CN103718452A - 具有电压谐波整形的电动机控制 - Google Patents

Abstract

一种电动机(10)的控制系统包括电流感测装置(14)，其被布置为产生指示所述电动机中的电流的电流感测输出；电流控制装置(20)，其被布置为接收电流需求和控制施加给电动机的电压；和校正装置(26)，所述校正装置被布置为接收所述电流感测输出和所述电流需求，并使用所述电流感测输出和所述电流需求产生校正信号。所述电流控制装置(20)被布置为接收所述校正信号和用所述校正信号校正施加给所述电动机的电压。

Description

具有电压谐波整形的电动机控制

技术领域

本发明涉及电动机的控制，更特别地，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动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动机的电压以校正该电动机扭矩输出的谐波变化。

背景技术

电动致动器的闭环电流控制器通常采用图1所示的形式。响应于被请求的目标电流采用矢量控制，电压被施加到电机的每个相绕组并测量最终产生的电流。然后控制器，通常是PI控制器，使用测出的电流控制被请求的电压以获得目标电流。还需要给出电动机的电气位置的信号，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，其中从其他传感器测量结果估算位置信号。

通常对于3相电机，驱动器包括6FET电桥，该6FET电桥被布置为以PWM模式对电动机端子施加已知的电压来实现所期望的闭环电流。由于应用到电动机以产生所期望电压的PWM切换模式，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。

我们较早的申请PCT/GB2011/050748公开了一种电动机控制系统，其中测量畸变频率处的畸变水平，向控制器输入校正信号，然后该校正信号能校正施加的电压以补偿该畸变。为了改进该畸变的测量，通过应用频移变换来将畸变频率变换为DC分量，然后采用低通滤波器滤除基频分量，将畸变频率处的电流分量与基频处的电流分量分离。在高电动机转速，基频和畸变频率之间的差足以使得该分离被有效获得。然而，在低电动机转速，两个频率之间的差较小，有效滤波变得更加困难。

发明内容

本发明因此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，其被布置为产生电流感测输出，所述电流感测输出可以指示所述电动机中的电流；所述系统还包括电流控制装置，其被布置为接收电流需求，和/或被布置为控制施加给电动机的电压。所述系统还包括校正装置，所述校正装置可被布置为接收所述电流感测输出和所述电流需求。所述校正装置可被布置为产生校正信号。所述电流控制装置可被布置为接收所述校正信号和用所述校正信号校正施加给所述电动机的电压。

所述校正装置可被布置为识别畸变频率。所述校正装置可被布置为例如从所述电流感测输出和所述电流需求确定、或测量电动机中畸变频率的电流分量。

所述校正信号可被布置为指示畸变频率分量的幅度。

所述校正装置可被布置为从所述电流感测输出和所述电流需求产生畸变信号。它可被布置为从畸变信号确定或测量畸变频率分量。例如，所述校正装置可被布置为执行电流感测输出的至少一个分量和电流需求的至少一个分量之间的比较，从而至少部分地将畸变频率分量从电动机中电流的基频分量分离。这个分量，在任一情况下，可以是一小部分。例如所述控制装置可被布置为从所述电流感测输出减去所述电流需求的一小部分。该一小部分可以是固定的，或是可变的。如果它是可变的，它可以被布置为例如随着电动机速度而改变。

所述电流控制装置可被布置为输出指示施加到所述电动机的电压的电压需求。所述校正信号可被布置为指示对所述电压需求的校正。

所述校正装置可被布置为转换所述畸变信号的至少一部分，从而被识别的分量变为DC分量。所述校正装置可以被布置为测量所述DC分量的幅度。

所述校正装置可被布置为运行在高速模式和低速模式。其可被布置为在所述低速模式采用所述电流需求来产生所述校正信号。在所述高速模式，其可被布置为通过滤波至少部分地将所述畸变频率分量从所述基频分量分离。可选择地，所述校正装置可以采用所述电流需求来产生高速和低速模式的校正信号。

所述系统还包括被布置为滤除一定范围的频率以执行所述滤波的滤波器。所述控制系统可被布置为当基频在能被所述滤波器滤除的范围内时运行在高速模式。它可以被布置为当基频不在所述范围时运行在较低速度的低速模式。

所述校正装置可以被布置为产生所述校正信号，以便减小所述被识别的分量，或者它也可以被布置为增大所述被识别的分量。可以以可变的量进行所述减小或增大以便校正测出的畸变，或者其也可以以固定的量，例如校正所述系统的已知畸变。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动机的扭矩谐波。

所述校正装置可以被布置为将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。

所述电动机可以具有静止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和变换装置，电流传感器被布置为测量所述电动机绕组中的电流，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多个畸变分量。所述畸变分量可以是具有不同频率和/或不同正负号的谐波。

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是用于电动机的公知闭环电流控制系统的图示；

图2是显示了电动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动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的但是具有另一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是显示测出的电流中的基频和畸变频率电流分量的图；

图9是显示变换畸变分量后图9的分量的图；

图10是显示系统运行在低速模式时去除基频分量的图；

图11是显示随着降低的电动机速度逐步引入的低速模式的图；和

图12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，电动机10由根据本发明实施例的闭环电动机电流控制系统控制，其包括电流感测系统12和电流控制器20。电流感测系统12包括被布置为测量电动机的三相中的电流i_U、i_V、i_W的电流传感器14，并且输出以具有α和β分量的静止坐标表示电流矢量的信号，电动机包括静止绕组。电流感测系统进一步包括坐标变换块16，坐标变换块16被布置为把来自静止参考系中α和β分量的电流矢量转换为转子参考系中定义电流矢量的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轴电流为扭矩产生分量而D轴电流为非扭矩产生分量。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需求的电压矢量，其形式为计算为减小电流误差以使得所测出的电流矢量I_DQ接近需求的电流矢量i_DQ＊的D和Q轴电压需求V_DQ。另一变换块22接收来自电流控制器的电压需求并将其转换为被输入到PWM驱动器24的α和β分量V_αβ，PWM驱动器24包括6FET电桥并被布置为控制FET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具有与电压需求矢量对应的幅度和方向的净电压。

在这个系统中的电动机驱动器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，其可以从电流感测系统12输出的电流传感器信号上观察到。

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被布置为监测所测出的电流，在这种情况下通过监测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，从而去除所述谐波误差。在高速模式，谐波补偿控制器26测量仅来自所测出的电流的谐波干扰。然而，它还接收和监测电流需求i_DQ*，并且运行在低速模式时，它被布置为采用这个输入和所测出的电流来测量谐波干扰。谐波补偿控制器26还被布置为接收电动机位置输入信号θ，以便使其能够检测电动机的位置。

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.分离-分离块40被布置为监测电动机中测出的电流并分离有害的频率。

2.控制-控制块44被布置为使用闭环电流控制系统产生控制(取消)信号，该信号指示所需要的谐波校正的电平以便使得有害的谐波被降低至零，或者使得以所需的电平注入其他谐波，正如由分离频率需求信号i_kDQ＊所定义的。

3.校正-校正块46被布置为根据控制(取消)信号，对施加到电动机的电压实施校正。

分离

尽管许多技术可以用于分离有害的谐波，比如运行时快速傅立叶变换(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分离频率参考系的同步滤波器。这就允许有害的谐波简单地被隔离，在这种情况下假设其为已知频率的单谐波。

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、电动机的电气位置θ和(相对于电动机的电频率)要被分离的谐波k作为输入。它还接收需求的电流i_DQ＊作为输入，但这仅用于低速模式。注意，k可正可负，职决于目标谐波是正的还是负的序列分量(即，其是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：

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

其中u(t)是到滤波器40的输入，在高速模式时它是测出的电流I_DQ，y（t）是输出，而θ是电动机的电气位置。

同步滤波器50输出的变换后的信号将包含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。如果信号的两个分量(D和Q)为零，那么DC分量将为零，且可以认为在电流控制器输出电压中不存在分离频率。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的输出处的控制路径，以帮助滚降有害的AC分量，使得DC分量能够更容易地被分离。

控制

正如图5和图6先前显示的，同步滤波器产生了其中DC分量是被分离谐波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示将DC分量降低为零所需要的谐波补偿的电平的信号。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分离频率需求信号i_kdq＊进行比较。如果要去除被分离的频率，可以将分离频率需求信号设置为零。控制块因此被布置为产生控制信号V_control，其指示电压需求信号校正所需的程度。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＊被设置为零以仅仅去除逆变器的非线性。正如以下将介绍，还可以使用分离频率需求信号的非零值。

对于具有限制电压可用的系统，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在适用时减小标准的电流控制器的操作限制。这是特定的实现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)。另一个解决方案是允许谐波控制器具有限制的固定百分比。它可以运行到这个限制。电流控制器因此具有剩余的限制-小于这个固定百分比的限制或小于补偿实际采用的限制(以最大化电流控制器电压)。

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。这可以有许多方式实现，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是表示有害谐波的幅度的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的系统中，监测D和Q轴电流感测信号并校正D和Q轴电压需求，这对于在固定参考系中进行校正是同等可行的，其中电流传感器输出的α和β分量被监测并且在电压需求已经被变换为α和β分量之后对其进行校正。

有效(active)谐波整形

尽管以上介绍的补偿方案能够用于从施加到电动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动机的电压中的能力。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被施加的谐波的正确幅度和相位。谐波校正块26使用电动机位置信号θ在D、Q轴参考系中以正确的频率和相位产生校正信号。

对于此的一种应用是去除扭矩谐波，即，电动机扭矩输出中在电动机速度的谐波处的变化，在特定电动机的设计中它是固有的。例如，对于9槽6极的电动机，可能存在着18阶(及其他)扭矩谐波，它由于电动机的设计而存在。如果电动机扭矩谐波的相位和幅度已知，那么算法能够(在消除逆变器的非线性之外)通过施加反相的相同信号有效地消除电动机的谐波。很有可能这些参数将随着电动机的速度和负载而变化，因此需要考虑到这点。

低速运行

参考图8，测出的电流F的基频分量的幅度通常比有害的谐波分量h大很多。对电流传感器输出执行的变换通过采用低带宽控制器完成，因此，当目标分量的频率被偏移以将其变换为DC分量时，基频和其他分量不受影响。因此，变换后的频率分量如图9所示。图9还示出了用于分离DC分量的滤波器的频率截止响应。如图9所示，基频处于不通过滤波器的频率处。这是因为电动机运行在相对高速，所以频率之间间隔是大的。随着电动机的速度降低，信号中的谐波频率减小。达到控制器(滤波器和控制)不能去除(reject)基频和/或其他频率分量以有效分离畸变谐波的点。例如，100rpm时，基频是100Hz，而二次谐波是200Hz。间隔因此是100Hz(200Hz-100Hz)，但是，速度降低到10rpm，这时基频是10Hz而二次谐波是20Hz，间隔减低到10Hz。

当速度降低时，采用上述的高速模式，达到谐波补偿算法影响其他频率(特别是基频)的点，整个系统的性能降低。

一个选择是采用更高阶的滤波，该滤波具有更尖锐的滚降频率。虽然可行，但是计算是耗时的并且依靠算法的执行频率是不可行的。即使可行，仍有间隔达不到的最低的速度。

在这个实施例中的系统因此被布置为运行在更低电动机速度的不同模式。在这个低速模式，返回参考图4，输入到分离块40的i_DQ被修正到低速输入，该低速输入是表示测出的电流和需求的电流之间的差的“畸变信号”。在这种情况下其为一个简单的减法I_DQ-i_DQ＊。因为在低速电动机速度，电流控制器可以假设具有足够的带宽来控制非常接近需求电流的电流，可以假设除畸变之外，测出的电流等于需求的电流。具体地，需求的电流实质上等于测出的电流的基频分量。因此，两者之间的差，I_DQ-i_DQ＊，将是对畸变的测量，因此，将有效地将测出的电流中的有害谐波分离。形成到分离块的修正的输入的该畸变信号的频率分量如图10所示，其中基频分量被看作已去除。在以高速模式处理测出的电流输入时，正好由分离块处理这个修正的输入。

当然，在替选的布置中，低速模式可被用在所有的电动机速度中，因此，如果需要的话，上述的高速模式可以被忽略。

高速和低速的调度

如上表明的，对高速模式和低速模式的不同限制意味着它们分别在高速和低速很好的运行，并且有以不同的电动机速度调度其使用的各种选择。在一个实施例中，谐波补偿块26被布置为监测电动机速度(电气的或机械的)，并将其与阈值速度比校，如果电动机速度高于阈值，则采用高速模式，如果低于阈值速度，则采用低速模式。可以加入滞后度以避免在阈值速度处模式之间的循环。

在另一个实施例中，谐波补偿块被布置为产生分离块的I_DQ-Gi_DQ＊形式的输入，即(测出的电流-(G×需求的电流))。变量k可以是固定的或可变的。例如，它可以被构造为随电动机速度而改变。参考图11，在一个实施例中，电动机速度低于第一阈值速度时G为1，电动机速度大于第二阈值速度时G为0，第二阈值速度高于第一阈值速度，G随电动机速度在第一阈值速度到第二阈值速度间的增加从1降低到0。这提供了从高速模式到低速模式的一个逐渐转变。

值得重视的是低速模式具有很多优点。可通过在变换到谐波参考系之前去除基频分量降低系统的滤波需求，潜在地降低了计算的复杂性。结果是可以在宽得多的速度范围内有效地控制谐波，这提供了改进的NVH性能。改进了低速时算法的瞬态特性。随着对谐波分离的改进，也改善了对整个控制的影响。

同时补偿不止一个谐波

根据电动机和逆变器的设计，谐波存在于若干谐波频率处是常见的。这种算法可通过并行地结合多个谐波补偿算法同时消除若干频率。这是因为控制器在不同频率完全独立地运行。

参考图12，根据本发明进一步实施例的电动机控制系统包括与图3的系统相同的特征，其中相同部件由增加了100的相同附图标记来表示。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多个不同的谐波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，并且较正信号由加法器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动机驱动信号中的畸变或能够校正如以上介绍的电动机中固有的谐波扭矩误差，或者校正其他谐波误差或畸变。

应当认识到，布置补偿子算法以校正的谐波的数量以及阶数和正负号将取决于电流感测系统的性质以及它产生的谐波畸变。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数和不同的正负号，不同的阶数和相同的正负号，或者不同的阶数和不同的正负号。在某些情况下，可以有如图12所示的三个子算法。在这种情况下，三个谐波的组成可以是：两个阶数相同而正负号相反和一个不同阶(并且任一正负号)，或者三个不同阶数并且全正、全负、两负一正或两正一负。

Claims (15)

1.一种电动机的控制系统，所述系统包括：电流感测装置，其被布置为产生指示所述电动机中的电流的电流感测输出；电流控制装置，其被布置为接收电流需求并控制施加给所述电动机的电压；和校正装置，其被布置为接收所述电流感测输出和所述电流需求，并使用所述电流感测输出和所述电流需求产生校正信号，其中所述电流控制装置被布置为接收所述校正信号并使用所述校正信号校正施加给所述电动机的电压。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述校正装置被布置为识别畸变频率，并从所述电流感测输出和所述电流需求确定所述电动机中在所述畸变频率的电流分量。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述校正信号被布置为指示所述畸变频率分量的幅度。

4.根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述校正装置被布置为从所述电流感测输出和所述电流需求产生畸变信号。

5.根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述校正装置被布置为执行电流感测输出的至少一个分量和电流需求的至少一个分量之间的比较，从而至少部分地将所述畸变频率分量从所述电动机中电流的基频分量分离。

6.根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述电流控制装置被布置为输出指示施加到所述电动机的电压的电压需求，并且所述校正信号被布置为指示对所述电压需求的校正。

7.根据权利要求2或前面任一根据权利要求2所述的控制系统，其中所述校正装置被布置为变换所述电流感测输出或所述畸变信号，从而被识别的分量变为DC分量，并且所述校正装置被布置为测量所述DC分量的幅度。

8.根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述校正装置被布置为运行在高速模式和低速模式，并且被布置为在所述低速模式使用所述电流需求来产生所述校正信号，并且在所述高速模式通过滤波至少部分地将所述畸变频率分量从所述基频分量分离。

9.根据权利要求8所述的控制系统，还包括被布置为滤除一范围的频率以执行所述滤波的滤波器，其中所述控制系统被布置为当基频在将被所述滤波器滤除的范围内时运行在高速模式，以及当基频不在所述范围内时运行在较低速度的低速模式。

10.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述校正装置被布置为将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。

11.根据前面任一权利要求所述的控制系统，用于具有静止绕组和相对于所述绕组旋转的转子的电动机，其中所述电流感测装置包括电流传感器和变换装置，所述电流传感器被布置为测量所述电动机绕组中的电流，所述变换装置被布置为将所测量的电流变换到所述转子的参考系中。

12.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述电流控制装置被布置为输出所述电压需求，以便定义在旋转的参考系中的需求电压。

13.根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述系统被布置为校正多个畸变分量。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其中所述畸变分量是具有不同频率和/或不同正负号的谐波。

15.一种参考任意一个或多个附图如此处充分描述的控制系统。

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