CN103069711A - 具有电压谐波整形的电机控制 - Google Patents

Abstract

一种用于电动机的控制系统，包括电流感测装置，所述电流感测装置被布置为产生指示所述电机中的电流的电流感测输出；电流控制装置，所述电流控制装置被布置为接收电流感测输出并输出指示要施加到所述电机的电压的电压需求；以及电压需求校正装置，所述电压需求校正装置被布置为产生校正信号并使用所述校正信号和电压需求以产生用于电压谐波整形的校正后的电压需求。

Description

具有电压谐波整形的电机控制

技术领域

本发明涉及电动机控制，确切地说涉及对施加到电动机绕组的电压中谐波的控制。它能够用于例如校正由电机驱动器输出的电压中的谐波误差，并且把谐波添加到输入到电机的电压以校正该电机转矩输出的谐波变化。

背景技术

电动执行器的闭环电流控制器典型情况下采用图1所示的形式。响应于所请求的目标电流使用矢量控制，对电机的每个相绕组都施加了电压并测量了最终产生的电流。然后控制器，典型情况下是PI控制器，使用测出的电流控制所请求的电压以实现目标电流。给出电机电气位置的信号也是必需的，以便能够在正确的时间以正确的相位施加电压。在图1的系统中显示了位置传感器，但是本发明同样适用于无位置传感器的系统，其中位置信号从其他传感器测量结果估算。

典型情况下对于3相电机，驱动器包括6FET电桥，被布置为以PWM模式对电机端子施加已知的电压以实现所期望的闭环电流。由于被施加到电机以产生所期望电压的PWM切换模式，所以可能引入附加的有害谐波频率形式的驱动级非线性，如图2所示。

发明内容

本发明提供了用于电动机的控制系统，所述系统包括电流感测装置，被布置为产生电流感测输出，电流感测输出可以指示所述电机中的电流；以及电流控制装置，其可以被布置为接收所述电流感测输出并输出可以指示要施加到所述电机的电压的电压需求。所述系统可以进一步包括电压需求校正装置。所述电压需求校正装置可以被布置为产生校正信号。它可以被布置为产生校正后的电压需求，在某些情况下通过使用所述校正信号和所述电压需求。

所述电压需求校正装置可以被布置为监视所述电流感测输出，从而测量所述电压需求中的失真，并且可以被布置为产生所述校正信号以便至少部分地校正所述失真。

所述校正装置可以被布置为识别失真频率。它可以被布置为产生所述校正信号以便在所述失真频率处改变所述电压需求的分量。例如，它可以被布置为识别出所述电流感测输出的具有等于所述失真频率的频率的分量，以及测量该分量的幅度以测量所述失真。在这种情况下，它可以被布置为变换所述电流感测输出以使得所述识别出的分量或者所述识别出的频率分量的至少一部分或分量变成DC分量，并且测量所述DC分量的幅度。它可以被布置为将所述识别出的分量变换成两个DC分量。这两个分量可以例如对应于所述识别出的频率分量的两个不同的相位分量。比如D和Q轴的分量，或α和β分量。

所述校正装置可以被布置为产生所述校正信号，以便减小所述识别出的分量，或者它也可以被布置为增大所述识别出的分量。所述减小或增大可以按照可变的量以便校正测出的失真，或者它也可以按照固定的量，例如校正所述系统的已知失真。例如，它可以被布置为按固定幅度产生所述校正信号以便校正所述电机的转矩谐波。

所述校正装置可以被布置为把所述校正信号与所述电压需求结合以产生所述校正后的电压需求。

所述电机可以具有固定的绕组和相对于所述绕组旋转的转子。所述电流感测装置可以包括电流传感器，电流传感器被布置为测量在所述电机绕组中的电流，并且可以包括变换装置，变换装置被布置为将所述测出的电流变换到所述转子的参考系中。所述电流感测输出可以定义正在旋转的参考系（例如具有D和Q分量的转子参考系）中的电流，也可以定义在固定的、具有α和β分量的参考系中的电流。

所述电流控制装置可以被布置为输出所述电压需求，以便定义正在旋转的参考系（例如具有D和Q分量的转子参考系）中的需求的电压，或者定义在固定的、具有α和β分量的参考系中的需求的电压。

所述系统可以被布置为校正失真的多个分量。所述失真的分量可以是具有不同频率和/或不同符号的谐波。

附图说明

现在将参考附图仅仅以举例方式介绍本发明的优选实施例。

图1是用于电机的公知闭环电流控制系统的图示；

图2是显示了电机驱动器中产生的谐波误差如何影响图1的系统的图示；

图3是根据本发明实施例的用于电机的闭环电流控制系统的图示；

图4是形成图4中系统的一部分的谐波补偿系统的图示；

图5是形成图3中系统的一部分的同步滤波器的图示；

图6是类似于图5的但是具有进一步的滤波器组件的滤波器布置的图示；

图7是图3中系统的校正部分的图示；

图8是根据本发明进一步实施例的控制系统的图示。

具体实施方式

参考图3，电机10由根据本发明实施例的闭环电机电流控制系统控制，它包括电流感测系统12和电流控制器20。电流感测系统12包括被布置为测量电机三相中的电流i_U、i_V、i_W的电流传感器14，电机包括固定绕组，并且输出指明在具有α和β分量的固定坐标中的电流向量的信号。电流感测系统进一步包括坐标变换块16，坐标变换块16被布置为把来自固定参考系中α和β分量的电流向量转换为在转子参考系中定义电流向量的D分量i_D和Q分量i_Q，转子参考系相对于固定绕组旋转，其中Q轴电流为转矩产生分量而D轴电流为非转矩产生分量。比较器18从电流感测系统12接收测出的D和Q电流，并且将其与要求的D和Q电流分量进行比较以产生电流误差。电流控制器20接收电流误差并输出所要求的电压向量，形式为计算为减小电流误差使得所测出的电流向量I_DQ接近所要求的电流向量i_DQ＊的D和Q轴电压需求V_DQ。进一步的变换块22接收来自电流控制器的电压需求并将其转换为α和β分量V_αβ，它们被输入到PWM驱动器24，PWM驱动器24包括6FET电桥并被布置为控制该FET的开关，以便以PWM模式向电动机的相绕组施加电压，PWM模式在这些绕组中产生的净电压具有与电压需求向量所对应的幅度和方向。

在这个系统中的电机驱动器24产生了以上介绍的谐波干扰。谐波误差在由电流控制器20输出的电压需求中观察不到。不过，从电流感测系统12输出的电流传感器信号上可观察到它。

所以，控制系统进一步包括被布置为提供谐波补偿功能的谐波补偿控制器26。为了实现这个目的，谐波补偿控制器26被布置为监视所测出的电流，在这种情况下通过监视I_DQ，从而测量谐波干扰，并且使用加法器21对电流控制器20输出的电压需求施加校正，使得去除所述谐波误差。谐波补偿控制器26还被布置为接收电机位置输入信号θ，以便使其能够检测电机的位置。

参考图4，谐波补偿过程能够被分解为三个步骤，这些步骤被显示为谐波补偿控制器26的功能块。

1．隔离-隔离块40被布置为监视电机中测出的电流并隔离有害的频率。

2．控制-控制块44被布置为使用闭环电流控制系统以产生控制（消除）信号，该信号指明所需要的谐波校正的水平以便使得有害的谐波被降低至零，或者使得以要求的水平注入其他谐波，正如由隔离频率需求信号i_kDQ ^＊所定义的。

3．校正-校正块46被布置为根据控制（消除）信号，对施加到电机的电压应用校正。

隔离

尽管许多技术可以用于隔离有害的谐波，比如运行时快速傅氏变换（FFT）或陷波滤波器，但是在这个实施例使用的方法是使用被布置为将测出的电流变换到隔离频率参考系的同步滤波器。这就允许有害的谐波（在这种情况下假设其为已知频率的单次谐波）简单地被隔离。

图5显示了同步滤波器50的一种实现方式，它接收电流传感器输出I_DQ、电机的电气位置θ和要被隔离的谐波k（相对于电机的电频率）作为输入。注意，k可正可负，取决于目标谐波是正的还是负的序列分量（即它以与转子相同的方向还是相反的方向行进）。

由滤波器50执行的变换e^jkθ被定义为：

$y\left(t\right)=e^{\mathrm{jk\θ}}u\left(t\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{k\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{k\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{k\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{k\θ}\right)\end{array}\right]u\left(t\right)$

其中u(t)是到滤波器40的输入，y(t)是输出，而θ是电机的电气位置。

同步滤波器50输出的变换后信号将包含DC和AC分量。DC分量是目标谐波的正交分量。AC分量由原始信号中全部其他谐波引起。如果DC分量为零，那么在电流控制器输出电压中不存在隔离频率或者至少在该频率处的正交（Q）分量。正如图6所示，如果需要，可以把滤波器60添加到同步滤波器50输出处的控制路径，以帮助衰减有害的AC分量，使得DC分量能够更容易地被隔离。如果需要，隔离频率的相位（D）分量能够以进一步的滤波器识别出并转换为分开的DC信号。

控制

正如图5和图6先前显示，同步滤波器产生了其中DC分量是被隔离谐波k的幅度的信号。如果DC分量为零，那么该谐波不存在。

所以，谐波补偿单元26的控制功能目标是产生指明将DC分量降低为零所需要的谐波补偿的水平的信号。所以它接收来自比较器的输出，该比较器将来自同步滤波器的输出与隔离频率需求信号i_kdq ^＊进行比较。如果要去除被隔离的频率，可以将隔离频率需求信号设置为零。然后控制块被布置为产生控制信号V_control，它指明了电压需求信号校正所要求的程度。许多控制器都可以使用，但是优选解决方案是标准PID形式的控制器。为了去除逆变器的非线性，谐波系中的电流需求i_kdq ^＊被设置为零以去除仅仅逆变器的非线性。正如以下将介绍，还可以使用隔离频率需求信号的非零值。

对于具有有限可用电压的系统，必须对哪一个控制器具有优先权做出判断，即是电流控制器20还是谐波补偿控制器26具有优先权。在这个实施例中使用的一种解决方案是允许谐波补偿无限制地操作并且减小在适用时标准的电流控制器的操作限度。这是特定的实施方式而其他实施例能够被配置为将优先权授予电流控制器（并且限制谐波补偿控制动作）。

校正

一旦已经算出了控制动作，就必须对需求的电压施加校正动作。有许多方式实现它，比如使用反FFT，但是优选解决方案显示在图7中，并且包括变换块70。控制信号V_control是指明了有害谐波的幅度的DC信号，并且被输入到变换块70，变换块70被布置为将其变换回dq参考系以产生补偿电压V_DQcomp，它将是有害谐波频率处的AC信号。图3的加法器21被布置为向施加到电机的标准电流控制电压需求V_DQ添加补偿电压。

而在图3系统中，监视D和Q轴电流感测信号并校正D和Q轴电压需求，但是同样可能的是在固定参考系中进行校正，其中电流传感器输出的α和β分量被监视并且在电压需求已经被变换为α和β分量之后校正它。

主动谐波整形

尽管以上介绍的补偿模式能够用于从施加到电机的电压中去除谐波，但是也能够出现相反的情况。图3的系统提供了把特定相位和幅度的谐波注入到施加到电机的电压中的能力。返回参考图4，谐波系中的电流需求i_kdq ^＊不是被设置为零，而是能够被设置为产生要施加的谐波的正确幅度和相位。谐波校正块26使用电机位置信号θ以正确频率和相位产生在D、Q轴参考系中的校正信号。

对于此的一种应用是去除转矩谐波，即电机转矩输出中在电机速度的谐波处的变化，在特定电机的设计中它是固有的。例如，对于9槽6极的电机，可能存在着18阶（及其他）转矩谐波，它由于电机的设计而出现。如果电机转矩谐波的相位和幅度已知，那么本算法就能够通过施加反相的相同信号主动地消除电机的谐波（除消除逆变器的非线性之外）。很有可能这些参数将随电机速度和负载变化，因此这将需要考虑。

校正算法的调度

以上介绍的技术限制在于，在电机低速时无法容易地隔离DC分量（并且在零速度时不可能隔离）。结果，应当对该算法可以运行的最低电频率设置限制。类似地，可能有必要对该算法设置运行速度上限，以避免在该算法的采样率不够高时的假信号问题。

为了使该算法启用和停用期间的转矩干扰最小化，可以对运行速度限制使用滞后操作，以及/或者可以在一段时间（或者许多电循环）上对该控制动作线性地倾上倾下（ramp on and off）。

当该算法被停用时，有许多选项可用，并且控制系统可以被布置为进行以下任何一项或多项：

1．把控制动作固定在最后算出的值（对于谐波补偿算法，位置变化将仍然继续，以便在所需要的谐波频率处产生校正动作）。

2．切换到替代的谐波补偿算法。

3．完全停用谐波补偿。

同时补偿不止一个谐波

取决于电动机和逆变器的设计，常见的是在几个谐波频率处存在谐波。这种算法通过并行地结合多个谐波补偿算法而能够同时消除几个频率。这是因为控制器在不同频率完全独立地运行。

参考图8，根据本发明进一步实施例的电机控制系统包括与图3系统相同的特征，其中相同部件由相同附图标记增加100指示。在这种情况下，谐波补偿控制器126被布置为使用相应的谐波补偿控制算法，校正或者注入许多不同的谐波k₁、k₂、k₃。每种算法都被布置为产生如以上介绍的相应电压校正信号，并且校正信号由加法器128结合以产生结合的校正信号，该结合的校正信号与从电流控制器120输出的电压需求结合。每个谐波都能够校正电机驱动信号中的失真或能够校正如以上介绍的电机中固有的谐波转矩误差，或者校正其他谐波误差或失真。

应当认识到，布置补偿子算法以校正的谐波的数量以及阶和符号将取决于电流感测系统的性质以及它产生的谐波失真。例如，在某些情况下，可以布置两个子算法以校正两个谐波。它们可以有相同的阶和不同的符号，不同的阶和相同的符号，或者不同的阶和不同的符号。在某些情况下，可以有如图8所示的三个子算法。在这种情况下，三个谐波的组成可以是阶相同而符号相反的两个以及不同阶（并且任一符号）的一个，或者三个不同阶并且全正、全负、两负一正或两正一负。

Claims (12)

1.一种用于电动机的控制系统，所述系统包括电流感测装置，所述电流感测装置被布置为产生指示所述电机中的电流的电流感测输出；电流控制装置，所述电流控制装置被布置为接收所述电流感测输出并输出指示要施加到所述电机的电压的电压需求；以及电压需求校正装置，所述电压需求校正装置被布置为产生校正信号并使用所述校正信号和所述电压需求以产生校正后的电压需求。

2.根据权利要求1的控制系统，其中，所述电压需求校正装置被布置为监视所述电流感测输出从而测量所述电压需求中的失真，以及产生所述校正信号以便至少部分地校正所述失真。

3.根据权利要求2的控制系统，其中，所述校正装置被布置为识别失真频率并识别所述电流感测输出的具有等于所述失真频率的频率的分量，以及测量该分量的幅度以测量所述失真。

4.根据权利要求3的控制系统，其中，所述校正装置被布置为变换所述电流感测输出以使得所识别的分量变为DC分量，以及测量所述DC分量的幅度。

5.根据权利要求3或权利要求4的控制系统，其中，所述校正装置被布置为产生所述校正信号以便减小所识别的分量。

6.根据权利要求1的控制系统，其中，所述校正装置被布置为以固定的幅度产生所述校正信号以便校正所述电机的转矩谐波。

7.根据任何一个前面的权利要求的控制系统，其中，所述校正装置被布置为把所述校正信号与所述电压需求结合以产生校正后的电压需求。

8.根据任何一个前面的权利要求的控制系统，用于具有固定绕组和相对于所述绕组旋转的转子的电机，其中，所述电流感测装置包括被布置为测量在所述电机绕组中的电流的电流传感器，以及被布置为将所测量的电流变换到所述转子的参考系中的变换装置。

9.根据任何一个前面的权利要求的控制系统，其中，所述电流控制装置被布置为输出所述电压需求，以便定义正在旋转的参考系中需求的电压。

10.根据任何一个前面的权利要求的控制系统，其被布置为校正失真的多个分量。

11.根据权利要求10的控制系统，其中失真的所述分量是具有不同频率和/或不同符号的谐波。

12.一种控制系统，基本上如本文参考任何一幅或多幅附图所介绍的。

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