CN104052361B - 用以补偿转矩脉动的电机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用以补偿转矩脉动的电机控制系统。具体地，提供一种电机控制系统。该电机控制系统包括具有多个电机谐波的电机和与该电机通信的转矩脉动补偿控制器。该转矩脉动补偿控制器被构造成确定所述多个电机谐波中的对应一个的谐波脉动电流。该谐波脉动电流基于参考q‑轴电流和参考d‑轴电流。该转矩脉动补偿控制器被构造成将所述多个电机谐波中的每个的谐波脉动电流相加在一起以确定脉动补偿电流。

Description

用以补偿转矩脉动的电机控制系统
技术领域
本发明涉及一种电机用控制系统，并且更尤其地，涉及一种确定脉动补偿电流的电机用控制系统。
背景技术
永磁同步电机（PMSM）（表面永磁体（SPM）或内部永磁体（IPM）电机）的输出转矩可由电压命令和相位超前角来确定。 PMSM的特定输出转矩通过首先选择特定的象限轴（也被称为q-轴）参考电流和直轴（也被称为d-轴）参考电流、然后基于选定的象限轴参考电流和直轴参考电流来确定电压命令和相位超前角而确定。
内部永磁体同步电机（IPMSM）是相对便宜的，但是在操作期间通常产生相对高的转矩脉动。通常要求在电动转向（EPS）应用中利用的电动机产生相对低的转矩脉动。因此，由IPMSM或SPM产生的转矩脉动在EPS应用中被使用之前可能需要减小。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种电机控制系统。该电机控制系统包括具有多个电机谐波的电机和与该电机通信的转矩脉动补偿控制器。该转矩脉动补偿控制器被构造成确定所述多个电机谐波中对应的一个的谐波脉动电流。该谐波脉动电流是基于参考q-轴电流和参考d-轴电流。该转矩脉动补偿控制器被构造成将所述多个电机谐波中的各个电机谐波的谐波脉动电流相加在一起以确定脉动补偿电流。
在另一个实施例中，提供了一种用于具有多个电机谐波的电机的电机控制的方法。该方法包括通过转矩脉动补偿控制器来确定所述多个电机谐波中对应的一个的谐波脉动电流。该谐波脉动电流是基于参考q-轴电流和参考d-轴电流。该方法包括将所述多个电机谐波中的各个电机谐波的谐波脉动电流相加在一起以确定脉动补偿电流。
这些和其它优势以及特征将从结合附图所作的下列描述变得更加明显。
附图说明
被视为本发明的主题被特别地被指出并且在本说明书的结论处的权利要求中被明确地要求保护。本发明的前述及其它特征和优势从结合附图所作的下列详细描述是明显的，在这些附图中：
图1是根据本发明的示例性实施例的电机控制系统的框图；
图2是图示根据本发明的另一个示例性实施例的示例性转矩脉动补偿控制器的数据流图；并且
图3是根据本发明的又一个示例性实施例的用于确定脉动补偿电流的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，其中，将参照具体实施例描述本发明（不限制该具体实施例），图1是电机控制系统10的示例性框图。电机控制系统10包括命令电流控制器20、d-轴比例加积分增益（PI）控制器22、q-轴PI控制器23、极转换控制器24、脉冲宽度调制（PWM）逆变器控制器26、逆变器28、DC功率源30、电机32、位置传感器34、速度传感器36、变换控制器38、a-轴电流放大器40、b-轴电流放大器42、a-轴模数转换器（ADC）44、b-轴ADC 46、和转矩脉动补偿控制器48。在一个实施例中，电机32可为内部永磁体同步电动机（IPMSM）或表面永磁体同步电动机（SPM），然而，需理解的是，也可使用通过使用相电流受到控制的任意类型的电动机。
在如图1中所示的实施例中，逆变器28连接到 DC功率源30，其中，DC功率源30可为例如电池。DC功率源30可通过DC输入线49连接到逆变器28。变送器51可被用来监测横跨DC输入线49的桥接电压Vecu。表示桥接电压Vecu的控制信号53可发送至命令电流控制器20和PWM逆变器控制器26。在示出的示例性实施例中，逆变器26将三个交流（AC）相电流通过线50、线52、和线54传输至电机32（例如，ia、ib、和 ic）以便对电机32的操作和控制。
为了反馈控制目的，可检测由线50和52传输至电机32的相电流ia和ib以确定到电机32的瞬时电流。具体地，可使用变送器56来监测线50上的相电流ia，并且可使用变送器58来监测线52上的相电流ib。应注意的是，虽然图示变送器56和变送器58，但是可监测线50或52中的仅一个来测量相电流ia或相电流在ib。表示测量的相电流ia的控制信号60可从变送器56发送至a-轴电流放大器40，并且表示测量的相电流ib的控制信号62可从变送器58发送至 b-轴电流放大器42。然后，相电流ia的倍增或放大值从a-轴电流放大器40发送至a-轴ADC 44，并且相电流ib的放大值62从 b-轴电流放大器42传送至 b-轴ADC 46。a-轴ADC 44将相电流ia的放大值转换成数字值64。数字值64表示相电流ia的大小。b-轴ADC 46将相电流ib的放大值转换成数字值66。数字值66代表相电流ib的大小。
变换控制器38从ADC 44接收数字值64并且从ADC 46接收数字值66作为输入。在一个实施例中，变换控制器38是三相至两相变换控制器，其中，AC电流的测量值（例如，表示相电流ia的数字值64，并且表示相电流ib的数字值66）被转换成等效的测量电流，所述等效的测量电流是测量的d-轴电流IdMEASURED和测量的q-轴电流IqMEASURED。测量的d-轴电流IdMEASURED被传送至减法器70，并且测量的q-轴电流IqMEASURED被传送至减法器72。
命令电流控制器20接收转矩参考命令Te、角速度ωm、和表示来自变送器51的桥接电压Vecu的控制信号53作为输入。转矩参考命令Te代表命令转矩值，并且可源自于另一个控制器（未示出），或可对应于由操作员生成的转矩值。角速度ωm由速度传感器36测量。速度传感器36可包括例如编码器和速度计算电路，该速度计算电路用于基于由编码器接收的信号来计算电机32的转子（未示出）的角速度。命令电流控制器20基于转矩指令Te、桥接电压Vecu、和角速度ωm来计算参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF。例如，在一个实施例中，参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF可使用查阅表来计算。然而，应理解，也可使用其它途径来确定参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF。参考d-轴电流Id_REF被传送至加法器69和转矩脉动补偿控制器48，并且参考q-轴电流Iq_REF被传送至加法器71和转矩脉动补偿控制器48。
转矩脉动补偿控制器48从命令电流控制器20接收参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF和由电机位置传感器34测量的转角值θr作为输入。转矩脉动补偿控制器48基于所述输入来确定q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE、d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE、或q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE两者，如下文更详细地描述。q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE生成与由电机32生成的转矩脉动在大小上基本相等但是在相反方向（例如，约180°移位）上的补偿转矩脉动。
加法器69接收参考d-轴电流Id_REF和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE。加法器69通过将参考d-轴电流Id_REF和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE相加在一起来确定d-轴最终电流Id_final。然后，d-轴最终电流Id_final被发送至减法器70。减法器70接收测量的d-轴电流IdMEASURED和d-轴最终电流Id_final。减法器70基于测量的d-轴电流IdMEASURED和参考d-轴最终电流Id_final来确定d-轴误差信号74。d-轴误差信号74代表测量的d-轴电流IdMEASURED和d-轴最终电流Id_final之间的误差。
加法器71接收参考q-轴电流Iq_REF和q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE。加法器71通过将参考q-轴电流Iq_REF和q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE相加在一起来确定q-轴最终电流Iq_final。然后，q-轴最终电流Iq_final被发送至减法器72。减法器72接收测量的d-轴电流IdMEASURED和q-轴最终电流Iq_final。然后，减法器72基于测量的q-轴电流IqMEASURED和q-轴最终电流Iq_final来确定q-轴误差信号76。q-轴误差信号76代表测量的q-轴电流IqMEASURED和q-轴最终电流Iq_final之间的误差。
d-轴PI控制器22从减法器70接收d-轴误差信号74作为输入。d-轴PI控制器22计算d-轴电压信号VD。d-轴电压信号VD基于d-轴比例增益KP和d-轴积分增益Ki。同样地，q-轴PI控制器23从减法器72接收q-轴误差信号76作为输入。q-轴PI控制器23计算q-轴电压信号VQ。q-轴电压信号VQ是基于q-轴比例增益KP和q-轴积分增益Ki。
极转换控制器24从d-轴PI控制器22接收d-轴电压信号VD和从q-轴PI控制器23接收q-轴电压信号VQ作为输入。基于输入，极转换控制器24确定电压命令Vcmd和相位超前角δ。PWM逆变器控制器26从极转换控制器24接收电压命令Vcmd和相位超前角δ作为输入。PWM逆变器控制器26还接收由电机位置传感器34测量的转角值θr。在一个示例性实施例中，PWM逆变器控制器26可包括过调制空间矢量PWM单元来生成三个相应的占空比值Da、Db、和Dc。占空比值Da、Db、和Dc用来驱动激励电机32的相位的逆变器28的门驱动器电路（未示出）。
现在将描述由转矩脉动补偿控制器48确定q-轴脉动电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE。现在转向图2，数据流图示出图1的用来确定q-轴脉动电流Iq_RIPPLE和 d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE的转矩脉动补偿控制器48的示例性实施例。在一个示例中，转矩脉动补偿控制器48包括转矩脉动补偿模块80和补偿功能模块82。转矩脉动补偿控制器80包括一组补偿查阅表84。各补偿查阅表84包含对于特定电机谐波来说的转矩脉动大小的值或转矩脉动相位的值，所述值基于参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF。
转矩脉动补偿模块80接收参考d-轴电流Id_REF、参考q-轴电流Iq_REF、电机反emf常数Ke（其中，emf是电动势）、电机32的电机极P的数量、q-轴电感Lq、和d-轴电感Ld作为输入。在一个替代实施例中，转矩脉动补偿模块可确定电机反emf常数Ke的值、电机极P的数量、q-轴电感Lq、和d-轴电感Ld。
转矩脉动补偿模块80可首先使用补偿查阅表84来确定各电机谐波的转矩脉动大小和转矩脉动相位。补偿查阅表84各自包含对于特定电机谐波来说的转矩脉动大小或转矩脉动相位的特定值。各个补偿查阅表84中的转矩脉动大小的值或转矩脉动相位的值是基于参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF。例如，为了确定特定电机谐波（例如，第八阶电机谐波）的转矩脉动大小，提供查阅表以基于参考d-轴电流Id_REF、参考q-轴电流Iq_REF的特定值来确定第八阶谐波的转矩脉动大小的值。提供另一个查阅表以基于参考d-轴电流Id_REF、参考q-轴电流Iq_REF的特定值来确定第八阶谐波的转矩脉动相位的值。在一个实施例中，可基于（图1中所示的）电机32的特定齿槽转矩（cogging torque）特性来调节存储在补偿查阅表84中的转矩脉动大小的值和转矩脉动相位的值。
一旦在补偿查阅表84中找到对于特定电机谐波来说的转矩脉动大小的值和转矩脉动相位的值，转矩脉动补偿模块80就可计算特定电机谐波的电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88。可替代地，或除了电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88之外，转矩脉动补偿模块80可计算特定电机谐波的电流谐波d-轴大小90和电流d-轴相位输出92。在一个实施例中，特定电机谐波的电流谐波q-轴大小86可由方程1或方程2确定，特定电机谐波的电流q-轴相位输出88可由方程3确定，特定电机谐波的电流谐波d-轴大小90可由方程4确定，并且特定电机谐波的电流d-轴相位输出92可由方程5确定：
　　 　　方程1
　　 　　方程2
　　　　方程3
　　 　　方程4
　　　　方程5
其中，是电流谐波q-轴大小86，是在补偿查阅表84中的一个中找到的第i个谐波（其中i代表特定谐波，例如，第八阶谐波）的转矩脉动大小，是电流q-轴相位输出88，是在补偿查阅表84中的一个中找到的第i个谐波的转矩脉动相位，是电流谐波d-轴大小90，并且是电流d-轴相位输出92。
转矩脉动补偿模块80计算各电机谐波的电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88。例如，如在图2中看到的，如果存在m数量电机谐波，则转矩脉动补偿模块80计算m数量值的电流谐波q-轴大小86和m数量值的电流q-轴相位输出88。可替代地，或除了电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88之外，转矩脉动补偿模块80计算各电机谐波（例如，m数量的电机谐波）的电流谐波d-轴大小90和电流d-轴相位输出92。
补偿功能模块82接收m个电机谐波中每个的电流谐波q-轴大小86的值和电流q-轴相位输出88的值作为输入。可替代地，或除了m个电机谐波中的每个的电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88之外，补偿功能模块82还可接收m个电机谐波中的每个的电流谐波d-轴大小90和电流d-轴相位输出92。补偿功能模块82还接收由（图1中所示的）电机位置传感器34测量的电机转角值θr。然后，补偿功能模块82可基于所述输入来确定q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE、d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE、或q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE两者。具体地，在一个实施例中，补偿功能模块82可使用方程6来确定q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE并且使用方程7来确定d-轴脉动电流Id_RIPPLE：
　　　 方程6
　　　　方程7
其中，Ai代表第i个谐波的电流谐波q-轴大小86或电流谐波d-轴大小90，并且φi代表第i个谐波的电流q-轴相位输出88或电流d-轴相位输出92。
然后，q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE被发送至（图1中所示的）加法器71。然后，d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE被发送至（图1中所示的）加法器69。
图3是图示用于确定q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE的方法300的示例性方法流程图。现在参照图1-3，方法300可在块302处开始，其中，转矩脉动补偿模块80接收参考d-轴电流Id_REF、参考q-轴电流Iq_REF、电机反emf常数Ke、电机转角值θr、电机极P的数量、q-轴电感Lq、和d-轴电感Ld作为输入。在一个实施例中，转矩补偿模块80定期地确定电机反emf常数Ke、电机转角值θr、电机极P的数量、q-轴电感Lq、和d-轴电感Ld。然后，方法200可进入块304。
在块304中，矩脉动补偿模块80基于参考d-轴电流Id_REF和参考q-轴电流Iq_REF的值使用补偿查阅表84确定各电机谐波的转矩脉动大小和转矩脉动相位。然后，方法300可进入块306。
在块306中，然后，转矩脉动补偿模块80可使用方程1-3来计算各电机谐波的电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88。可替代地，或除了电流谐波q-轴大小86和电流q-轴相位输出88之外，转矩脉动补偿模块80使用方程4-5来确定各电机谐波的电流谐波d-轴大小90和电流d-轴相位输出92。然后，方法300可进入块308。
在块308中，补偿功能模块82使用（上述）方程6来确定q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE。可替代地，或除了第i个谐波q-轴脉动电流Iq_RIPPLE之外，补偿功能模块82使用方程7（上述）来确定d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE。然后，方法300可进入块310。方法200可重复，或终止。
如上文所描述的转矩脉动补偿控制器48确定q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE、d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE、或q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE两者。q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE总体补偿在电机32的操作期间所产生的转矩脉动，以及由电机32的机械特性产生的齿槽转矩。具体地，q-轴脉动补偿电流Iq_RIPPLE和d-轴脉动补偿电流Id_RIPPLE生成与由电机32生成的转矩脉动在大小上基本相等但是在相反方向上的补偿转矩脉动，这大体消除转矩脉动。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但是应容易理解，本发明不限于这样的公开的实施例。相反，本发明可被修改以合并许多到此为止未被描述但与本发明的精神和范围相称的变型、修改、替换物或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各实施例，但是需要理解，本发明的方面可包括所描述的实施例中的仅一些。相应地，本发明将不被视为由前述描述限制。

Claims (11)

1.一种电机控制系统，包括：
具有多个电机谐波的电机；以及
与所述电机通信的转矩脉动补偿控制器，所述转矩脉动补偿控制器被构造成：
确定所述多个电机谐波中的对应一个的谐波脉动电流，所述谐波脉动电流基于参考q-轴电流和参考d-轴电流；以及
将所述多个电机谐波中的每个的谐波脉动电流相加在一起以确定脉动补偿电流，
其中，所述转矩脉动补偿控制器包括多个查阅表，其中，所述多个查阅表中的每个用来确定对于所述多个电机谐波中的一个来说的转矩脉动大小和转矩脉动相位中的一者，
其中每个电机谐波的电流q-轴相位输出由如下确定：
其中，是第i个谐波的所述电流q-轴相位输出，是所述参考q-轴电流，并且是对于第i个谐波来说的在所述多个查阅表中的一个中找到的所述转矩脉动相位。
2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述转矩脉动大小的值和所述转矩脉动相位的值是基于所述电机的齿槽转矩特性。
3.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述转矩脉动补偿控制器基于所述转矩脉动大小来计算电流谐波q-轴大小。
4.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述转矩脉动补偿控制器基于所述转矩脉动相位来计算电流q-轴相位输出。
5.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述转矩脉动补偿控制器基于所述转矩脉动大小来计算电流谐波d-轴大小。
6.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述转矩脉动补偿控制器基于所述转矩脉动相位来计算电流d-轴相位输出。
7.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述脉动补偿电流是q-轴脉动补偿电流，并且由如下确定：
其中，Iq_RIPPLE是所述q-轴脉动补偿电流，Ai代表第i个谐波的电流谐波q-轴大小，θr是所述电机的转子角，并且代表第i个谐波的电流q-轴相位输出，m是电机谐波的个数。
8.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述脉动补偿电流是d-轴脉动补偿电流，并且由如下确定：
其中，Id_RIPPLE是所述d-轴脉动补偿电流，Ai代表第i个谐波的电流谐波d-轴大小，θr是所述电机的转子角，并且φi代表第i个谐波的电流d-轴相位输出，m是电机谐波的个数。
9.一种用于具有多个电机谐波的电机的电机控制的方法，包括：
由转矩脉动补偿控制器确定所述多个电机谐波中的对应一个的谐波脉动电流，所述谐波脉动电流基于参考q-轴和参考d-轴电流；以及
将所述多个电机谐波中的每个的谐波脉动电流相加在一起以确定脉动补偿电流，
包括随所述转矩脉动补偿控制器具有多个查阅表，其中，所述多个查阅表中的每个用来确定对于所述多个电机谐波中的一个来说的转矩脉动大小和转矩脉动相位中的一者；
其中每个电机谐波的谐波脉动电流是谐波q-轴脉动电流，并且由如下确定：
其中，是第i个谐波的电流q-轴相位输出，是所述参考q-轴电流，并且是对于第i个谐波来说的在所述多个查阅表中的一个中找到的所述转矩脉动相位。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括由所述转矩脉动补偿控制器基于所述转矩脉动大小来计算电流谐波q-轴大小。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括由所述转矩脉动补偿控制器基于所述转矩脉动相位来计算电流q-轴相位输出。
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