具有共模电压补偿的马达控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有共模电压补偿的马达控制系统。提供了一种马达控制系统，且包括马达，设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器；以及电流补偿控制器。该电流补偿控制器与至少一个差分放大器通信，并被设置成周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压。该电流补偿控制器还设置成基于共模电压确定校正的相电流值。
【专利说明】具有共模电压补偿的马达控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于马达的控制系统，且更特别地涉及一种基于差分放大器的共模电压来确定校正相电流值的用于马达的控制系统。
【背景技术】
[0002]永磁同步马达(PMSM)、表面式永磁(SPM)马达、或内置式永磁(IPM)马达的闭环电流模式控制通常要求相对精确的相电流测量以便维持由马达在具体限制下产生的转矩脉动。可以使用精密的分流电阻器和电流感应差分放大器来测量相电流。然而，差分放大器不仅放大差分电压，而且还放大输入端处共模电压的一些量。因此，当使用差分放大器的输出电压来计算相电流时，由于测量时在输入端处的共模电压的存在而导致得出的电流测量值具有误差。
[0003]如果在差分放大器的输出端使用抗混叠滤波器，那么共模电压的影响将会随着脉宽调制(PWM)周期而改变。还应当注意到共模电压的量从部件到部件变化，并且可能由于具体的差分放大器而不同。当尝试对差分放大器中的共模电压进行补偿时，所有这些因素均会造成问题。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，提供一种马达控制系统，并且包括马达，设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器，以及电流补偿控制器。电流补偿控制器与所述至少一个差分放大器通信，并且设置成周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压。电流补偿控制器还设置成基于共模电压确定校正的相电流值。
[0005]在另一个实施例中，提供了一种控制马达的方法。该方法包括通过电流补偿控制器周期性地确定至少一个差分放大器的共模电压。所述至少一个差分放大器设置成监测施加至马达的相电流。该方法包括通过电流补偿控制器基于共模电压确定校正的相电流值。
[0006]这些和其它的优点和特征将会在下面结合附图的描述中变得更加显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]被视为本发明的主题特别地在说明书结论处指出并明确要求在权利要求中。下面的和其它的本发明的特征及优点会从下面结合附图的详细描述中显而易见，其中:
[0008]图1是根据本发明一个示例性实施例的马达控制系统的方块图；
[0009]图2是根据本发明另一个示例性实施例的数据流程图，其示出了示例性电流补偿控制器；
[0010]图3是根据本发明另一个示例性实施例的数据流程图的替代实施例，其示出了示例性电流补偿控制器；以及
[0011]图4是根据本发明另一个示例性实施例的示例性查找表，其在末行(行结束)校正期间产生。
【具体实施方式】
[0012]现在参照附图，其中将参照具体实施例描述本发明，而不是限制本发明，图1是马达控制系统10的示例性方块图。马达控制系统10包括指令电流控制器20、d轴比例积分增益(PI)控制器22、q轴PI控制器23、极性转换控制器24、占空比计算控制器26、逆变器28、DC电源30、马达32、位置传感器34、速度传感器36、变换控制器38、a轴差分放大器40 (该差分放大器也可称为运算放大器)、b轴差分放大器42、a轴模数转换器(ADC) 44、b轴ADC46、以及电流补偿控制器48。在一个实施例中，马达32可以是永磁同步马达(表面式永磁(SPM)马达或内置式永磁(IPM)马达)，然而应当理解也可使用任何类型的使用相电流控制的电动马达。
[0013]在图1所示的实施例中，逆变器28连接至DC电源30，其中DC电源30可为例如电池。DC电源30可通过DC输入线49连接至逆变器28。可以使用变换器51监测DC输入线49两端的桥电压Veeu。表示桥电压Veeu的控制信号53可被发送至指令电流控制器20以及占空比计算控制器26。在所示示例性实施例中，逆变器28通过线50、线52和线54传送三个交流(AC)相电流至马达32(例如，1、^和i。)用于马达32的运行和控制。
[0014]出于反馈控制的目的，可检测通过线50和52传送至马达32的相电流ia和ib来确定流至马达32的瞬时电流。具体地，可以使用变换器56监测线50上的相电流ia，并且可以使用变换器58监测线52上的相电流ib。应当注意，尽管示出了变换器56和变换器58,但是可以只监测线50或52中的一条来测量相电流ia或相电流ib。表示所测量的相电流ia的控制信号60可从变换器56发送至a轴差分放大器40，并且表示所测量的相电流ib的控制信号62可从变换器58发送至b轴差分放大器42。相电流ia的增强或放大值随后从a轴差分放大器40发送至a轴ADC44，并且相电流ib62的放大值从b轴差分放大器42发送至b轴ADC46。a轴ADC44 将相电流ia的放大值转换为数字值64。数字值64表示相电流ia的量级。b轴ADC46将相电流ib的放大值转换为数字值66。数字值66表示相电流ib的量级。
[0015]电流补偿控制器48接收来自ADC44的数字值64和来自ADC46的数字值66 (其分别表示线50上的相电流ia以及线52上的相电流ib)、桥电压V_、以及来自占空比计算控制器26的占空比值Da和Db作为输入。占空比计算控制器26生成占空比值Da和Db (在下文详细描述占空比值Da和Db)。电流补偿控制器确定校正的a轴相电流值Ia ωκκκτΕΙ)和校正的b轴相电流值IB—cected，其在下文详细描述。校正的a轴相电流值IA—cected补偿由于a轴差分放大器40中的共模电压而在电流测量值中产生的偏移电压误差，并且校正的b轴相电流值IB—CXffiIffiCTED补偿由于b轴差分放大器42中的共模电压而产生的偏移电压误差。
[0016]变换控制器38从电流补偿控制器48接收校正的a轴相电流值Ia。。—和校正的b轴相电流值ΙΒ—作为输入。在一个实施例中，变换控制器38为三相至两相变换控制器，其中AC电流的测量值(例如，输入的校正的a轴相电流值IA—和校正的b轴相电流值IB—mKKEcrED)转换为等效测量电流，其为所测量的d轴电流IdMEASUKED和所测量的q轴电流
I qMEASUEED°
所测量的d轴电流
IdMEASUEED 被发送至减法器70并且所测量的q轴电流
I qMEASUEED 被发送至减法器72。
[0017]指令电流控制器20从变换器51接收转矩参考指令I；、角速度ωπ以及表示桥电压Necu的控制信号53作为输入。转矩参考指令Te表示所命令的转矩值，且可从另一个控制器(未示出)得出，或可相应于操作器所产生的转矩值。角速度ωπ由速度传感器36测量。速度传感器36可包括，例如，编码器和基于编码器所接收的信号计算马达32的转子(未示出)的角速度的速度计算电路。指令电流控制器20基于转矩指令Te计算参考d轴电流IdKEF和参考q轴电流Iuef、桥电压￥_以及角速度ωπ。例如，在一个实施例中，参考d轴电流Id—KEF和参考Q轴电流I,—KEF可使用查找表计算。然而，应当理解也可使用其它方法来确定参考d轴电流Id KEF和参考q轴电流I, KEF。参考d轴电流Id KEF被发送至减法器70，且参考q轴电流I,—KEF被发送至减法器72。
[0018]减法器70接收所测量的d轴电流IdMEASUKED和参考d轴电流Id KEF。减法器70基于所测量的d轴电流和参考d轴电流Id—KEF确定d轴误差信号74。d轴误差信号74表示所测量的d轴电流和参考d轴电流Id—KEF之间的误差。减法器72接收所测量的q轴电流 I qMEASUEED 和参考q轴电流Iq—KEF。减法器72基于所测量的q轴电流
I qMEASUEED
和参考q轴电流I,—KEF确定q轴误差信号76。q轴误差信号76表示所测量的q轴电流IqMEAS_和参考q轴电流I,—REF之间的误差。
[0019]d轴PI控制器22从减法器70接收d轴误差信号74作为输入。d轴PI控制器22计算d轴电压信号VD。d轴电压信号Vd基于d轴比例增益Kp和d轴积分增益Ki。类似地，q轴PI控制器23从减法器72接收q轴误差信号76作为输入。q轴PI控制器23计算q轴电压信号\。q轴电压信号Vq基于q轴比例增益Kp和q轴积分增益1。
[0020]极性转换控制器24接收来自d轴PI控制器22的d轴电压信号Vd以及来自q轴PI控制器23的q轴电压信号Vq作为输入。基于所述输入,极性转换控制器24确定电压指令Vemd以及相位超前角S。占空比计算控制器26从极性转换控制器24接收电压指令Vemd和相位超前角S作为输入。占空比计算控制器26还接收由马达位置传感器34测量的转子角值在一个示例性实施例中，占空比计算控制器26可包括过调制空间矢量PWM单元用以产生三个相应的占空比值Da、Db和D。。占空比值Da, Db和D。用于驱动激活马达32的相的逆变器28的栅极驱动电路(未示出)。
[0021]现在将论述通过电流补偿控制器48来确定校正的a轴相电流值Ia ^ected和校正的b轴相电流值IB KMiECTED。现在转到图2，数据流程图示出了图1的电流补偿控制器48的一个示例性实施例，其用于确定校正的a轴相电流值Ia kjkkected和校正的b轴相电流值IB—CORRECTED °在一个示例中，电流补偿控制器48包括共模电压查找表80以及电流校正模块82。
[0022]共模电压查找表80存储a轴差分放大器40的偏移电压值，以及存储b轴差分放大器42的偏移电压值。具体地，共模电压查找表80存储在马达控制系统10的末行测试期间校正的数据。具体地，在生成期间，马达控制系统10在末行校正状况下运行。在末行校正期间，基于占空比的偏移电压值被产生并存储在电流补偿控制器48的存储器中作为共模电压查找表80。
[0023]图4是在末行校正期间所产生的共模电压查找表80的示例性示例。在图3所示的实施例中，X轴为占空比1或占空比Db的占空比(以计数(count)测量)，且y轴表示偏移电压。具体地，线A表示a轴差分放大器40 (图1)的偏移电压，并且线B表示b轴差分放大器42(图1)的偏移电压。应当指出，尽管示出了 a轴差分放大器40和b轴差分放大器42两者的值，但是只对应于差分放大器40或42中的一个的值也可存储在共模电压查找表80中。
[0024]现在参照图2和图4，共模电压查找表基于占空比Da提供a轴共模电压Vcm VQmeEA，和/或基于占空比Db提供b轴共模电压VqlV()meE—B。例如,参照图4,如果用于a轴差分放大器40的占空比值为大约500计数(占空比的10% )，那么a轴共模电压A为大约2.499伏。a轴共模电压
VcM—VOLTAGE—A
和/或b轴共模电压
VcM—VOLTAGE—B 的值随后被发送至电流校正模块82。
[0025]电流校正模块82还接收来自ADC44的数字值64 (图1所示)和/或来自ADC46的数字值66 (还是图1所示)作为输入，其分别表示线50上的相电流ia和线52上的相电流ib。电流校正模块82然后基于所述输入周期性地确定校正的a轴相电流值Ia kjkkected和/或校正的b轴相电流值IB—Omectei^在一个实施例中，校正的a轴相电流值Ia kmected和/或校正的b轴相电流值ΙΒ—可由方程式I确定:
[0026]Icoeeected — (ADCmtr_curr volts-VCM Voltage) *GainAmps per Volt Tj I
[0027]其中或者是校正的a轴相电流值Ia O^ected或者是校正的b轴相电流值Ibcorrected^ADCmtr cur r volts为图1所示的ADC44或者ADC46的输出(即，或者相电流ia或者ib),并且GainAnips_pOT V()lt为用于将电压转换为电流的增益参数。
[0028]图3是电流补偿控制器148的替代实施例，其包括存储器180、共模电压模块182以及电流校正模块184。存储器180存储增益共模值6。?1、桥电压(。11&1?_、10(%的占空比duty1(l%以及共模电压
^CM(10% dutyCycle) ? Vecu—Cal—Time
表示在末行校正期间所测量的桥电压，(1此71(|%表示在末行校正期间的10%的占空比，并且Vamc^dutyeyele)表示在末行校正期间10%的占空比处的共模电压。增益共模值6?在马达控制系统10 (图1)的末行校正期间由电流补偿控制器182计算，并且存储在电流补偿控制器148的存储器180中。
[0029]现在将描述确定增益共模值Gm的示例性方法。现在参照图3和图4，线A表示在末行校正期间a轴差分放大器40 (图1)产生的偏移电压，并且线B表示在末行校正期间b轴差分放大器42 (图1)产生的偏移电压。针对a轴差分放大器40米样第一数据点90A和第二数据点92A，并且针对b轴差分放大器42采样第一数据点90B和第二数据点92B。第一数据点90A和第二数据点92A用于确定线A的斜率m(其中线的方程式表示为y = mx+b,且m为斜率)。类似地，第一数据点90B和第二数据点92B用于确定线B的斜率m。在占空比的开始部分期间可获取第一数据点90A和90B。例如，如实施例所示，第一数据点90A和90B在500计数处(在大约10%的占空比处)被获取。在占空比的结束部分期间获取第二数据点92A和92B。例如，如实施例所示，第二数据点92A和92B在4000计数处(在大约80%的占空比处)被获取。尽管公开了 500计数和4000计数，但是应当理解也可使用占空比的其它值来确定线A或线B的斜率以实现该系统与该线性问题的最佳匹配。
[0030]第一数据点90A或90B的值可表示为(90Ax，90Ay)或(90BX，90By)，其中χ坐标表示占空比计数并且y坐标表示偏移电压。第二数据点92A或92B的值可表示为(92Ax，92Ay)或(92Bx，92By)。电流补偿控制器182基于第一数据点90A和第二数据点92A来确定用于a轴放大器40 (图1)的增益共模值G?。替代地，或者除了 a轴放大器40之外，电流补偿控制器182基于第一数据点90B和第二数据点92B来确定用于b轴放大器42 (图1)的增益共模值G?。具体地，增益共模值G?表示线A或线B (例如，用于a轴差分放大器40或者b轴差分放大器42)的斜率m，其中a轴增益共模值Gai A由方程式2确定且b轴增益共模值Gcm b由方程式3确定:
【权利要求】
1.一种马达控制系统，所述马达控制系统包括: 马达； 设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器； 与所述至少一个差分放大器通信的电流补偿控制器，所述电流补偿控制器设置成: 周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压；以及 基于共模电压确定校正的相电流值。
2.如权利要求1所述的马达控制系统，其中共模电压基于增益共模值来确定。
3.如权利要求2所述的马达控制系统，其中增益共模值在马达控制系统的末行校正期间由电流补偿控制器计算，并且被存储在补偿电流控制器的存储器内。
4.如权利要求1所述的马达控制系统，其中共模电压由下述公式确定:
VcM—VOLTAGE —
[Gd* (Vecu^D1-Vecu, calTime*duty10% ) ] +VCM(10% DutyCycle) 其中示共模电压，GcmS增益共模值，V-为瞬时桥电压，Di为瞬时占空t匕，—为末行校正期间的桥电压，dutyi(l%表示末行校正期间10%的占空比，以及VCM(10%DutyCycle)表示末行校正期间在1 %占空比处的共模电压。
5.如权利要求1所述的马达控制系统，其中校正的相电流值由下述公式确定:
^CORRECTED (ADCmtr curr v0^ts VcM—Voltage)Volt
其中 I CORRECTED
是校正的a轴相电流值
Ia—CORRECTED 或者是校正的b轴相电流值IbCORRECTED，ADCmtr—curr_volts表示由差分放大器监测的相电流，以及GainAmps V()lt为增益参数。
6.如权利要求1所述的马达控制系统，其中共模电压基于共模电压查找表确定，并且其中共模电压查找表存储在马达控制系统的末行校正期间所收集的数据。
7.如权利要求6所述的马达控制系统，其中共模电压查找表的χ轴表示占空比，并且共模电压查找表的I轴表不共模电压。
8.如权利要求1所述的马达控制系统，其中校正的相电流值为a轴校正的相电流值和b轴校正的相电流值中的至少一者。
9.如权利要求1所述的马达控制系统，其中马达为表面式永磁马达(SPM)和内置式永磁(IPM)马达中的一者。
10.一种控制马达的方法，所述方法包括: 通过电流补偿控制器周期性地确定至少一个差分放大器的共模电压，所述至少一个差分放大器设置成监测施加至马达的相电流；并且 通过电流补偿控制器基于共模电压确定校正的相电流值。
11.如权利要求10所述的方法，还包括基于增益共模值来确定共模电压。
12.如权利要求11所述的方法，其中增益共模值在马达控制系统的末行校正期间由电流补偿控制器计算，并且被存储在补偿电流控制器的存储器内。
13.如权利要求10所述的方法，其中共模电压由下述公式确定:
^CM—VOLTAGE ' =[Gd* (Vecu^D1-Vecu, calTime*duty1(w) ] +VcM(ltl% DutyCycle) 其中VoLTOmm表示共模电压，GcmS增益共模值，V-为瞬时桥电压，Di为瞬时占空比，Vecu, calTime为末行校正期间的桥电压，duty1Q%表示末行校正期间10%的占空比，以及V_%DutyCycle) 表示末行校正期间在10%占空比处的共模电压。
14.如权利要求13所述的方法，其中校正的相电流值由下述公式确定:-^CORRECTED (ADCmtr^curr^vo^ts VcM—Voltage) Ampsjer^olt
其中 I CORRECTED
是校正的a轴相电流值
Ia—CORRECTED 或者是校正的b轴相电流值Ib
CORRECTED，ADCmtr—curr_volts表示由差分放大器监测的相电流，以及GainAmps V()lt为增益参数。
15.如权利要求10所述的方法，还包括基于共模电压查找表确定共模电压，其中共模电压查找表存储在马达 控制系统的末行校正期间所收集的数据。
【文档编号】H02P23/00GK104079229SQ201410198323
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年3月15日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】A·格布雷杰尔吉斯, R·拉贾文基塔苏布拉莫尼, T·塞巴斯蒂安, S·J·维加斯, V·E·列茨克 申请人:操纵技术Ip控股公司