参量模块404通过使用下面的方程式来另外计算：

（方程式12）。

饱和量定义由图2中的表示的弧度定义的最大电压限度圆的指令电压的大小。再者，也可使用类似于上面提出的的标量版本。

例如，通过利用上面针对饱和程度和饱和量的计算中所定义的比率，要考虑电压约束的几何结构。换句话讲，电压约束的方向得以保持，并因此抗积分饱和方案400可更精确地确定修正的电流指令。这些经修正的电流指令有助于防止积分器积分饱和。

此外，饱和参量模块404计算饱和参量。在一些实施例中，饱和参量为由下面的方程式定义的逆饱和程度：

（方程式13）。

另选地，饱和参量可为饱和量的倒数。可由饱和程度模块404从计算的比率为定义如下的限制饱和量：

（方程式14）。

对于在一些情况下可以变得比1更大的高带宽系统，可导致具有降低的精确度。

饱和参量模块404向非线性处理模块406输出饱和参量。

抗积分饱和模块400的非线性处理模块406在不受先前状态影响的情况下减少饱和参量的输出的噪声，从而生成经处理的饱和参量。非线性处理模块406不包含存储器并且不使用输入信号的任何历史信息。在实际控制系统中由于参考连续变化，瞬态饱和而不是稳态饱和是更重要的问题。由于若干不同原因与高带宽电流调控的要求相关联，上述电压限制器方案有时候会导致有噪声的参考，最终导致有噪声的输出。降低这种噪声的标准低通滤波器是不可取的，因为不仅滤波器在反馈中引入延迟，而且滤波器具有状态，并因此其自身遭受积分饱和，从而导致信号的变化。

非线性处理模块406同样充当伪滤波器并利用非线性函数来实现，其输出为当前输入并且不是该输入的先前值（或状态）的函数。按数学方法，该操作可定义为如下所示。

（方程式15）。

在一些实施例中，非线性处理模块406为平方根函数。应当清楚，可利用其它函数，其中，是输出的一些要求可仅为当前输入值的函数，并且不取决于先前状态；该函数可经过起点（即，在输入为零时，输出应该为零），并且在输入为1时，其输出可等于输入。在适当配置时，借助于此类函数的平滑形状，此类函数降低电压比率的瞬态尖峰。非线性处理（伪滤波）函数的示例由下面的方程式定义：

（方程式16）。

参考修正模块408从经处理的饱和参量生成修正的电流指令。

参考修正模块408可利用增加和降低的参考修正函数。通量指令可基于电压饱和的程度来修正。一般来讲，通量指令可通过利用为电压饱和的程度的函数的两个比率和来修正。这些比率可定义如下：

（方程式17）

（方程式18）。

通过解出上述方程式，获得的修正电流参考为：

（方程式19）

（方程式20）。

量为d轴电流的最大可能值，在该最大可能值，总的d轴磁链变为零。其可被定义为。此外，参考修正函数可为将控制系统操作转换为增强的场弱化模式的直线，该增强的场弱化程度由比率确定。还可看出，如果变为零，则修正参考只可以变为，在实际的马达控制应用中，这是非常不可能的。

通过使用可为更保守或更不保守的不同值，使用下面的参考修正方程式，前述的d轴方程式可直接用于参考修正。

（方程式21）

（方程式22）。

在此情况下，该比率不再表示通量修正。一个替代值可被定义为：

（方程式23）。

在这里，为正的标量，其通常为小于1的分数，该方程式产生比基于通量限度的值更大或更小的最大d轴电流值。

另一d轴最大电流值可基于q轴参考电流和基于总电流的另一限度在线计算，所述另一限度可能由于逆变器或机器所导致。例如，电流限度可基于机器上的堵转电流或基于所使用的FET的最大能力来定义。由此，d轴最大电流可被计算为，

（方程式24）。

以及为表示电流指令的修正电流参考。

图5为根据本发明的一些实施例的可以由控制模块30执行的控制方法的流程图。根据本公开可以认识到，本方法内的操作次序并不局限于如图5所示的顺序执行，而是以适用的一或多个变化次序并根据本公开来执行。

在方框502，控制模块30响应于指令电压超出马达电源的可用电压来确定限制电压指令。该限制电压指令可施加于电马达。在方框504，控制模块30基于该限制电压指令确定饱和参量。该饱和参量表示超出可用电压的指令电压的大小。在方框506，控制模块30通过利用非线性平滑函数来确定经处理的饱和参量。在方框508，控制模块30基于该经处理的饱和参量生成电流指令。该经修正的电流指令被施加于控制系统以改进电流指令跟踪。

虽然本发明只结合有限数量的实施例来详细描述，但是应当理解，本发明并不局限于此类公开的实施例。相反，本发明可以更改以并入任何数量的变型、改变、置换或未在此描述的等效布置，但是应与本发明的精神和范围相称。另外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可只包含所述实施例的其中一些。因此，本发明不应视作受前面的描述限制。