用于永磁同步电机的控制器抗饱和的制作方法

本申请一般涉及马达控制系统，并且具体地涉及防止马达控制系统中的饱和，更具体地涉及防止在诸如电动助力转向(eps)系统等系统中的饱和。

背景技术：

eps系统通常使用电力驱动装置以向驾驶员提供转向辅助转矩。通常，通过调节电流间接地执行使用永磁同步电机(pmsm)的电驱动系统的转矩控制。通常，使用反馈控制架构来执行电机电流的电流控制，该反馈控制架构利用诸如反馈控制闭环的场定向控制(foc)技术在同步旋转参考系中测量电流。反馈控制一般具有良好的稳态跟踪性能、动态响应、高带宽和令人满意的干扰抑制。结果，反馈电流控制通常用于控制多相ac电机，例如pmsm。

eps系统中电动马达的闭环电流控制在控制系统的能力之外，具有苛刻的要求来跟踪期望的辅助转矩指令(例如，马达转矩指令)。其中，要求在控制系统的整个操作范围(包括在整个马达速率范围内的操作和接近电源电压极限的操作)内的性能一致性。

在eps系统中使用反馈控制具有若干独特且苛刻的要求，包括在宽速度范围内以及在供电电压极限附近或在供电电压极限下操作的令人满意的性能。与其他马达控制系统(例如高功率应用中的那些马达控制系统)不同，eps系统中的dc总线电压由车辆电池供电，并且通常相对较低(通常小于20v)。此外，eps系统中的马达通常尽可能有效地调整大小以实现稳态电力需求。因此，eps马达经常在电压极限附近或在电压极限下运行。此外，对于闭环电流反馈马达控制架构，控制系统被设计成跟踪具有接近零的稳态误差的电流指令。为了达到此目的，可以使用两个积分器(其中每个电流回路一个)。电流控制器对参考电流和测量电流进行适当的变换，以获得电压指令，然后通过电压源逆变器(vsi)将其施加到马达。

一些电流控制系统被设计为预期满足给定组线性系统性能指标的准线性反馈架构。然而，与致动器相关联的非线性约束可能导致线性反馈控制回路在达到致动器极限时不稳定，导致整体系统性能降低。这种降低的性能可以表现在跟踪行为、转矩波动和可听噪声方面。马达控制系统中的一个这种非线性是施加到马达的总电压受到vsi输入端处可得的电压量的限制。如果线性控制回路计算出导致超出电池输出的总电压指令幅值的电压指令，则可能需要限制电压指令。

由于存在这种被控对象输入饱和非线性(plantinputsaturationnonlinearity)而出现的问题是：当控制器计算超出系统的电压极限的电压指令(瞬态或稳态)时，电压指令被限制到最大可用的电池电压，状态(或具有存储器的控制器的元件)例如积分器的状态，变得不正确，因为它们不符合原始计算的非限制电压指令或限制前电压指令。如果饱和状态持续很长一段时间，则控制器的状态可能变得非常不正确。当系统返回到线性操作范围时，状态可能在一段时间之后才返回到正确值，这取决于饱和条件以及后饱和条件持续多长时间。这种情况称为控制器饱和(controllerwindup)，可能会导致整体控制系统性能不佳和不稳定。

因此，期望涵盖抗饱和(anti-windup，aw)以改善马达控制系统的性能，并且进而改善使用马达控制系统的eps系统的性能。

技术实现要素：

描述了用于防止马达控制系统中控制器饱和的技术方案。示例系统包括接收指令电压和限制电压指令的第一抗饱和模块。限制电压指令被施加到电动马达，其中第一抗饱和模块通过修改施加到马达控制系统的电流指令来产生第一修改电流指令。该修改基于指令电压和限制电压指令的比率。该系统还包括第二抗饱和模块，其接收指令电压和限制电压指令。第二抗饱和模块通过修改第一修改电流指令来产生第二修改电流指令。该修改基于指令电压和限制电压指令之间的差异。

此外，一种用于防止电动马达中控制器饱和的示例性方法包括由第一抗饱和模块通过基于对应于电流指令的指令电压与限制电压指令的比率修改施加到马达控制系统的电流指令，产生第一修改电流指令。该方法还包括由第二抗饱和模块通过基于所述指令电压和所述限制电压指令之间的差异修改所述第一修改电流指令，产生第二修改电流指令。该方法还包括由控制器使用所述第二修改电流指令作为输入，以确定要施加在所述电动马达上用于转矩产生的电压。

此外，一种用于防止马达控制系统中控制器饱和的示例系统包括电流指令发生器，其基于指示使用电动马达产生的转矩量的转矩指令产生输入到马达控制系统的电流指令。该系统还包括控制器，其产生对应于电流指令的指令电压。该系统还包括限制模块，该限制模块响应于指令电压超过马达电源的可用电压来确定限制电压指令，该限制电压指令被施加到电动马达。该系统还包括抗饱和模块，其接收指令电压和限制电压指令。抗饱和模块通过修改电流指令来生成修改的电流指令。该修改基于指令电压和限制电压指令之间的差异，抗饱和模块使用积分器反计算来生成修改的电流指令。积分器反计算包括使用增益矩阵来缩放所述差异，其中gadd、gadq、gaqd和gaqq是抗饱和参数。

从以下结合附图的描述，这些和其他优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书结论处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将变得清楚，其中：

图1是根据一个或多个实施例的电动转向系统的示例性实施例。

图2是根据示例性实施例的马达控制系统的示例性示意图；

图3是根据示例性实施例的马达的相量图；

图4是根据示例性实施例的包括抗饱和模块的马达控制系统的示例性框图；

图5是根据示例性实施例详细说明抗饱和模块的马达控制系统的示例性框图；

图6描绘根据一个或多个实施例的改进的ibc模块的示例结果；

图7是根据示例性实施例详细说明抗饱和模块的马达控制系统的示例性框图；

图8描绘根据一个或多个实施例的drc模块的操作的框图；

图9描绘根据一个或多个实施例的使用混合抗饱和的示例结果；

图10a和图10b描绘根据一个或多个实施例的不同抗饱和实现的示例结果；以及

图11是根据示例性实施例的抗饱和方法的示例性框图。

具体实施方式

如本文所使用的，术语模块和子模块指一个或多个处理电路，诸如专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适组件。可以理解，下面描述的子模块可以被组合和/或进一步细分。

现在参考附图，其中将参考特定实施例描述技术方案，而不是对其进行限制，图1是适合于实现所公开实施例的电动助力转向系统(eps)40的示例性实施例。转向机构36是齿条齿轮式系统，并且包括位于壳体50内的齿条(未示出)和位于齿轮壳体52下方的小齿轮(也未示出)。当转动在下文中表示为方向盘26(例如手持式方向盘等)的操作者输入时，上转向轴29转动，并且通过万向接头34连接到上转向轴29的下转向轴51转动小齿轮。小齿轮的旋转使齿条移动，齿条移动拉杆38(仅示出一个)，继而移动转向节39(仅示出一个)，其转动可转向轮44(仅示出一个)。

电动助力转向辅助通过总体用附图标记24表示的控制装置提供，并且包括控制器16和电机19，电机19可以是永磁同步马达并且在下文中表示为马达19。控制器16由车辆电源10通过线路12供电。控制器16从车辆速率传感器17接收表示车辆速率的车速信号14。通过位置传感器32测量转向角，位置传感器32可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其他合适类型的位置传感器，并且向控制器16提供位置信号20。可以使用转速计或任何其他设备测量马达速率，并将其作为马达速率信号21传输到控制器16。可以测量、计算(或其组合)表示为ωm的马达速率。例如，马达速率ωm可以被计算为由位置传感器32在规定的时间间隔内测量的马达位置θ的变化。例如，可以将马达速度ωm确定为马达位置θ的导数ωm＝δθ/δt，其中δt是采样时间，并且δθ是采样间隔期间的位置变化。或者，可以从马达位置导出马达速率作为位置的时间变化率。应当理解，存在许多用于执行导数功能的众所周知的方法。

当方向盘26转动时，转矩传感器28感测由车辆操作者施加到方向盘26的转矩。转矩传感器28可包括扭杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，其相对于扭杆上的扭转量向控制器16输出可变转矩信号18。虽然这是一种转矩传感器，但是与已知信号处理技术一起使用的任何其他合适的转矩传感设备都是足够的。响应于各种输入，控制器向电动马达19发送指令22，电动马达19通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供转矩辅助，从而为车辆转向提供转矩辅助。

应当注意，尽管通过参考用于电动转向应用的马达控制来描述所公开的实施例，但是应当理解，这些参考仅是说明性的，并且所公开的实施例可以应用于采用电动马达的任何马达控制应用，例如转向、阀控制等。此外，本文的参考和描述可适用于许多形式的参数传感器，包括但不限于转矩、位置、速度等。还应注意，本文对电机的引用包括但不限于马达，以下为了简洁和简单起见，将仅对马达进行引用而不进行限制。

在如图所示的控制系统24中，控制器16利用转矩、位置和速度等来计算传递所需输出功率的指令。控制器16设置成与马达控制系统的各种系统和传感器通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号，量化所接收的信息，并响应于此提供输出指令信号，在本示例中，例如，提供给马达19。控制器16被配置为从逆变器(未示出)产生相应电压，逆变器可以可选地与控制器16结合并且在本文中称为控制器16，使得当应用于马达19时，产生期望的转矩或位置。在一个或多个示例中，控制器24在反馈控制模式下操作，作为电流调节器，以产生指令22。或者，在一个或多个示例中，控制器24在前馈控制模式下操作以产生指令22。因为这些电压与马达19的位置和速度以及期望的转矩有关，所以可确定转子的位置和/或速度以及操作者施加的转矩。位置编码器连接到转向轴51，以检测角位置θ。编码器可以基于光学检测、磁场变化或其他方法来感测旋转位置。典型的位置传感器包括电位计、旋转变压器、同步器、编码器等，以及包括前述中的至少一个的组合。位置编码器输出表示转向轴51的角位置的位置信号20，从而输出马达19的角位置。

期望的转矩可以由一个或多个转矩传感器28确定，转矩传感器28传输指示施加的转矩的转矩信号18。一个或多个示例性实施例包括这样的转矩传感器28并且来自其的转矩信号18，可以响应于柔性扭杆、t形杆、弹簧或被配置为提供指示所施加转矩的响应的类似装置(未示出)。

在一个或多个示例中，温度传感器23位于电机19处。优选地，温度传感器23被配置为直接测量马达19的感测部分的温度。温度传感器23传输温度信号25到控制器16，以便于本文规定的处理和补偿。典型的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、恒温器等，以及包括至少一个前述传感器的组合，其在适当放置时提供与特定温度成比例的可校准信号。

位置信号20、速率信号21和转矩信号18等被施加到控制器16。控制器16处理所有输入信号，以产生对应于每个信号的值，得到可用于本文所述算法中的处理的转子位置值、马达速度值和转矩值。诸如上述的测量信号也根据需要被共同线性化、补偿和滤波，以增强特性或消除所获取信号的不期望特性。例如，信号可以被线性化以提高处理速度，或者解决信号的大动态范围。另外，可以采用基于频率或时间的补偿和滤波来消除噪声或避免不期望的光谱特性。

为了执行规定的功能和期望的处理，以及因此的计算(例如，马达参数的识别、控制算法等)，控制器16可以包括但不限于，处理器、计算机、dsp、存储器、存储装置、寄存器、定时、中断、通信接口和输入/输出信号接口等、以及包含至少一种前述的组合。例如，控制器16可以包括输入信号处理和滤波，以实现来自通信接口的这种信号的准确采样和转换或获取。在本文稍后详细讨论控制器16的附加特征和其中的某些过程。

图2描绘根据一个或多个实施例的马达控制系统的框图。马达控制系统100可以是转向系统40的一部分，或者是使用马达引起位移、产生转矩等的任何其他机器。如图所示，电压源10向马达19提供电源电压vb。在一些实施例中，电压源10是12伏电池。然而，应该理解，也可以使用其他类型的电压源。在一个或多个示例中，可以通过标记为“a”、“b”和“c”的多个连接132(例如，三个连接器)将逆变器122连接到马达19。在一些实施例中，马达19是多相永磁同步马达(pmsm)。在这里描述的示例中，马达19被认为是三相pmsm，但是应该注意，在其他示例中，马达19可以是多相马达。控制模块16通过逆变器连接到马达19。

控制模块16从转矩控制系统134(例如转向控制系统)接收马达转矩指令tc。控制模块16包括用于通过逆变器122向马达19发送马达电压指令的控制逻辑。

图3继续参考图2，表示根据一个或多个实施例的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的限制。在图3中，直轴(d轴)的电压幅值表示在纵轴上，而正交轴(q轴)的电压幅值表示在横轴上。马达19(图1、图2)可能运行使得马达电压指令vr的幅值(图3中示为vorg)超出逆变器122的能力。具体地，逆变器122可以具有输入源电压限制vmax(标记为vdc)，其在图3中被示为在直轴(d轴)和正交轴(q轴)之间延伸的弧的幅值。

为了在马达19的操作控制期间将马达电压指令vr限制在逆变器122的操作参数内，可以修改vorg。如图3所示，马达电压指令vr可以被限制为由小于或等于vmax的vnew表示的幅值。因此，vnew在逆变器122的获取能力(sourcingcapability)范围内。电压矢量vorg和vnew的方向角也在图3中示出，分别为角度δorg和δnew。限制电压矢量vorg和vnew，使得保持vorg的方向角(即δorg＝δnew)。

图4是根据一个或多个实施例的马达控制系统的框图。所描述的马达控制系统包括控制模块16，除了其他子模块以外，控制模块16包括电压限制器模块316、抗饱和模块301、参考修改模块318和电流指令发生器355，以控制马达19的操作。应当注意，尽管模块被单独描绘，但是在一个或多个示例中，所描绘的模块中的一个或多个可以被组合或以与图示不同的方式分开。

如图所示，控制模块16包括若干子模块：反电动势(bemf)补偿模块302、比例积分(pi)控制器365(其包括补偿模块306和310，以及积分模块308)、修改模块320、减法模块304和加法模块312、314。

马达19是由控制模块16控制的被控对象。即，马达19接收实际马达电压指令vm。实际马达电压指令vm基于马达电压指令vr。实际马达电压指令vm可以由限制模块316限制，这取决于马达电压指令vr是否超过逆变器122或马达19的其他电源的能力。马达19产生转矩和电流(即，汲出或输出电流ia，其是如上参考图1-图3所述的实际马达电流)。在d/q轴坐标系中定义的以下等式描述了马达20的被控对象的被控对象传递函数(使用线到中性点定义)：

其中vd、vq是d/q马达电压(以伏特为单位)，id、iq是d/q马达电流(以安培为单位)，ld、lq是d/q轴马达电感(以亨利为单位)，r是马达电路(马达加控制器)电阻(以欧姆为单位)，ke是马达bemf系数(以伏特/弧度/秒为单位)，ωm是机械马达速率(以rad/s为单位)，te是电磁马达转矩(以nm为单位)。

在一些实施例中，限制器模块316是方向保持电压限制器，其保持原始相位角，同时将幅值减小到最大可用电压。然而，其他电压限制器可以用于限制器模块316，其修改电压指令的幅值和角度。限制器模块316输出由vm表示的限制电压指令。

考虑多个目标和约束(例如最小损耗和电源电压限制)，电流指令发生器355将转矩指令转换为电流指令。在一个或多个示例中，基于转矩方程生成电流指令(ir)。提供te的转矩方程是非线性的，并且表示通过利用(leveraging)来自永磁体的磁场产生的转矩与由转子凸极(rotorsaliency)(ld和lq之间的差)产生的磁阻转矩的和以及iq和id的适当选择。

此外，被控对象的磁通链可表示为：

λq＝lqiq(等式5)

注意，d轴磁通链包括由于永磁体λm引起的磁通、以及由于d轴定子电流引起的相反磁通分量。就磁通链而言，电压方程可以重新表述为：

在稳态下，电压方程可以成为，

vd＝ωeλq+idr(等式8)

vq＝-ωeλd+iqr(等式9)

马达19与控制模块16一起构成具有一定频率响应特性的闭环系统。可以理解，闭环系统的频率响应由一组模型方程控制，该组模型方程定义了将输入电流指令ir变换为输出电流im的传递函数。换句话说，控制模块16通过发送基于输入电流指令ir产生的实际马达电压指令vm来调节输出电流im。im是测量的电流并反馈到控制模块16。

修改模块320将来自马达19的输入作为测量的反馈电流im。基于测量的反馈电流im，修改模块320从q轴电流分量iq的变化将输出电流ia的d轴分量id去耦。

补偿模块306和310构成矩阵值的(或多维的)pi控制器365，其补偿指令电流ir和测量电流im之间的差ie以控制马达19。补偿模块306根据差电流ie(由减法模块304确定)产生比例电压指令vp。补偿模块306与积分模块308一起产生积分电压指令vi。加法模块312将电压指令vp和vi组合以产生电压指令vc。以这样的方式确定比例电压指令vp和积分电压指令vi，使得当组合电压指令vc施加到马达19时，总体的电流到电流的传递函数具有特定的期望顺序。应注意，ir、im、ie、vp、vi和vc中的每一个具有d轴分量和q轴分量。此外，ir、im、ie、vp、vi和vc表示矢量而不是标量值，其每个由d轴和q轴信号(量)组成。

补偿模块306是比例控制器，补偿模块310是积分控制器，它们一起作为pi控制器365的一部分。比例补偿模块cp有助于除了提供马达输入干扰传递函数行为和电流测量噪声传递函数行为之间有益的折衷之外，还在期望第一阶类型响应时配置闭环系统的频率响应。当期望更高阶(例如，第三阶)传递函数时，使用与pi控制器365不同的配置。例如，可以仅使用积分器模块308和补偿模块(ci)308，而不使用比例补偿器(cp)306。在这种情况下，pi控制器365的输出仅仅是vi，其可以由bemf补偿器302进一步补偿，以产生pi控制器输出vr。

如这里所使用的，术语“模块”或“子模块”指的是专用集成电路(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、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适组件。当在软件中实现时，模块或子模块可以在存储器(为非暂时性机器可读存储介质)中实现，其可由处理电路读取并存储用于由处理电路执行以执行方法的指令。此外，图4或本文其他附图中所示的模块和子模块可以组合和/或进一步细区。

在一些实施例中，控制模块16是具有闭环的反馈控制器。也就是说，马达19的输出电流被反馈到控制模块16，并且控制模块16使用反馈来调节马达19的输出。当输出电流im被反馈到控制模块16时，可能产生控制器饱和，其中马达电压指令vr可能超过实际马达电压指令vm。由于在这种情况下产生的饱和状态，这可能导致马达控制系统的不稳定性，这是本文所述的技术方案所解决的技术挑战。

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制的致动器，例如逆变器。当控制模块16产生超出致动器能力的控制信号时，可能发生控制器饱和，从而导致饱和。在饱和条件下，施加到被控对象的控制信号是受限的，并且具有存储器(或状态)的控制器的每个组件都被错误地更新。这种情况可能导致控制器内存累积较大的错误，只有在系统退出饱和并且在此状态下保持一段时间后才能返回正确的值。因此，当发生控制器饱和时，系统可能潜在地保持在饱和状态一段比期望更长的时间段，并最终降低整体性能。这里描述的技术方案通过促进防止控制器饱和发生来解决这样的技术挑战。

此外，特别是在eps系统中的pmsm驱动系统中，dc总线电压由车辆电池10供电。通常，为了充分利用pmsm的能力，驱动系统以每电压最大转矩(mtpv)模式运行。其中pmsm可以在给定的电池电压下产生最大转矩。在接近电压极限的操作期间，致动器更可能饱和，尤其是在存在参数错误时或者当马达控制系统遭受外部干扰或发生故障时更是如此。这里描述的技术方案通过使用抗饱和模块301防止控制器饱和发生来解决这样的技术挑战。

如下面更详细描述的，抗饱和(aw)模块301选择性地检测电压饱和条件并将实际马达电压指令vm的精确表示提供给马达控制系统的输入，从而提高系统性能。当d轴和q轴电流回路的电流调节器的输出的矢量总和在幅值上大于可用dc链路电压vdc时，可能发生电压饱和条件。电压饱和可以根据以下等式表示：

除了电流控制的去耦之外，aw模块301实现抗饱和，以确保当计算的指令超过逆变器122的操作范围时，具有存储器特性的控制状态是有界的。典型的抗饱和算法通过线性去耦补偿器(通常是静态的，即不包含动态项)将有限和原始控制信号之间的差异馈送到控制器16的输入。或者，典型的aw算法基于前馈和反馈信号之差限制补偿模块306和310的输出。然而，这种典型的抗饱和解决方案不能在宽范围的线性电流调节器配置上提供抗饱和，这是技术挑战，尤其是在诸如eps的机器中的pmsm驱动中更是如此。这里描述的aw模块301通过考虑dq轴电压相对于电池电压(vb)的非线性行为，直接修改电流指令来提供动态抗饱和来解决技术挑战。

图5描绘根据一个或多个实施例的抗饱和模块301的细节。抗饱和模块301包括积分器反计算(ibc)模块505。当电压限制器316被激活时(或当马达控制系统达到电压极限时)，ibc模块505限制pi控制器365的输入和输出。当马达控制系统100稳定到稳态时，积分器308的修改输入为零，而输出保持恒定。因为pi控制器365始终在运行，所以马达控制系统100以无缝且平滑的方式从不饱和转变为饱和。ibc模块505将限制后电压和限制前电压之间的差值作为线性传递函数矩阵gaw1的输入，并在矩阵gaw1的输出被bemf补偿器302补偿之后，将矩阵gaw1的输出馈送到pi控制器365的输入，以限制pi控制器365输出(vr)。

对于反馈马达控制系统100，改变pi控制器输入等同于改变电流指令(ig)。为了理解ibc模块505的行为，计算新变量，其被称为可实现的指令如果应用它而不是实际指令，则将防止马达控制系统的电压受限或饱和。在那种情况下，没有电压限制器的电压指令可以表示如下。

饱和极限之前的实际电压指令可以写成如下所示。

然后可以如下计算可实现电流指令与原始电流指令之间的差异，作为饱和电压指令和限制前电压指令的函数，其中s是拉普拉斯算子，并且ci^-1是参数矩阵ci的逆矩阵。

在一个或多个示例中，ibm模块505将aw参数矩阵gaw1填充为2×2矩阵，其可以表示如下。

ibc-aw矩阵gaw1包括耦合项，即gadq和gaqd。这两个项可以提高控制器设计的灵活性并且改善转矩跟踪性能。因此，ibc模块505使用具有交叉耦合项的增益矩阵gaw1，这改善了ibc模块505的跟踪性能。在一个或多个示例中，ibc-aw矩阵gaw1的各个参数可以被调度为各种马达控制信号的函数，并且此外，可以基于pmsm被控对象的(估计)参数来计算。

图6描绘交叉耦合增益如何改善ibc模块505的性能的示例。当选择gadq和gadd的符号不同时，即gadq为负且gadd为正时，在饱和条件下等效的d轴电流指令增加，使得转矩输出能力得到改善。这允许ibc模块505表现得更像直接参考计算(drc)aw，其考虑电压饱和下的最佳电流指令修改策略。从曲线图601-604中所示的数据可以看出，在不同的马达速度(603)和不同的转矩指令(601)下，与没有耦合项的ibc模块505的实现相比，具有交叉耦合项的ibc模块505改善了对电流指令id和iq(602和604)的跟踪。

或者，为了实现没有耦合项的ibc模块505，ibc模块505被配置为使用gadq＝gaqd＝0的增益矩阵gaw1。在这种情况下，dq轴aw反馈回路被去耦，或者换句话说，d轴(q轴)电压饱和仅影响d轴(q轴)pi控制器365。没有耦合项的简化ibc参数矩阵gaw1可以写成如下。

当马达控制系统30进入或退出饱和状态时，gadd和gaqq的值影响瞬态行为。当仅使用积分控制器时，控制瞬态行为的转移矩阵可表示如下。

通常预先选择gadd和gaqq增益的值，以使马达控制系统更快地稳定到稳定状态。因此，所得到的转移矩阵是使用预选值的静态矩阵，因此改善了瞬态行为。应当注意，在一个或多个示例中，可以基于一个或多个控制信号和/或其他估计值动态地计算所使用的预选值。尽管在解耦的gaw1矩阵的情况下预选的增益不改变马达控制系统100达到的平衡点，但是预选会影响达到平衡所需的时间，稳定性需要更快的平衡状态。因此，在一个或多个示例中，根据d和q轴aw回路的截止频率预先选择增益值，如下所示。

其中fd和fq是d和q轴aw回路的截止频率，并且可以选择为高于预定阈值以促进平滑和稳定的瞬态行为。在一个或多个实施例中，可以根据各种系统信号和参数实时计算矩阵增益或截止频率。

图7描绘根据一个或多个实施例的抗饱和模块301的细节。在一个或多个示例中，抗饱和模块301包括积分器反计算(ibc)模块505和直接参考计算(drc)模块705。当马达控制系统饱和时，drc模块705提供比ibc模块505更高的稳态转矩输出。ibc模块505在改善闭环系统的稳定性和鲁棒性方面比drc模块705执行地更好。当使用仅drc的抗饱和时，通常会对pi控制器输出进行限制，以防止系统不稳定。然而，在输出有界的情况下，仅drc的抗饱和可能失去跟踪稳态转矩输出的优点。通过以特定方式组合由drc模块705和ibc模块505提供的抗饱和以包括这两种技术的优点，本文所述的技术方案解决了这种技术挑战。

图8描绘根据一个或多个实施例的drc模块705的操作的框图。drc模块705接收对应于限制器模块316的限制前和限制后电压指令，并修改到控制器16的电流指令。限制器模块316确定指令电压vr是否超过最大可用电源电压。在指令电压vr超过最大可用电源电压或设定阈值电压的情况下，根据一些实施例，基于以下等式将电压矢量vm的幅值设置为等于以下值：

|vm|＝vdc(等式10b)

参考图8，drc模块705包括饱和参数模块804。饱和参数模块804计算饱和参数，该饱和参数是指示饱和大小的值。在一些实施例中，饱和参数与马达电压指令vr超过可由控制回路提供给马达19的可用电压的程度有关。因此，饱和度γv可表示电压指令和提供给马达19的实际电压的比率。饱和度γv由下式定义：

其中|vr|是马达电压指令vr的幅值，vdc是电源电压。电压饱和非线性可以是径向几何的，并且可以通过利用总电压矢量幅值的比率而不是原始控制信号和受限控制信号的差异来更精确地检测饱和度γv。如通过上述等式可以理解，dc链路电压vdc用于精度，因为实际马达电压指令vm可能不能精确地表示逆变器能够提供的电压。更具体地，当不是由方向保持电压限制器316执行电压限制时，vm对于计算γv是不准确的。

在另一实施例中，相对于饱和量γva表示饱和参数，其可以通过饱和参数模块804通过使用以下等式额外地计算：

饱和量γva定义来自最大电压极限圆的指令电压的幅值，该最大电压极限圆由图3中的vmax表示的弧限定。再次，也可以使用类似于上面提到的vdc的缩放版。

通过利用计算中上面定义的比率，例如，对于饱和度γv和饱和量γva，考虑电压约束的几何结构。换句话说，保持电压约束的方向，因此与去耦的ibc模块505(即，没有交叉耦合增益)相比，drc模块705可以更准确地确定修改的电流指令。这些修改的电流指令有助于防止积分器308饱和。

另外，饱和参数模块804计算饱和参数。在一些实施例中，饱和参数是由以下等式定义的饱和度的倒数γvinv：

或者，饱和参数可以是饱和量γva的倒数。可由饱和度模块804根据γva计算的比率是限定的饱和量，其定义为：

γvalim＝min(1-γva,1)(等式18)

对于高带宽系统，其中γva在某些情况下可能变得大于1，可能导致γvalim的精度降低。

饱和参数模块804将饱和参数输出到非线性处理模块806。

drc模块705的非线性处理模块806降低饱和参数的输出上的噪声而不受先前状态的影响，从而生成处理后的饱和参数。非线性处理模块806不包括存储器，并且不使用输入信号的任何历史信息。由于参考连续地变化，因此瞬态饱和而不是稳态饱和是实际控制系统中更重要的问题。由于若干不同的原因，再加上高带宽电流调节的要求，上述电压限制器方案有时会导致噪声参考，最终导致噪声输出。用于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滞后，而且它具有状态，因此本身可能遭受饱和，从而导致信号的变化。

非线性处理模块806的作用类似于伪滤波器，并且通过利用非线性函数f来实现，其输出y(t)是当前输入x(t)而不是输入的先前值(或状态)的函数。在数学上，该操作可以如下定义。

y(t)＝f(x(t))(等式19)

在一些实施例中，非线性处理模块806是平方根函数。应当注意，可以使用其他函数，其中一些要求是输出可以仅是当前输入值的函数，并且不依赖于先前的状态；该函数可以通过原点(即，当输入为零时输出应该为零)，并且当输入为1时输出可以等于输入。由于其平滑的形状，这些函数减少了电压比的瞬态尖峰。非线性处理(伪过滤)函数的示例由以下等式定义：

参考修改模块808根据处理的饱和参数生成修改的电流指令。

参考修改模块808可以利用增大id并减小iq的参考修改函数。可以基于电压饱和的程度来修改通量指令。通常，可以通过利用作为电压饱和程度的函数的两个比率γd和γq来修改通量指令。这些比率可以定义为：

通过求解上述等式，得到修改的电流参考如下：

iqt＝γqiqr(等式24)

量是d轴电流的最大可能值，其中总d轴磁通链变为零。这可以定义为另外，参考修改函数可以是将控制系统操作转换为增强的弱磁模式(field-weakeningmode)的直线，其范围由比率γd确定。还可以看出，如果γd变为零，则修改的参考可以仅变为idmax，这在实际的马达控制应用中是非常不可能的。

可以通过使用以下参考修改方程，使用不同的idmax值，将上述d轴方程用于参考修改。

idt＝(1-γd)idmax+γdidr(等式25)

iqt＝γqiqr(等式26)

在这种情况下，该比率不再代表通量改变。一个替代值可以定义为：

这里，αd是正标量，通常是小于1的分数，这导致最大d轴电流值大于或小于基于磁通限制的值。

可以基于q轴参考电流和总电流的另一限制(这可能是由逆变器或机器引起的)，在线计算d轴最大电流的另一个值。例如，可以基于机器上的失速电流或者所使用的fet的最大能力来定义电流限制ilim。这样，d轴最大电流可以计算为，

idt和iqt是修改的电流参考，其表示到控制器16的电流指令。

返回参考图7，该框图描绘了使用ibc模块505和drc模块705的组合的混合抗饱和供给。在混合aw方案中，ibc模块505保护pi控制器365在马达控制系统100的操作期间免于饱和，而与操作参数无关。drc模块705通过增加d轴电流以提供相应量的q轴电流来改善aw模块301的转矩跟踪性能。使用这里描述的标准来完成aw增益矩阵gaw1和gaw2的选择，gaw2矩阵是drc模块705使用的增益矩阵。在一个或多个示例中，gaw2是非线性函数，其包括在等式(19)到(28)中表达的各项，图8示出了非线性函数gaw2的子系统。

图9描绘根据一个或多个实施例的使用如本文所述的混合抗饱和的示例结果。应当注意，这里描述的示例结果是针对具有相应配置设置的特定示例场景，并且在其他示例中，不同配置设置可以提供与这里描述的结果不同的结果。曲线901表示dc输入电压；曲线902描绘马达速度；曲线903描绘转矩指令与实际转矩的关系。此外，曲线904描绘指令和实际d轴电流；曲线905描绘指令和实际的q轴电流。

从曲线901、902和903可以看出，在该具体示例中，从大约150rad/s的马达速度，由pmsm19产生的实际转矩由于电压限制不能跟踪指令。这些图描绘了三种不同的aw技术。drc模块705单独提供尽可能高的转矩；ibc模块505单独提供最低的转矩；混合aw模块301提供位于中间的转矩。然而，在2.5-3.5秒期间，在单独使用drc模块705的情况下可以看到大的转矩波动。使用ibc模块705和混合aw模块301时未发现这些转矩波动。曲线904和905也遵循类似的模式。

因此，drc模块705单独可以输出更高的转矩，但是也可能在特定操作条件下导致系统不稳定性。在图10(a)中示出当使用仅drcaw时，在大机器参数估计误差下的不稳定行为。此外，图10(b)示出使用混合aw的结果，其中没有观察到这样的问题。相应的pi控制器输出是有界的并且保持在合理的预定范围内。图10描绘根据一个或多个实施例的用于不同抗饱和实现的示例结果。

如本文所述，使用ibc模块505和drc模块705的组合的aw模块301提供的混合抗饱和，有助于控制器16在电压饱和条件下操作，并具有系统稳定性和转矩跟踪能力。

这里描述的技术方案解决了关于马达控制系统的饱和的技术挑战。在一个或多个示例中，本文描述的技术方案在增益矩阵中使用具有交叉耦合参数的ibc。此外，在一个或多个示例中，本文描述的技术方案使用drc和ibc的混合组合来实现最佳转矩跟踪以及噪声性能。这里描述的技术方案不需要积分器限制并且可以在系统故障的情况下保持系统稳定性。此外，混合技术还可以使用具有交叉耦合增益的ibc，以进一步改善电驱动控制系统的转矩跟踪能力。

图11是根据一些实施例的可由控制模块16执行的控制方法的流程图。如根据本公开可以理解的，该方法内的操作顺序不限于如图11所示的顺序执行，而是可以根据适用并根据本公开以一个或多个变化的顺序执行。

该方法包括使用drc模块705利用限制前电压指令(vr)和限制后电压指令(vm)来计算电流指令修改，如1105所示。对于drc模块计算，控制模块16响应于指令电压超过马达电源的可用电压，确定限制电压指令。限制电压指令可以应用于电动马达。此外，控制模块16基于限制电压指令确定饱和参数。饱和参数表示超过可用电压的指令电压的幅值。此外，对于drc计算，控制模块16通过利用非线性平滑函数来确定处理的饱和参数。drc模块705基于处理的饱和参数生成电流指令。修改的电流指令被应用于控制系统100以改善电流指令跟踪，如1110所示。

此外，该方法包括使用ibc模块505计算修改的电流指令，如1120所示。来自ibc模块的所得修改被应用于已经使用drc模块705修改的积分器308的电流指令，如1130所示。修改的电流指令进一步用作积分器308的输入，以产生电压指令vi以及因此也产生vc，如1140所示。电压指令(vc)可以是组合，例如，来自比例控制器306和积分控制器310的电压指令之和。

使用bemf补偿器补偿电压指令vc以产生补偿电压指令vr，如1150所示。补偿电压指令vr被限制为由限制模块318产生马达电压指令vm，如1160所示。电压马达指令被施加到pmsm马达19。该方法使用最新的vr和vm电压指令在回路中继续，以防止马达控制系统100饱和。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应容易理解，技术方案不限于这些公开的实施例。相反，可以修改本发明以包含此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受前述描述限制。