马达控制系统中的延迟补偿用的电流预测的制作方法

本发明涉及用于控制或管理数字控制系统的方法和系统，更具体地涉及用于补偿在电动马达控制期间执行的传感器测量中的测量延迟的方法和系统。

背景技术：

车辆中的电动助力转向(eps)系统使用连接到转向齿轮或转向柱的电动马达，其被电子控制以提供转矩以帮助驾驶员让车辆转向。eps系统通常包括电动马达和控制器，控制器接收来自转矩传感器的转向转矩信息，并且控制马达例如通过将转矩施加到转向柱以将辅助转矩传递到车轮。一种类型的马达是永磁(pm)无刷马达。

控制器通常通过为每个马达相位生成占空比(dutycycle)信号来控制eps马达，例如使用脉冲宽度调制(pwm)，其用于向马达提供相位电压信号。例如，控制器接收马达的测量结果，例如马达位置和马达电流，用于调节占空比信号。这样的测量中的延迟会导致误差和降低马达控制系统的稳定性。

技术实现要素：

控制系统的实施例包括：电流命令模块，配置为接收转矩命令并输出电流命令，以及脉冲调制模块，配置为基于电流命令生成调制信号，所述调制信号控制对电动马达的电压施加，调制信号具有一系列连续的脉冲，一个或多个连续的脉冲对应于控制周期。该系统还包括电流预测模块，配置为从电动马达接收采样电流值，所述采样电流值是在第一控制周期n期间的采样时间采集的，电流预测模块基于所述采样电流值和在第一控制周期n期间施加到马达的电压来预测与紧随其后的控制周期n+1有关的随后时间的电流值，并将预测电流值输出到脉冲调制模块，所述脉冲调制模块配置为基于预测电流值来控制调制信号。该系统还包括转换器模块，配置为接收对于控制周期n+1的调制信号，并且基于调制信号针对控制周期n+1将电压信号输出到马达。

控制电动马达的方法的一个实施例包括通过电流命令模块接收转矩命令并输出电流命令，并且通过脉冲调制模块基于电流命令生成调制信号，调制信号控制对电动马达的电压施加，所述调制信号具有一系列连续的脉冲，一个或多个连续的脉冲对应于一个控制周期。该方法还包括通过电流预测模块从电动马达接收采样电流值，采样电流值是在第一控制周期n期间的采样时间取得的，基于采样电流值和在第一控制周期n期间施加到马达的电压来预测与紧跟其后的控制周期n+1相关的随后时间的电流值，基于预测电流值来控制调制信号，并且基于调制信号针对控制周期n+1将电压信号输出到马达。

从以下结合附图的描述中，这些和其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书所附的权利要求书中特别指出并明确地要求保护被认为是本发明的主题。从以下结合附图的详细描述中，本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是示出根据本发明的实施例的包括转向控制和/或辅助系统的车辆的功能框图；

图2是示出根据本发明的实施例的马达控制系统的组件、模块和功能的示意图；

图3是示出对应于脉冲调制信号的示例的控制周期的时序图；

图4是示出对应于脉冲调制信号的示例的控制周期的时序图；

图5是示出对应于脉冲调制信号的示例的控制周期的时序图；以及

图6示出了调制信号的一部分的示例以及基于电流的斜率来预测电流值的方法的实施例的方案。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本公开、应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。

现在参考图1，示出了包括诸如电动助力转向(eps)和/或驾驶员辅助系统的转向系统12的车辆10的实施例。在各种实施例中，转向系统12包括联接到转向轴16的方向盘14。在所示的实施例中，转向系统12是电动助力转向(eps)系统，其还包括与转向系统12的转向轴16和车辆10的拉杆20、22联接的转向辅助单元18。转向辅助单元18例如包括转向致动器马达19(例如，电动马达)和可以通过转向轴16联接到转向致动器马达和齿轮传动装置的齿条和小齿轮转向机构(未示出)。在操作期间，当方向盘14被车辆操作者转动时，转向辅助单元18的马达提供辅助以移动拉杆20、22，拉杆20、22又使分别联接到车辆10的相应巷道轮(roadwaywheels)28、30上的转向节24、26移动。

如图1所示，车辆10还包括检测和测量转向系统12和/或车辆10的可观测状况的各种传感器。传感器基于可观测状况生成传感器信号。在所示的示例中，传感器31和32分别是感测车轮28和30的转速的轮速传感器。在另一示例中，传感器包括感测施加在方向盘14上的转矩的转矩传感器33。传感器33基于此生成转矩信号。其它传感器包括用于检测与转向辅助单元18相关联的转向致动器马达或其它马达的电压、电流、位置(马达位置)和/或转速(马达速度或马达速率)的传感器。

控制模块40基于一个或多个传感器信号并进一步基于本公开的转向控制系统和方法来控制转向系统12的操作。控制模块可以用作提供转向辅助转矩的eps系统的一部分，用作自主车辆控制系统的一部分，和/或用作驾驶员辅助系统的一部分，驾驶员辅助系统可以控制车辆的转向(例如，用于停车辅助、紧急转向控制和/或自主或半自主转向控制)。

现在参考图2，数据流程图示出了用于控制诸如无刷dc马达的电动马达的控制装置或系统50的示例性实施例。在一个实施例中，控制系统50是eps控制系统(诸如图1的控制模块40)的一部分或连接到eps控制系统。在各种实施例中，控制装置或系统(例如，模块40)可以包括一个或多个子模块和数据存储器。本文所使用的术语模块和子模块指专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享处理器、专用处理器或处理器组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适组件。对控制模块40的输入可以从诸如车辆10(图1)的传感器31、32、33(图1)的传感器生成，可以从车辆10(图1)内的其它控制模块(未示出)接收，可以被建模，和/或可以被预先定义。

在图2的示例中，控制系统50包括各种模块或子模块，例如电流参考发生器模块52，其接收转矩命令(tc*)，并将电流命令idq*输出到电流调节器54，电流调节器54又输出诸如调制指数(mi)和相位超前(δ)的调制参数到脉冲宽度调制器56。电流命令是处于同步旋转参考系中，通常称为d/q(直接正交)轴参考系。脉冲宽度调制器56将多相占空比信号(dabc)输出到逆变器58，逆变器58为三相马达60的每个相位生成三相马达电压命令。

控制系统包括各种测量反馈功能和/或模块，用于测量马达60的属性，并将这些属性返回到控制系统50以用于调节控制参数。控制系统50可以被表征为闭环电流反馈控制系统。

在一个实施例中，反馈测量包括电流测量模块62和位置测量模块64，其提供用于电动马达整流的马达电流和位置信息。电流测量模块62测量三相马达电流iabc，将电流变换成d/q参考系，并输出d/q参考系中的测量电流idq。在d/q轴参考系中，马达电压和电流成为直流(dc)量。

马达位置测量指示马达60的角度或旋转位置。在一个实施例中，反馈环路包括测量马达位置θ的位置测量模块64，并将马达位置输出到脉冲宽度调制器和/或电流测量模块。

例如由电流测量模块和位置测量模块执行或接收的马达位置和马达电流测量等测量中的时间延迟可能会导致电流和转矩跟踪都不正确，并可能严重降低控制系统(如控制系统50)的稳定性。例如，位置测量包括由于采样引起的延迟和由于位置测量装置的特性引起的固有延迟。传感器测量中的延迟以及pwm信号周期性更新引起的延迟是数字控制系统中固有的。

例如，理想地，所有测量信号都应该被同时采样，但是由于所使用的感测系统的性质，可能难以或不可能去除所有延迟，因此不期望的延迟通常是不可避免的。此外，一些系统采用异步采样，这可能引入额外的不期望的延迟。

诸如控制模块40、控制系统50和/或其组件(例如，处理模块)的处理装置或系统被配置为根据控制方法控制电动马达，例如无刷直流马达(例如，马达19或马达60)。该控制方法包括对直流马达进行电整流以控制马达的旋转。

控制方法的方面包括执行用于实行电动马达控制的算法(例如，在eps系统中)，其包括补偿马达电流测量中的延迟。该方法包括在一个或多个控制周期期间从电动马达接收在采样时间采集的采样电流值，并且基于采样电流值和施加到马达的电压值来预测与随后的控制周期相关的随后时间(例如在随后的控制周期的开始时间)的电流值。预测的电流值可以用于控制或调节pwm或其它脉冲调制信号。

该方法可以采用用于基于观测器的电流预测的模型和/或功能，来改善闭环马达控制系统性能。在一个实施例中，该方法采用基于同步观测器参考系(synchronousobserverreferenceframe)的模型和/或功能。例如，该参考系在与马达的旋转同步旋转的d/q(直接/正交)参考系中。在一个实施例中，该方法采用基于静止观测器参考系(即，观测器是静止的并且不旋转)的模型和/或功能。

在一个实施例中，该方法包括分析调制信号中的电流的斜率。可以基于调制信号的幅度和占空比来计算斜率。

该方法提供了一种机制，用于通过基于在控制周期之前的时间采样的电流测量来预测电流，从而估计控制周期开始时(或相对于控制周期的选定的随后时间，例如，在开始之前或开始之后)的电流幅度。该方法因而补偿测量中的延迟，该延迟会导致在与控制周期的开始、脉冲峰的时间或执行反馈控制周期的其它时间不重合的时间进行测量。该补偿能减少或消除对于控制周期使用不准确的电流读数的可能性。

本文描述的实施例可应用于多种不同的测量或采样技术。采样技术包括使用模拟马达位置信息的同步采样、使用数字马达位置信息的同步采样、以及异步采样。“同步”采样是指至少基本上在同一时刻对位置和电流两种信息进行采样。

结合图3至图5所示的时序图论述采样技术，图中示出了电流幅度随着时间的变化。时序图还示出了相对于与时序图中的峰对应的电压脉冲的电流和位置测量的时序。在这些示例中，基于脉冲宽度调制(pwm)生成电压脉冲，并且基于将计算的占空比(例如，由脉冲宽度调制器56生成的)与时序图的锯齿模式(pattern)相比较来生成电压脉冲。注意，电压脉冲可以使用任何合适的时序模式生成，并且因此不限于此处描述的锯齿模式。

在以下示例中，tpwm是脉冲调制序列中每个周期的持续时间。在电动马达的反馈控制期间，执行多个连续的控制周期或控制环路。在这些示例中，对每个脉冲执行控制周期，但不限于此。例如，可以针对所选择的多个脉冲周期性地执行每个控制周期。同样在这些示例中，每个控制周期的开始与每个锯齿的顶点重合，并且因此与每个脉冲的中心重合。在其它示例中，每个控制周期可以在一脉冲和紧随其后的脉冲之间开始，即在峰之间的谷开始。

sisr表示控制环路开始并开始计算的时间。每个单独控制环路所需的时间(例如，中断服务例程或isr)被称为tisr。图3至图5示出了脉冲序列的两个连续周期和相应的控制环路。第一控制环路的开始时间表示为sisrf，并且第二控制环路(紧接在第一环路后面)的开始时间表示为sisrs。针对每个控制环路，对马达电流和位置信号进行采样。si和sθ分别是马达电流信号和位置信号的采样时间。

可以将多种延迟源引入到系统中。例如，在控制环路期间，读取马达位置的时间与分析马达位置的时间之间可能存在延迟。位置传感器读数的该延迟时间表示为tθd。此外，由于例如在tadc处表示的经adc(模/数转换器)通道将位置和/或电流信号从模拟转换成数字所花费的时间，可能会导致延迟。在某些情况下，tadc非常小，可以被认为是零。对于利用数字电流和位置感测的系统，并且由于通过诸如串行外设接口(spi)通道的通信通道将测量信号传输到处理装置所花费的时间，可能会发生额外的延迟。在图4和图5所示的示例中，该延迟表示为tspi。

图3示出了使用模拟位置测量的同步采样系统的时序图的示例。在使用模拟位置信息的同步采样系统中，“瞬时”或“模拟”是指在测量信号的接收器(例如，数字信号处理器(dsp))与马达传感器(例如，在马达传感器板(msb)上)之间没有可能会导致额外延迟的单独接口。在图3的系统中，si和sθ彼此接近地采样，并且所有传感器信号都通过adc通道直接读取。

在诸如图4的系统的使用数字位置信息的同步采样系统中，采样仍然是同步的，但是由dsp或其它接收器接收的传感器信息由于数字接口(例如，spi)而被延迟。如上所述，该延迟示出为tspi。

在诸如图5的系统的使用数字位置信息的异步采样系统中，由dsp或其它处理装置接收的传感器信息由于数字接口而被延迟。此外，电流的采样在与位置采样不同的时间进行。可以使用本文所述的实施例来减轻位置和电流测量之间的这种不同步。在某些情况下，在异步采样系统中，在pwm周期的谷处执行电流测量，而在峰处采样位置信号。

如图3至图5所示，在电流测量si与控制环路计算执行开始(例如，sisrs)之间存在时间延迟。这种延时可能导致马达控制系统的稳定性下降。

在一个实施例中，处理装置将采样的电流测量施加到马达的模型(机器模型)，以便补偿导致在与控制周期的开始不重合的时间采样电流信号的延迟和其它状况。机器模型使用估计的马达参数，诸如马达bemf(反电动势)常数ke、马达电路电阻r和电感l。基于该模型，处理装置预测在与后续控制环路的开始相对应的采样时间之后的时间的电流值。

例如，在图3至图5中，采样时间为si，并且电流预测时间为控制环路的开始(例如，sisrs)。预测持续时间tpred被定义为采样时间与预测时间之间的时间量。注意，在图5的示例中，时间延迟tadc可以被认为是可忽略的。

在一个实施例中，处理装置利用从同步系观测器发展的马达的机器模型，即在同步参考系中为马达建模。例如，该模型使用与马达旋转同步的d/q系。如果适用，处理装置可以利用通常用于马达控制的马达的现有d/q系模型。

下面示出了表示具有同步观测器的机器模型的离散时间等式的示例。在该示例中，在控制周期n期间的一个时间对电流进行采样，并且对于紧接着的控制周期n+1开始的时间预测电流：

在上述等式中，id[n]和iq[n]分别是在控制周期n期间的采样时间测量的电流的直接分量(directcomponent)和正交分量的值。id[n+1]和iq[n+1]分别是在控制周期n+1开始时预测的电流的直接分量和正交分量的值。v*d[n]和v*q[n]分别是控制周期n的命令电压的直接分量和正交分量的值。ωe[n]是控制周期n期间的采样时间的电动马达速度，ωm[n]是控制周期n期间的采样时间的机械马达速度(通过马达的极对(polepair)与电动马达速度相关)，并且ld和lq是d轴和q轴电感。在图5所示的系统中，预测时间等于

在一个实施例中，处理装置利用从静止系观测器发展的马达的模型，即在静止参考系中为马达建模。该模型使用电动马达的静止系或αβ模型来预测电流，以便补偿动态延迟。在本实施例中，该模型使用具有轴线α和β的静止系，其与随马达一起旋转的旋转d/q系相比是固定的。

下面示出了表示具有静止观测器的机器模型的离散时间等式的示例。在该示例中，在控制周期n期间的一个时间对电流进行采样，并且对于紧接着的控制周期n+1开始的时间预测电流。

一般永磁同步马达(pmsm)的静止系模型的一个示例可以表示如下：

其中并且vα和vβ分别是α轴和β轴上的马达电压。θe表示电动马达位置，iα和iβ分别是α轴和β轴上的马达电流。

基于以下假设获得预测电流：在离散时间内，适用以下关系：

并且使用当前施加的电压。这给出了预测电流的如下最终表达式：

在上述等式中，iα[n]和iβ[n]分别是在控制周期n期间的采样时间测量的电流的α分量和β分量的值。iα[n+1]和iβ[n+1]分别是在控制周期n+1开始时预测的电流的α分量和β分量的值。vα[n]和vβ[n]分别是控制周期n的命令电压的α分量和β分量的值，θe是电转子位置。

在一个实施例中，处理装置采用利用在一个或多个控制周期内的信号的特性的斜率检测技术，并预测随后的控制周期的电流。以下实施例中的斜率检测技术假设非凸极机模型，然而该技术也可应用于凸极机模型。

参考图6所示的pwm脉冲模式的一部分的示例论述该实施例，但不限于此。图6示出了两个连续pwm周期的电流斜率和占空比。控制周期对应于每个周期，并具有图6示出为tpwm的开始和持续时间。在下文中，i[n]是指脉冲持续时间为d[n]的单个脉冲周期n开始时的电流幅度。i[n+1]是指脉冲持续时间为d[n+1]的紧随其后的脉冲周期n+1开始时的电流幅度，i[n-1]是指脉冲持续时间为d[n-1]的紧随的脉冲周期n-1开始时的电流幅度。

图6还示出了电流的假设斜率，其中s1是施加有效电压时的电流斜率，s2是未施加有效电压时的电流斜率。假设测量电流iα的斜率在一个pwm周期内是恒定的，则可以得到以下比较连续周期的电流的表达式：

(iα[n]-iα[n-1])＝s1d[n-1]+s2(1-d[n-1])＝s2+d[n-1](s1-s2)

(iα[n+1]-iα[n])＝s1d[n]+s2(1-d[n])＝s2+d[n](s1-s2)

iα[n]是控制周期n的采样电流值，iα[n+1]是控制周期n+1的采样电流值，iα[n-1]是控制周期n的采样电流值。将上述两个等式相减得到：

(iα[n+1]-2iα[n]+iα[n-1])＝(s1-s2)(d[n]-d[n-1])

施加有效电压时的电流斜率可以近似为：

其中vdc是命令电压，ri是马达电路的电阻，e是emf。施加零电压时的电流斜率可以近似为：

取斜率差得到：

因此，全步预测的预测电流为：

如本文所述，“全步”预测是指在控制周期开始时的电流预测。在图6的示例中，全步预测将在与控制周期n+1的开始(两个脉冲之间)相对应的时间产生预测电流值。

在离散时域中，半整数步阶(也称为半步)预测的预测电流可表达为：

以上等式也可以表达为：

如本文所述，“半整数步阶”或“半步”预测是指在控制周期的中间、即处于控制周期的时间中心的时间处的电流预测。在图6的示例中，半步预测将在与控制周期n+1的中间(脉冲的中心)相对应的时间产生预测电流值。半步预测在例如上述的异步采样系统中是有用的。

虽然实施例被描述为包括在随后(紧随其后)的控制周期的开始时间预测电流值，但是它们并不限于此。例如，可以在采样时间之后的任何所选时间执行预测，该时间可以是随后的控制周期开始之前的时间或者随后的控制周期开始之后的时间。因此，tpred值可以被设置为任意数值，例如将预测设置在开始时间的数值(例如，tpwm或tpwm/2)，或将预测设置在开始时间之前或之后的数值。在需要“过度预测”或“低估预测”电流的情况下，这可能是有用的。

本文描述的实施例可以用于控制电动马达的方法。下文结合系统10和/或控制系统50论述该方法，但不限于此。该方法包括一个或多个阶段。在一个实施例中，该方法包括按照所描述的顺序执行所有阶段。然而，可以省略某些阶段，可以添加阶段，或者可以改变阶段的顺序。

在第一阶段，诸如控制模块40、马达控制系统50和/或其一个或多个组件或模块(单独地或协作地)的处理装置接收转矩命令。在一个实施例中，转矩命令由eps系统或车辆控制系统(自主、半自主)提供，尽管这里描述的实施例可以是任何利用电动马达的合适的系统。

在第二阶段，转矩命令经过转换或以其它方式经过处理，以生成马达控制命令。例如，电流参考发生器52生成电流命令，该电流命令被输入到输出占空比信号的调制器56。占空比信号可以是多相信号。逆变器58将占空比信号转换成电压信号，该电压信号被输入到例如马达60的马达。

在第三阶段，在马达操作期间，执行各种测量并将测量结果发送到控制模块或组件，例如电流调节器54和调制器。例如，在每个控制周期周期性地对马达位置测量信号和马达电流测量信号进行采样。

在第四阶段，处理装置(例如，电流预测模块66)执行电流预测技术，其包括接收每个控制周期(或控制环路)中或期间的电流测量，并且预测未来时间的电流测量值，以使电流与pwm周期和/或控制环路周期期间的选定时间同步。可以使用如上所述的同步观测器模型、静止观测器模型和/或斜率检测技术来执行该预测。

在第五阶段，将预测电流值输入到马达控制系统中的适当的处理装置或模块，如果需要则调节该调制信号。经过调节的调制信号用于控制发送到马达的电压信号，例如将转矩施加到车辆的转向系统或者控制车辆的转向。

虽然已经结合仅仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包括此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅仅包括所描述实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述所限制。