电机控制系统的制作方法

文档序号:15627003发布日期:2018-10-09 23:13

本发明涉及对电机的控制,特别是涉及对PWM控制的电机的电压及其内流过的电流的控制。



背景技术:

电机1的闭环电流控制器典型地采用图1所示的形式,其中,使用由合适的控制器提供的矢量控制,对电机的每个相绕组施加电压,并且测量所产生的电流。将测得的电流与所需的电流进行比较,并且将差值馈入控制器(典型为闭环PI控制器)内,该控制器输出为了使差值最小化而将要施加于电机的电压。还需要给出电机的电气位置的信号,以便确保以正确的相位将电压施加于电机。在图1的系统中示出了位置传感器,但是本发明同样可应用于无位置传感器的系统,在无位置传感器的系统中,根据其它传感器的测量结果来估计位置信号。

施加于每个电机相的电压典型地使用多相电桥电路的开关的脉宽调制PWM来调制。典型的电桥电路2示于附图的图2中。对于电机的每一相,电桥包括用于将相连接至正供电轨的上部开关以及用于将相连接至地或负供电轨的下部开关。通过用于控制开关的断开和闭合的PWM驱动器3将PWM信号施加于电桥。在任何时候,在电桥的桥臂内的开关可以全部闭合,或者其中一个可以是开路而其它为闭路,使得该相连接至正供电轨或负供电轨。在现有技术的系统中,对PWM驱动器的输入包括来自PI控制器的电压输出。

重要的是确保在电桥的任一桥臂内的顶部开关在该桥臂内的底部开关接通的同时不是接通的,因为这将会使电源的端子短路。因此,在开关的切换之间需要互锁延迟。这示于附图的图3中。互锁是两个开关于其间均断开的时段,并且会引入没有电流流入或流出相的死区时间。

申请人已经意识到,互锁延迟的使用会使PWM模式失真,并且这会在电机内引入在零电机电流状况附近不对称地变化的电流。这示于附图的图4中,在该图中可以看出,从控制器输出的需求电压相对于实际电机电流的曲线在零电流附近展现出非线性行为。这种影响在一系列低电流的情况下是显著的。

在电机被用于电动助力转向系统内的情形中,申请人已经意识到,这种非线性行为对驾驶员感受到的转向感具有负面影响。而且,申请人已经意识到,该非线性可能随着不同电桥而不同,所以不仅会感受到非线性的影响,不同的电桥驱动器之间也可能有不同的感受。



技术实现要素:

本发明提供了一种电机的控制系统,该控制系统包括:用于接收需求电机电流作为输入的控制器,该控制器在输出处产生中间电压需求信号;被布置为生成电压需求校正信号的电压需求信号校正装置;以及结合装置,被布置为结合中间电压需求信号和电压需求校正信号,以产生通过电机电桥驱动器的开关的脉宽调制施加于电机的实际电压需求信号,电压需求校正信号至少部分地对中间电压需求信号与电机电流之间的关系中的由电机电桥开关的切换中的互锁延迟引起的非期望的非线性进行补偿。

申请人已经意识到,通过使用系统的控制回路内的适当前馈项对从控制器输出的电压进行的修改可以被用来消除或者至少修改在电机的零电流点附近的切换互锁死区时间的影响。

电压需求校正信号可以通过完全消除因互锁延迟所致的非线性的影响来进行补偿。消除非线性会改善在低电机电流情况下(尤其是在零电流附近)的转向感。

可替代地,电压需求校正信号可以修改非线性的影响以保留中间电压需求信号与电机电流之间的已知量的非线性。例如,它可能不会完全消除非线性,但是可能会使其符合预定义的期望非线性。这在以下情形中可能是有用的:转向系统已经对具有特定非线性的电桥驱动电路进行了调谐,仅针对具有要使用的可能与调谐不兼容的不同非线性的不同电桥电路。由于调谐是昂贵的,因而这可以在转向系统的寿命周期内使用,以随着新的电桥驱动器的开发而使非线性保持在已知的范围内。

控制器可以包括PI控制器,并且在输入级可以包括比较器,该比较器根据需求电机电流与电机内流动的实际电流之间的差值生成电流差分信号。

优选的是,校正信号发生装置生成作为需求电机电流的函数的电压需求校正信号,将根据需求电机电流得出的信号作为输入。这是优选的,因为与实际测得信号相比,需求电机电流信号通常噪声更小。电压需求校正信号可以作为固定DQ坐标系中的电流需求信号的函数。

可替代地,电压需求校正信号发生装置可以生成作为实际测得电流信号的函数的电压需求校正信号。

电流信号(需求或实际)在被输入到校正信号发生装置之前可以通过滤波器,使得馈入到校正信号发生装置的信号的带宽不超过控制器的带宽。

滤波器的截止频率可以与控制器的带宽相匹配。它可以包括一阶低通滤波器。该滤波器可以是以下形式:

其中a和b是常数。

例如,在一种布局中,该方程可以使用a=1和b=0.5作为常数。

对于每个经滤波的需求(或实际)电流值,电压需求校正信号可以被定义为理想的电机电流/中间需求电压与实际电机电流/中间需求电压特性之间的差值。因此,电压需求校正信号可以包括电压值。

电压需求校正信号的值可以使用存储于存储器内的查找表来生成,该查找表保存着输入值中的一组值(需求电流或实际电流,视情况而定)以及相应的一组校正信号电压值。在需求(或实际)电机电流与表内存储的电流值不同的情况下,可以通过根据两个最近存储的电流值(理想的是一个在需求电流值以上并且一个在需求电流值以下)进行插值来生成校正信号。

该系统可以包括存储于存储器内的多个查找表以及用于根据电桥驱动器的性质选择其中一个查找表的选择装置。这使得控制器能够容易地针对不同的电桥驱动器进行补偿。电压需求信号校正装置可以被布置为在生成校正信号时应用所选择的查找表。

选择装置可以包括用户可操作界面,用户可以通过该界面手动地选择适当的查找表。

当然,作为查找表的替代,校正装置可以使用根据输入电流需求信号或测得电流来生成校正信号的其它方法。例如,可以使用限定电流与校正信号之间的关系的非线性数学函数。

存储器可以是可编程的,并且控制器可以被布置为学习因互锁延迟所致的在零电流附近的从控制器输出的中间需求电压与电机电流之间的非线性,以便生成需求电机电流值与校正信号值之间的关系,其是校正或至少部分校正非线性所需的。控制器可以包括测试模式,在测试模式期间进行学习。

控制系统可以包括电流感测装置,电流感测装置被布置为产生可指示电机内的电流的电流感测输出。

电机可以具有静止绕组以及相对于绕组旋转的转子。电流感测装置可以包括被布置为测量电机绕组内的电流的电流传感器。该电流可以被测量为绕组的参照系中的两个分量。电流感测装置可以包括变换装置,变换装置被布置为将测得电流变换到转子的参考系中,例如作为转矩产生分量和非转矩产生分量。

控制器可以被布置为输出在静止的参考系中的中间需求电压,该参考系可以是绕组的参考系,并且被定义为例如α分量和β分量;或者输出在旋转的参考系中的中间需求电压,该参考系可以是转子的参考系,并且被定义为例如D轴分量和Q轴分量。

在中间需求电压处于DQ坐标系中的情况下,电压需求校正信号也可以处于DQ坐标系中,并且需求电流信号同样如此。

本发明的优选实施例现在将通过实例(仅作示例)参考附图来描述。

图1是用于电机的已知的闭环电流控制系统的示图;

图2是示出用于图1的系统中的电桥驱动器的开关的示图;

图3是示出在电桥的一个桥臂内的开关的断开和闭合之间的互锁延迟的影响的示图,该互锁延迟引起了在电机的相中没有电流流过的死区时间;

图4是示出施加于电桥驱动器的电压需求信号与实际电机电流的曲线图,其中因互锁延迟所致的非线性清晰可见;

图5是根据本发明的用于校正互锁延迟的影响的控制电路;

图6是示出由存储于存储器内的查找表限定的校正信号的值与需求电流之间的关系的示图;以及

图7示出了施加校正信号对电机的线性的影响。

具体实施方式

参考图5,由根据本发明的一种实施例的闭环电机电流控制系统来控制电机10,该系统包括电流感测系统12和电流控制器14。电流感测系统12包括电流传感器16,该电流传感器16被布置为测量包括静止绕组的电机的三个相中的电流iU、iv、iw,并且输出可指示在静止坐标中的具有α分量和β分量的电流矢量的信号。可以在需要时针对噪声对电流传感器的输出进行校正,以便最好地指示电机相中的实际电流。电流感测系统还包括坐标变换块18,该坐标变换块18被布置为将电流矢量从静止参考系中的α分量和β分量转换成限定转子参考系中的电流矢量的D分量和Q分量iD和iQ,该转子参考系相对于固定的绕组旋转,Q轴电流是转矩产生的分量,并且D轴电流是非转矩产生的。比较器20接收来自电流感测系统12的D电流和Q电流,并且将它们与需求的D电流分量和Q电流分量进行比较以生成误差信号。电流控制器14接收电流误差并输出形式为所计算出的D轴和Q轴电压需求VDQ的需求电压矢量,以减少电流误差,使得测得电流矢量接近于需求电流矢量。另一个变换块22接收来自电流控制器的电压需求并将其转换成α分量和β分量Vαβ,其被输入到PWM驱动器24,该PWM驱动器24被布置为控制电机驱动电桥的多个开关以按照PWM模式对电机10的相绕组施加电压,该相绕组在绕组内产生具有与电压需求矢量对应的大小和方向的净电压。

PWM驱动器将馈入到驱动器内的电压需求信号转换成用于电机驱动电桥的顶部开关和底部开关的PWM信号。图2示出了典型的电桥。为了确保在电桥的任一桥臂内的顶部开关在同一桥臂的底部开关断开时没有断开,引入了互锁延迟。这在PWM驱动器内施加或者通过电桥自身来施加。这向PWM模式以及向零电流附近的电机电流中引入了非线性,因为PI控制器(与这种类型的所有控制器一样)假定电压需求与电机电流之间有线性关系。在没有互锁的理想电机中的电流与电压之间的这种预期线性关系受欧姆定律支配,在欧姆定律中V=IR。即V与I成比例,因为理想电机的相绕组的电阻是恒定的。互锁的影响是引入了其间电机电阻实际上非常大(实际上大约是正常电阻的8倍)的时间,这导致对于给定电压,电机内的电流低于预期电流。

因此,控制系统被布置为将校正信号施加于PI控制器的输出,其修改需求电压,从而产生馈入到PWM驱动器内的在DQ坐标系中的实际需求电压,代替于从控制器14输出的中间电压需求。校正信号针对互锁延迟的影响进行校正。

校正信号由校正信号发生装置26根据电流需求信号IDQ而产生,并且基于存储于存储器中的查找表内的值。在图5的示例中,对校正信号发生装置的输入是需求电机电流。

需求电机电流信号在被馈入到电压需求校正装置内之前通过滤波器。在本示例中,使用了离散一阶低通滤波器28。当然,该滤波器可以形成校正装置的一部分。滤波器的功能是确保被用来生成电压需求校正信号的需求电流信号的带宽不超过控制器14的带宽。通过确保校正信号的带宽不超过中间电压需求信号的带宽,若超过会对PI控制器的行为有不利影响。

图6是在DQ坐标系中的需求电流IDQ相对于校正信号电压的曲线图,该校正信号电压用于校正图4所示的非线性。应当注意,该曲线实际上是将要校正的非线性的反转,并且在沿着图4的V/I图像曲线的任一点,校正信号的值等于理想特性与实际特性之间的差值。

在本示例中,校正信号被添加到中间电压需求信号上,以产生馈入到PWM驱动器24的实际电压需求信号。可替代地,它可以具有与中间电压需求信号相反的符号并且被从该信号中减去。在其它布局中,校正信号可以是缩放因子,其乘以中间需求信号或者除中间需求信号。

图7是示出电压需求校正信号对于由控制器生成的中间电压需求信号与电机内的实际电流之间的关系的影响的曲线。可以看出,由于由校正信号施加的校正,它更加线性且更接近理想的。实际电压需求信号不再是需求电流的线性函数,该非线性对电桥的V-I传递函数中的反向非线性进行补偿。

控制系统可以有利地用于电动助力转向系统中,其中电机对转向施加辅助转矩以辅助驾驶员转动方向盘。校正在零电流附近的非线性可以大大地提升列车驾驶员所感受的转向感。

虽然所示出的实施例完全消除了在零电流附近的非线性的影响,或者至少接近于完全消除它,但是本发明可以被应用为使得非线性没有被完全消除,而是被校正为使该非线性与预定义的非线性一致。例如,在系统已经围绕作为已知电桥电路的特性的第一非线性函数进行了设计,然后使用具有不同非线性的不同电桥电路的情况下,本发明可用于使不同的电桥电路看起来具有与第一电桥相同的性能。这可确保不管使用哪个电桥,电机都始终一致地操作。在一些应用(诸如电动助力转向系统)中,这对于为给定的转向调谐提供一致的性能和良好的转向感可能是至关重要的,从而去除了重新调谐转向系统的需要,这种重新调谐是耗时的过程。

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