CN103580576B

CN103580576B - 多谐波分量的转矩脉动的减小

Info

Publication number: CN103580576B
Application number: CN201310305764.7A
Authority: CN
Inventors: D.V.西米利
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: DE102013213774A1; US20140021894A1; DE102013213774B4; CN103580576A; US8981692B2

Abstract

电动马达系统包括马达，马达配置为响应于转矩命令产生转矩信号。转矩信号具有基础频率分量、第一脉动谐波和第二脉动谐波。第一脉动谐波为基础频率分量的整数倍。第二脉动谐波为第一脉动谐波的整数倍。提供用于响应于转矩命令产生脉动减小信号的系统和方法，该脉动减小信号同时消除转矩信号中的第一和第二脉动谐波。第二脉动谐波可通过被经由变换矩阵投影到第一脉动谐波上，与第一脉动谐波一起消除。

Description

多谐波分量的转矩脉动的减小

技术领域

本公开总体涉及电动马达系统，更特别地，涉及电动马达系统中产生的转矩脉动的减小。

背景技术

具有内置式永磁马达的电动马达系统通常包括转子，所述转子具有围绕转子外周的多个交替极性的磁铁。转子可在定子内旋转，定子通常包括多个绕组以及交替极性的磁极。电动马达系统可能产生不期望的转矩脉动，导致不想要的振动和噪声。

发明内容

电动马达系统包括马达，马达配置为响应于转矩命令产生转矩信号。转矩信号具有基础频率分量、第一脉动谐波和第二脉动谐波。第一脉动谐波为基础频率分量的整数倍。第二脉动谐波为第一脉动谐波的整数倍。提供用于产生脉动减小信号的系统和方法，该信号同时消除转矩信号中的第一和第二脉动谐波。第二脉动谐波可通过被经由变换矩阵投影到第一脉动谐波上，与第一脉动谐波一起消除。

控制器操作地连接到马达，并且配置为响应于转矩命令产生脉动减小信号。脉动减小信号至少部分地基于组合消除命令，该组合消除命令同时消除转矩信号中的第一和第二脉动谐波。控制器中的谐波电流消除模块配置为通过经由变换矩阵，将用于第二脉动谐波的第二消除命令投影到用于第一脉动谐波的第一消除命令上，产生组合消除命令。

控制器可包括配置为在基础同步参考系中控制基础电流的第一电流调节器。控制器可包括第一相变换块，配置为将脉动减小信号从两相状态转变为三相状态。控制器可包括参考系变换块，配置为将脉动减小信号从基础同步参考系转变为静止参考系。

提供一种用于减小具有马达的电动马达系统中的转矩脉动的方法。所述方法包括产生转矩命令。第一消除电流命令基于第一谐波同步参考系中的第一脉动谐波确定。第二消除电流命令基于第二谐波同步参考系中的第二脉动谐波确定。组合消除电流命令（第一谐波同步参考系中）通过经由变换矩阵，将第二消除电流命令投影到第一消除电流命令来产生。脉动减小信号响应于转矩命令产生，其中，脉动减小信号至少部分地基于组合消除电流命令和马达的预定特性。

当结合附图理解时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的最佳模式的详细描述，可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。

附图说明

图1是带控制器的电动马达系统的示意性框图，所述控制器具有谐波电流消除模块；和

图2是图1的谐波电流消除模块的示意性框图；

图3是由图1的控制器实施的示例性过程的流程图，以获得用于产生脉动减小信号的组合消除电流命令；

图4是由图1的控制器实施的另一个示例性过程的流程图，以至少部分基于组合消除电流命令产生脉动减小信号；

图5是由电动马达响应于转矩命令产生的转矩信号的示例性曲线，显示了y轴上的振幅和x轴上的时间；和

图6是图5中所示的转矩信号的快速傅里叶变换（FFT）的曲线，显示了y轴上的振幅和x轴上的时间。

具体实施方式

电机系统设置有控制器，控制器配置为响应于转矩命令产生脉动减小信号。电机系统可采取很多不同的形式，并且包括多个和/或替代部件和设备。虽然示例性电动马达系统显示在图中，但是图中示出的部件不旨在限制。实际上，可使用另外的或替代的部件和/或实施方式。

参考附图，其中相同的参考标记在几个附图中指代相同或相似的部件，图1显示了电动马达系统10，包括电动马达12、逆变器14、能量源16、旋转变压器系统18和控制器20。参照图1，控制器20可包括第一电流调节器22、谐波电流消除模块24（具有第二电流调节器25）、电压求和连接单元26、第一和第二参考系变换块28A，B、第一和第二相变换块30A，B和反馈回路31。图2是下面详细描述的谐波电流消除模块24的示意图。

在示例性实施例中，马达12为三相交流（AC）电机，具有转子和定子绕组。在多个实施例中，马达12可以是内置式永磁（IPM）马达、感应马达、同步磁阻马达或其他适当马达，如可理解的。而且，应理解的是，本文讨论的主题不限于三相机，并且可适用于任何相数。

参照图1，能量源16可向逆变器14提供电能和/或电压，用于驱动马达12。能量源16可包括电池、燃料电池、超级电容器或本领域中已知的任何其他适当能量源。马达12响应于从逆变器14施加到定子绕组的电压操作，该电压在定子绕组中形成转矩产生电流。在示例性实施例中，逆变器14向定子绕组中的每一相提供脉宽调制（PWM）电压信号，并且可包括多个晶体管开关对（未示出），用于调制提供的电压，如本领域中可理解的。旋转变压器系统18（或类似地速度感测装置）测量转子的位置和马达12的速度，并且将测量值提供给系统10的其他部件。旋转变压器系统18可包括旋转变压器-数字转变器，用于产生转子位置的数字表示。为了简明，与该系统的一些功能方面（以及该系统的各个操作部件）相关的传统技术可能不在本文中详细描述。

图5是当电压/电流供给到马达12时（即响应于转矩命令），由电动马达12产生的转矩信号200的示例性曲线，在y轴202上显示振幅且在x轴204上显示时间。参照图5，转矩信号200包括转矩脉动振荡206。图6是图5中所示的转矩信号200的快速傅里叶变换210（FFT）的曲线，在y轴208上显示振幅且在x轴209上显示频率。快速傅里叶变换210显示出，转矩脉动包括基础电频率分量212（f₀=1）以及较高频率分量。在所示的示例中，较高频率分量包括第一脉动谐波214（在该情况下f₁=6）和第二脉动谐波216（在该情况下f₂=12）。

图1的控制器20配置为产生脉动减小信号，该信号配置为改变马达12的输出，以同时消除对应于第一和第二脉动谐波214，216的特定转矩脉动分量。换句话说，控制器20配置为产生脉动减小信号，以平滑转矩信号200或减小转矩脉动振荡。脉动减小信号为操作控制信号，其改变到马达12的输入电流或输入电压。控制器20通过执行过程100（图3中所示），部分实现此，该过程100位于控制器20内或易于由控制器20执行。过程100不需要以本文中所述的特定顺序应用。而且，应可理解，可能取消一些步骤。

本文中可能根据功能和/或逻辑块部件，并且参照可能由各种计算部件或装置可执行的操作、处理任务和功能的符号表示，来描述工艺和技术。这样的操作、任务和功能有时被称为被计算机执行、被计算机化、被软件实施或被计算机实施。控制器20可包括多种传感器、计算装置和控制模块、电子控制单元（ECU）或至少一个处理器和/或包括存储其上（或在另一种计算机可读介质中）的指令的存储器，用于执行下面所述的过程和方法。计算机可执行指令可从使用多种编程语言和/或技术形成的计算机程序汇编或编译，包括但不限于，且单独地或组合地，Java^TM，C，C++，Visual Basic，Java Script，Perl等以及其组合。通常，处理器（例如微处理器）从存储器、计算机可读介质等接收指令，并且执行这些指令，由此执行一个或多个过程，包括本文所述的一个或多个过程。这样的指令和其他数据可使用多种计算机可读介质存储和传输。

计算机可读介质（也称为处理器可读介质）包括任何非瞬时性（例如有形）介质，其参与提供可由计算机（例如通过计算机的处理器）读取的数据（例如指令）。这样的介质可采取很多形式，包括但不限于，非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可包括例如光盘或磁盘以及其他永久存储器。易失性介质可包括例如动态随机存取存储器（DRAM），其可构成主存储器。这样的指令可被通过一个或多个传输介质传输，包括同轴电缆、铜线和光纤，包括导线，导线构成连接到计算机处理器的系统母线。计算机可读介质的一些形式包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡片、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH EEPROM、任何其他存储芯片或存储盒或计算机可读的任何其他介质形式。

控制器20可还包括足够的瞬时性存储器，例如随机存取存储器（RAM），以使没有被考虑存储在本文的介质中的临时信号可在执行图3的过程100（和图4的过程150）中，根据需要被传输、接收和处理。控制器20，无论配置为单个计算机装置或分散系统，可根据需要包括其他部件，例如但不限于，高速时钟、计时器、模数（A/D）电路、数模（D/A）电路、数字信号处理器和任何所需输入/输出（I/O）装置和/或其他信号调制和/或缓冲电路。

参照图3，过程100可开始于步骤102，其中图1的控制器20响应于用户转矩请求（例如驾驶员下压车辆中的加速踏板）产生转矩命令32。转矩命令32被发送到谐波电流消除模块24和第一电流调节器22。如上面说明的，马达12配置为响应于转矩命令产生转矩信号，该转矩信号包括基础频率分量（f₀=1）和多个脉动谐波。控制器20辨识待消除的第一和第二脉动谐波。第一脉动谐波（f₁=n，其中n为整数）表示马达12的基础电频率的整数倍数。在所示的实施例中，第二脉动谐波表示第一脉动谐波（f₂=c*n，其中c为常数）的整数倍数。在一个实施例中，第一和第二脉动谐波分别代表第六和第十二谐波（f₁=6以及f₂=12）。第一和第二脉动谐波可根据马达操作特性预确定，并且预配置在谐波电流消除模块24中。

如上面所说明的，控制器20可实现为一个或多个控制块。如本文中所用，术语“块”指物理硬件、电路元件、装置和执行本文所述的特定控制功能所需的相关软件。如下面所述，谐波电流消除模块18基于识别的脉动谐波产生谐波消除命令。谐波电流消除模块24包括第一消除电流命令块34、第一连接单元36、第二消除电流命令块38、变换矩阵40、第二连接单元46、高通滤波器42、第三参考系变换块44（f₀到f₁）和第四参考系变换块50（f₁到f₀），如下面详细描述的。

在一个实施例中，消除电流命令可实现为相对于d-q参考系的两个分量。在笛卡尔坐标中，d-q参考系与马达12内的转子的旋转同步。因而d₁，q₁代表以基础电频率f₀旋转的参考系，本文称为基础同步参考系。d_n，q_n参考系代表以第一脉动谐波f₁旋转的参考系，本文称为第一谐波同步参考系。d_c*n，q_c*n参考系代表以第二脉动谐波f₂下旋转的参考系，本文称为第二谐波同步参考系。

在图3的步骤104中，第一消除电流命令块34（在图2的谐波电流消除模块24中）基于转矩命令32和马达12的预定转矩特性，例如定子和转子叠片几何结构以及绕组配置，在第一谐波同步参考系中确定用于第一脉动谐波的第一消除电流命令。

类似地，在步骤106中，图2的第二消除电流命令块38根据转矩命令32和马达12的预定的转矩特性，在第二谐波同步参考系中确定用于第二脉动谐波的第二消除电流命令。

第一和第二消除电流命令可从查询表确定，该查询表包含对应于一些或多个可能输入转矩命令的多个第二电流消除命令。替代地，消除电流命令块38可通过在转矩命令上执行多项式曲线拟合操作确定消除电流命令。

用于一个预定脉动谐波（例如f₁=6）的查询表可通过命令用于马达12的输入转矩，和使用转矩传感器（torque transducer）测量实际产生的转矩来生成。在转矩信号上执行快速傅里叶变换，以获得用于预定脉动谐波的转矩大小。被命令的电流被校准或调节为与预定脉动谐波的转矩大小相等并且相反，由此选择性地消除预定脉动谐波。对于一系列多个输入转矩命令，重复该过程，以获得用于预定脉动谐波的查询表。对于下一个预定脉动谐波（例如f₂=12），进行类似的过程。

在图3的步骤108中，图2的第二消除电流命令块38通过变换矩阵40将第二消除电流命令（来自步骤106，第二谐波同步参考系中）投影到第一消除电流命令（来自步骤104，第一谐波同步参考系中），由此在第一连接单元36（显示在图2中）处产生组合消除电流命令（在第一谐波同步参考系中）。

变换矩阵40可通过将第一谐波同步参考系和第二谐波参考系的系轴相关联确定。在所示的实施例中，第一脉动谐波为第六谐波，第二脉动谐波为第十二谐波。在该情况下，第一和第二谐波同步参考系q₆，d₆，和q₁₂，d₁₂之间的关系由第一矩阵T_H6表示，如方程（1）中所示：

（轴q₆，d₆和q₁₂，d₁₂显示具有波形帽，以代表矢量坐标）。另外，第一谐波角θ₆限定第一谐波同步参考系相对于基础同步参考系的方向。第二谐波角θ₁₂限定第二谐波同步参考系相对于基础同步参考系的方向，其中θ₁₂=2θ₆。

这导致下面的方程（2）和（3）：

利用sin2θ、cos2θ、sinθ和cosθ之间的已知关系（参见下面的方程（4）），导出方程（5）：

变换矩阵40是第一矩阵T_H6的逆矩阵，这是因为其将第二脉冲矩阵投影到第一脉冲谐波上。在该实施例中，第一矩阵T_H6在下列的等式（6）中限定为：

现在参照图3，在步骤110中，控制器20产生脉动减小信号（响应于转矩命令32），其中脉动减小信号至少部分地基于组合消除电流命令。

如下面所述，图4示出另一个示例性过程150，其可能通过控制器20实施，以基于组合消除电流命令（步骤108中确定）产生脉动减小信号。现在参照图2，谐波电流消除模块24包括高通滤波器42，其基于转矩命令32，接收来自控制器20的模块41的预先确定的电流信号。模块41可以是基础频率去耦块，其测量基础同步参考系中的电流。高通滤波器42遮挡电流的基础频率分量的DC分量，即除去基础频率分量，并且仅允许高于高通滤波器42的频率的较高频率的谐波非衰减地通过。

在图4的步骤151中，基础同步参考系中经滤波的电流信号由高通滤波器42产生（显示在图2中）。在图4的步骤152中，经滤波的电流信号通过第三参考系变换块44（图2中所示）从基础同步参考系转变为第一谐波同步参考系。

在图4的步骤154中，第一谐波同步系中经滤波的电流信号可在第二连接单元46（显示在图2中）处被添加到组合电流消除电流。参照图2，第二连接单元46的输出被馈送到第二电流调节器25中。

在图4的步骤156中，第二被命令电压（基于组合消除电流命令）由第二电流调节器25产生。在图4的步骤158中，第二被命令电压（步骤156）通过第四参考系变换块50（参见图2）从第一谐波同步参考系转变为基础同步参考系。第四参考系变换块50的输出被馈送到电压求和连接单元26（图1-2中所示，参见下面的步骤160）中。

在图4的步骤157中，基础同步参考系中的第一被命令电压由第一电流调节器22产生。第一电流调节器22基于同步定子电流命令（其可从控制器20中的另一个模块接收）产生第一被命令电压，以通过被命令转矩32操作马达12。同步定子电流命令基于转矩命令32、能量源电压、马达的角速度和电动马达系统10的其他操作参数。第一电流调节器22将第一被命令电压提供到电压求和连接单元26（图1-2中所示，参见下面的步骤160）。

在图4的步骤159中，第一被命令电压可被至少部分地基于反馈回路31（图1中所示）调节，该反馈回路31提供来自马达12的测量电流反馈。参照图1，测量电流反馈由第二参考系变换块28B（从静止参考系到基础同步参考系）和第二相变换块30B（以从三相状态改变到两相状态）处理。

在图4的步骤160中，第三命令电压通过在电压求和连接单元26（参见图1）处将第一被命令电压和第二被命令电压相加来产生。在该阶段，第三被命令电压可在基础同步参考系中处于三相状态。

在图4的步骤162中，第三被命令电压可通过第一参考系变换块28A（参见图1）被从基础同步参考系转变为静止参考系。第一参考系变换块28A可使用转子位置（例如来自上面所述的旋转变压器系统18）来根据传统的坐标变换将第三被命令电压从同步参考系转变为静止参考系。

在图4的步骤164中，第三被命令电压可通过第一相变换块30A（参见图1）被从两相状态转变为三相状态。第一相变换块30A将第三被命令电压调节到相当的三相信号，如本领域中技术人员所知的。三相静止系中的第三被命令电压可以是传送到逆变器14的操作控制信号或脉动减小信号，逆变器14处理电压命令，并且将被命令电压应用到马达12的定子绕组。换句话说，脉动减小信号基于第三被命令电压。

总之，提供了一种用于产生脉动减小信号的系统和方法，该脉动减小信号同时消除第一和第二脉动谐波。通过经由变换矩阵40被投影到第一脉动谐波上，第二脉动谐波可与第一脉动谐波一起被消除。该方法节约处理器容量，并且可用于无传感器马达控制应用中，在该应用中，将谐波分量投影到基础同步参考系上可能不是理想的。该方法可用于其中基础电流控制器带宽比谐波电流控制器脉宽低得多的应用中。

查询表、数据库、数据资源库或本文所述的其他数据存储可包括用于存储、访问和提取多种类型数据的多种机制，包括层次数据库、文件系统中的一组文件、专用格式的应用数据库、关系型数据库管理系统（RDBMS）等。每一个这样的数据库可包括在采用计算机操作系统的计算装置中，例如上面提到的那些中的一个，并且可通过网络以多种方式中的任何一种或多种访问，并且可包括以多种格式存储的文件。在用于生成、存储、编辑和执行存储的程序的语言之外，RDBMS可采用结构化查询语言（SQL）。

虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。

Claims

1.一种电动马达系统，包括：

马达，配置为响应于转矩命令产生转矩信号，所述转矩信号具有基础频率分量、第一脉动谐波和第二脉动谐波；

其中，第一脉动谐波为基础频率分量的整数倍，并且第二脉动谐波为第一脉动谐波的整数倍；

控制器，操作地连接到马达，并且配置为产生用于分别消除第一和第二脉动谐波的第一和第二消除命令；

其中，控制器配置为经由变换矩阵，将第二消除命令投影到第一消除命令上，以由此产生组合消除命令，以同时消除转矩信号中的第一和第二脉动谐波；并且

其中，变换矩阵至少部分取决于第一谐波角(θ₆)，第一谐波角(θ₆)限定第一谐波同步参考系相对于基础谐波参考系的方向；并且

其中，变换矩阵为第一矩阵(T_H6)的逆矩阵，第一矩阵(T_H6)限定为：

其中，控制器配置为响应于转矩命令产生脉动减小信号，所述脉动减小信号至少部分地取决于组合消除命令和马达的预定特性。

2.根据权利要求1所述的系统：

其中，第一脉动谐波为第六谐波频率，并且第二脉动谐波为第十二脉动谐波频率。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括：第一电流调节器，配置为在基础同步参考系中控制基础电流。

4.一种用于减小具有马达的电动马达系统中的转矩脉动的方法，所述方法包括：

产生转矩命令，其中，马达配置为响应于转矩命令产生转矩信号，所述转矩信号具有基础频率分量、第一脉动谐波和第二脉动谐波；

其中，第一脉动谐波为基础频率分量的整数倍，第二脉动谐波为第一脉动谐波的整数倍；

基于第一谐波同步参考系中的第一脉动谐波，确定第一消除电流命令；

基于第二谐波同步参考系中的第二脉动谐波，确定第二消除电流命令；

通过经由变换矩阵，将第二消除电流命令投影到第一消除电流命令，产生组合消除电流命令，所述组合消除电流命令在第一谐波同步参考系中；和

其中，变换矩阵至少部分取决于第一谐波角(θ₆)，第一谐波角(θ₆)限定第一谐波同步参考系相对于基础同步参考系的方向；并且

其中，变换矩阵为第一矩阵(T_H6)的逆矩阵，并且第一矩阵(T_H6)限定为：

响应于转矩命令产生脉动减小信号，其中，脉动减小信号至少部分地基于组合消除电流命令和预定的马达特性。

5.根据权利要求4所述的方法：

其中，第一脉动谐波为第六谐波频率，并且第二脉动谐波为第十二谐波频率。

6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

通过第一电流调节器，在基础同步参考系中产生第一被命令电压。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

通过第二电流调节器，基于组合消除电流命令，产生第二被命令电压；

将第二被命令电压从第一谐波同步参考系转变到基础同步参考系；

通过将第一被命令电压和第二被命令电压在电压求和连接单元中相加，产生第三被命令电压；并且

其中，脉动减小信号至少部分取决于第三被命令电压。

8.根据权利要求7所述的方法，在产生第二被命令电压之前，进一步包括：

通过高通滤波器，在基础同步参考系中产生经滤波的电流信号；

将经滤波的电流信号从基础同步参考系转变为第一谐波同步参考系；和

将第一谐波同步参考系中的经滤波的电流信号添加到组合电流消除电流命令中。

9.一种用于减小具有马达的电动马达系统中的转矩脉动的方法，所述方法包括：

产生转矩命令，其中，马达配置为响应于所述转矩命令产生转矩信号，所述转矩信号具有基础频率分量、第一脉动谐波和第二脉动谐波；

通过经由变换矩阵，将第二消除电流命令投影到第一消除电流命令，产生组合消除电流命令，所述组合消除电流命令在第一谐波同步参考系中；

通过第一电流调节器，在基础同步参考系中产生第一被命令电压；

至少部分地基于从马达提供测量电流反馈的反馈回路，调节第一被命令电压；

通过第二电流调节器，基于组合消除电流命令产生第二被命令电压；

通过将第一被命令电压和第二被命令电压在电压求和连接单元中相加，产生第三被命令电压；和

响应于转矩命令，产生脉动减小信号，其中，脉动减小信号至少部分地取决于第三被命令电压。