CN104079229B - 具有共模电压补偿的马达控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有共模电压补偿的马达控制系统。提供了一种马达控制系统，且包括马达，设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器；以及电流补偿控制器。该电流补偿控制器与至少一个差分放大器通信，并被设置成周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压。该电流补偿控制器还设置成基于共模电压确定校正的相电流值。

Description

具有共模电压补偿的马达控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于马达的控制系统，且更特别地涉及一种基于差分放大器的共模电压来确定校正相电流值的用于马达的控制系统。

背景技术

永磁同步马达(PMSM)、表面式永磁(SPM)马达、或内置式永磁(IPM)马达的闭环电流模式控制通常要求相对精确的相电流测量以便维持由马达在具体限制下产生的转矩脉动。可以使用精密的分流电阻器和电流感应差分放大器来测量相电流。然而，差分放大器不仅放大差分电压，而且还放大输入端处共模电压的一些量。因此，当使用差分放大器的输出电压来计算相电流时，由于测量时在输入端处的共模电压的存在而导致得出的电流测量值具有误差。

如果在差分放大器的输出端使用抗混叠滤波器，那么共模电压的影响将会随着脉宽调制(PWM)周期而改变。还应当注意到共模电压的量从部件到部件变化，并且可能由于具体的差分放大器而不同。当尝试对差分放大器中的共模电压进行补偿时，所有这些因素均会造成问题。

发明内容

在一个实施例中，提供一种马达控制系统，并且包括马达，设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器，以及电流补偿控制器。电流补偿控制器与所述至少一个差分放大器通信，并且设置成周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压。电流补偿控制器还设置成基于共模电压确定校正的相电流值。

在另一个实施例中，提供了一种控制马达的方法。该方法包括通过电流补偿控制器周期性地确定至少一个差分放大器的共模电压。所述至少一个差分放大器设置成监测施加至马达的相电流。该方法包括通过电流补偿控制器基于共模电压确定校正的相电流值。

这些和其它的优点和特征将会在下面结合附图的描述中变得更加显而易见。

附图说明

被视为本发明的主题特别地在说明书结论处指出并明确要求在权利要求中。下面的和其它的本发明的特征及优点会从下面结合附图的详细描述中显而易见，其中：

图1是根据本发明一个示例性实施例的马达控制系统的方块图；

图2是根据本发明另一个示例性实施例的数据流程图，其示出了示例性电流补偿控制器；

图3是根据本发明另一个示例性实施例的数据流程图的替代实施例，其示出了示例性电流补偿控制器；以及

图4是根据本发明另一个示例性实施例的示例性查找表，其在末行(行结束)校正期间产生。

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，而不是限制本发明，图1是马达控制系统10的示例性方块图。马达控制系统10包括指令电流控制器20、d轴比例积分增益(PI)控制器22、q轴PI控制器23、极性转换控制器24、占空比计算控制器26、逆变器28、DC电源30、马达32、位置传感器34、速度传感器36、变换控制器38、a轴差分放大器40(该差分放大器也可称为运算放大器)、b轴差分放大器42、a轴模数转换器(ADC)44、b轴ADC46、以及电流补偿控制器48。在一个实施例中，马达32可以是永磁同步马达(表面式永磁(SPM)马达或内置式永磁(IPM)马达)，然而应当理解也可使用任何类型的使用相电流控制的电动马达。

在图1所示的实施例中，逆变器28连接至DC电源30，其中DC电源30可为例如电池。DC电源30可通过DC输入线49连接至逆变器28。可以使用变换器51监测DC输入线49两端的桥电压V_ecu。表示桥电压V_ecu的控制信号53可被发送至指令电流控制器20以及占空比计算控制器26。在所示示例性实施例中，逆变器28通过线50、线52和线54传送三个交流(AC)相电流至马达32(例如，i_a、i_b和i_c)用于马达32的运行和控制。

出于反馈控制的目的，可检测通过线50和52传送至马达32的相电流i_a和i_b来确定流至马达32的瞬时电流。具体地，可以使用变换器56监测线50上的相电流i_a，并且可以使用变换器58监测线52上的相电流i_b。应当注意，尽管示出了变换器56和变换器58，但是可以只监测线50或52中的一条来测量相电流i_a或相电流i_b。表示所测量的相电流i_a的控制信号60可从变换器56发送至a轴差分放大器40，并且表示所测量的相电流i_b的控制信号62可从变换器58发送至b轴差分放大器42。相电流i_a的增强或放大值随后从a轴差分放大器40发送至a轴ADC44，并且相电流i_b62的放大值从b轴差分放大器42发送至b轴ADC46。a轴ADC44将相电流i_a的放大值转换为数字值64。数字值64表示相电流i_a的量级。b轴ADC46将相电流i_b的放大值转换为数字值66。数字值66表示相电流i_b的量级。

电流补偿控制器48接收来自ADC44的数字值64和来自ADC46的数字值66(其分别表示线50上的相电流i_a以及线52上的相电流i_b)、桥电压V_ecu、以及来自占空比计算控制器26的占空比值D_a和D_b作为输入。占空比计算控制器26生成占空比值D_a和D_b(在下文详细描述占空比值D_a和D_b)。电流补偿控制器确定校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}，其在下文详细描述。校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}补偿由于a轴差分放大器40中的共模电压而在电流测量值中产生的偏移电压误差，并且校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}补偿由于b轴差分放大器42中的共模电压而产生的偏移电压误差。

变换控制器38从电流补偿控制器48接收校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}作为输入。在一个实施例中，变换控制器38为三相至两相变换控制器，其中AC电流的测量值(例如，输入的校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED})转换为等效测量电流，其为所测量的d轴电流I_dMEASURED和所测量的q轴电流I_qMEASURED。所测量的d轴电流I_dMEASURED被发送至减法器70并且所测量的q轴电流I_qMEASURED被发送至减法器72。

指令电流控制器20从变换器51接收转矩参考指令T_e、角速度ω_m以及表示桥电压V_ecu的控制信号53作为输入。转矩参考指令T_e表示所命令的转矩值，且可从另一个控制器(未示出)得出，或可相应于操作器所产生的转矩值。角速度ω_m由速度传感器36测量。速度传感器36可包括，例如，编码器和基于编码器所接收的信号计算马达32的转子(未示出)的角速度的速度计算电路。指令电流控制器20基于转矩指令T_e计算参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}、桥电压V_ecu以及角速度ω_m。例如，在一个实施例中，参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}可使用查找表计算。然而，应当理解也可使用其它方法来确定参考d轴电流I_{d_REF}和参考q轴电流I_{q_REF}。参考d轴电流I_{d_REF}被发送至减法器70，且参考q轴电流I_{q_REF}被发送至减法器72。

减法器70接收所测量的d轴电流I_dMEASURED和参考d轴电流I_{d_REF}。减法器70基于所测量的d轴电流I_dMEASURED和参考d轴电流I_{d_REF}确定d轴误差信号74。d轴误差信号74表示所测量的d轴电流I_dMEASURED和参考d轴电流I_{d_REF}之间的误差。减法器72接收所测量的q轴电流I_qMEASURED和参考q轴电流I_{q_REF}。减法器72基于所测量的q轴电流I_qMEASURED和参考q轴电流I_{q_REF}确定q轴误差信号76。q轴误差信号76表示所测量的q轴电流I_qMEASURED和参考q轴电流I_{q_REF}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V_D。d轴电压信号V_D基于d轴比例增益K_P和d轴积分增益K_i。类似地，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V_Q。q轴电压信号V_Q基于q轴比例增益K_P和q轴积分增益K_i。

极性转换控制器24接收来自d轴PI控制器22的d轴电压信号V_D以及来自q轴PI控制器23的q轴电压信号V_Q作为输入。基于所述输入，极性转换控制器24确定电压指令V_cmd以及相位超前角δ。占空比计算控制器26从极性转换控制器24接收电压指令V_cmd和相位超前角δ作为输入。占空比计算控制器26还接收由马达位置传感器34测量的转子角值θ_r。在一个示例性实施例中，占空比计算控制器26可包括过调制空间矢量PWM单元用以产生三个相应的占空比值D_a、D_b和D_c。占空比值D_a，D_b和D_c用于驱动激活马达32的相的逆变器28的栅极驱动电路(未示出)。

现在将论述通过电流补偿控制器48来确定校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}。现在转到图2，数据流程图示出了图1的电流补偿控制器48的一个示例性实施例，其用于确定校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}。在一个示例中，电流补偿控制器48包括共模电压查找表80以及电流校正模块82。

共模电压查找表80存储a轴差分放大器40的偏移电压值，以及存储b轴差分放大器42的偏移电压值。具体地，共模电压查找表80存储在马达控制系统10的末行测试期间校正的数据。具体地，在生成期间，马达控制系统10在末行校正状况下运行。在末行校正期间，基于占空比的偏移电压值被产生并存储在电流补偿控制器48的存储器中作为共模电压查找表80。

图4是在末行校正期间所产生的共模电压查找表80的示例性示例。在图3所示的实施例中，x轴为占空比D_a或占空比D_b的占空比(以计数(count)测量)，且y轴表示偏移电压。具体地，线A表示a轴差分放大器40(图1)的偏移电压，并且线B表示b轴差分放大器42(图1)的偏移电压。应当指出，尽管示出了a轴差分放大器40和b轴差分放大器42两者的值，但是只对应于差分放大器40或42中的一个的值也可存储在共模电压查找表80中。

现在参照图2和图4，共模电压查找表基于占空比D_a提供a轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_A}，和/或基于占空比D_b提供b轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_B}。例如，参照图4，如果用于a轴差分放大器40的占空比值为大约500计数(占空比的10％)，那么a轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_A}为大约2.499伏。a轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_A}和/或b轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_B}的值随后被发送至电流校正模块82。

电流校正模块82还接收来自ADC44的数字值64(图1所示)和/或来自ADC46的数字值66(还是图1所示)作为输入，其分别表示线50上的相电流i_a和线52上的相电流i_b。电流校正模块82然后基于所述输入周期性地确定校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和/或校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}。在一个实施例中，校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和/或校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}可由方程式1确定：

I_CORRECTED＝(ADC_{mtr_curr_volts}-V_{CM_Voltage})*Gain_{Amps_per_Volt} 方程式1

其中I_CORRECTED或者是校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}或者是校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}，ADC_{mtr_curr_volts}为图1所示的ADC44或者ADC46的输出(即，或者相电流i_a或者i_b)，并且Gain_{Amps_per_Volt}为用于将电压转换为电流的增益参数。

图3是电流补偿控制器148的替代实施例，其包括存储器180、共模电压模块182以及电流校正模块184。存储器180存储增益共模值G_cm、桥电压V_{ecu_Cal_Time}、10％的占空比duty_10％以及共模电压V_{CM(10％dutyCycle)}。V_{ecu_Cal_Time}表示在末行校正期间所测量的桥电压，duty_10％表示在末行校正期间的10％的占空比，并且V_{CM(10％dutycycle)}表示在末行校正期间10％的占空比处的共模电压。增益共模值G_cm在马达控制系统10(图1)的末行校正期间由电流补偿控制器182计算，并且存储在电流补偿控制器148的存储器180中。

现在将描述确定增益共模值G_cm的示例性方法。现在参照图3和图4，线A表示在末行校正期间a轴差分放大器40(图1)产生的偏移电压，并且线B表示在末行校正期间b轴差分放大器42(图1)产生的偏移电压。针对a轴差分放大器40采样第一数据点90A和第二数据点92A，并且针对b轴差分放大器42采样第一数据点90B和第二数据点92B。第一数据点90A和第二数据点92A用于确定线A的斜率m(其中线的方程式表示为y＝mx+b，且m为斜率)。类似地，第一数据点90B和第二数据点92B用于确定线B的斜率m。在占空比的开始部分期间可获取第一数据点90A和90B。例如，如实施例所示，第一数据点90A和90B在500计数处(在大约10％的占空比处)被获取。在占空比的结束部分期间获取第二数据点92A和92B。例如，如实施例所示，第二数据点92A和92B在4000计数处(在大约80％的占空比处)被获取。尽管公开了500计数和4000计数，但是应当理解也可使用占空比的其它值来确定线A或线B的斜率以实现该系统与该线性问题的最佳匹配。

第一数据点90A或90B的值可表示为(90A_x，90A_y)或(90B_x，90B_y)，其中x坐标表示占空比计数并且y坐标表示偏移电压。第二数据点92A或92B的值可表示为(92A_x，92A_y)或(92B_x，92B_y)。电流补偿控制器182基于第一数据点90A和第二数据点92A来确定用于a轴放大器40(图1)的增益共模值G_cm。替代地，或者除了a轴放大器40之外，电流补偿控制器182基于第一数据点90B和第二数据点92B来确定用于b轴放大器42(图1)的增益共模值G_cm。具体地，增益共模值G_cm表示线A或线B(例如，用于a轴差分放大器40或者b轴差分放大器42)的斜率m，其中a轴增益共模值G_{CM_A}由方程式2确定且b轴增益共模值G_{CM_B}由方程式3确定：

方程式3

方程式4

其中92A_x-90A_x和92B_x-90B_x的值乘以在末行校正期间所测量的桥电压V_ecu来将所述值从占空比转换为等效电压值。

回到图3，增益共模值G_cm被发送至共模电压模块182。共模电压模块182还接收桥电压V_ecu、运行期间的占空比值(例如，D_a和/或D_b)、末行校正期间存储器内存储的桥电压V_ecu以及末行校正期间存储的占空比值duty_i作为输入。共模电压模块182在马达控制系统10的运行期间周期性地确定共模电压(或者a轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_A}和/或b轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_B})。a轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_A}表示a轴差分放大器40的共模电压，且b轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_B}表示b轴差分放大器42(图1)的共模电压。在一个实施例中，共模电压(或者a轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_A}或者b轴共模电压V_{CM_VOLTAGE_B})由方程式5确定：

V_{CM_VOLTAGE}＝[G_CM*(V_ecu*D_i-V_{ecu，calTime}*duty_10％)]+V_{CM(10％DutyCycle})

方程式5

其中V_{CM_VOLTAGE}表示a轴共模电压或者b轴共模电压，V_ecu为马达控制系统10的运行期间所测量的瞬时桥电压，D_i为马达控制系统10的运行期间所命令的以计数为单位的瞬时占空比(例如，D_a和/或D_b)，V_{ecu，calTime}为存储在存储器180内的桥电压，duty_10％表示末行校正期间存储在存储器180内的10％的占空比，以及V_{CM(10％DutyCycle})表示末行校正期间被捕获并存储在存储器180内的数据点90A(图4)和90B(图4)的共模电压。

共模电压V_{CM_VOLTAGE}随后被发送至电流补偿模块184。电流补偿模块184还接收来自ADC44的数字值64(图1所示)和/或来自ADC46的数字值66(还是图1所示)作为输入。电流补偿模块184可随后使用上述方程式1基于所述输入确定校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和/或校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}。

现在参照图1-4，上述的电流补偿模块48和148确定校正的相电流，该相电流通常补偿由于a轴差分放大器40、b轴差分放大器42、或a轴差分放大器40和b轴差分放大器42两者中的共模电压所导致的偏移误差。特别地，电流补偿模块48和148可周期性地确定校正的相电流值(校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}和/或校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED})。因此，上述的方法动态地补偿由差分放大器40和42所导致的偏移电压误差。

尽管本发明通过仅仅有限数量的实施例进行了详细的描述，但是应当容易地理解本发明并不限于这些公开的实施例。实际上，本发明可被修改以合并前面没有描述的任意数量的变形、替代、置换或等同结构，但是这些都与本发明的精神和范围是相称的。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的各个方面可包括所述实施例中的仅仅一些。因此，本发明并不视为受到前面描述的限制。

Claims (4)

1.一种马达控制系统，所述马达控制系统包括：

马达；

设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器；

与所述至少一个差分放大器通信的电流补偿控制器，所述电流补偿控制器设置成：

周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压；以及

基于共模电压确定校正的相电流值，

其中共模电压由下述公式确定：

其中V_{CM_VOLTAGE}表示共模电压，G_CM为增益共模值，V_ecu为瞬时桥电压，D_i为瞬时占空比，V_ecu,calTime为末行校正期间的桥电压，duty_10%表示末行校正期间10%的占空比，以及V_{CM(10%DutyCycle)}表示末行校正期间在10％占空比处的共模电压。

2.一种马达控制系统，所述马达控制系统包括：

马达；

设置成监测施加至马达的相电流的至少一个差分放大器；

与所述至少一个差分放大器通信的电流补偿控制器，所述电流补偿控制器设置成：

周期性地确定所述至少一个差分放大器的共模电压；以及

基于共模电压确定校正的相电流值，

其中校正的相电流值由下述公式确定：

其中I_CORRECTED是校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}或者是校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}，ADC_{mtr_curr_volts}表示由差分放大器监测的相电流，V_{CM_VOLTAGE}表示共模电压，以及Gain_{Amps_per_volt}为增益参数。

3.一种控制马达的方法，所述方法包括：

通过电流补偿控制器周期性地确定至少一个差分放大器的共模电压，所述至少一个差分放大器设置成监测施加至马达的相电流；并且

通过电流补偿控制器基于共模电压确定校正的相电流值，

其中共模电压由下述公式确定：

其中V_{CM_VOLTAGE}表示共模电压，G_CM为增益共模值，V_ecu为瞬时桥电压，D_i为瞬时占空比，V_ecu,calTime为末行校正期间的桥电压，duty_10%表示末行校正期间10%的占空比，以及V_{CM(10%DutyCycle)}表示末行校正期间在10％占空比处的共模电压。

4.一种控制马达的方法，所述方法包括：

通过电流补偿控制器周期性地确定至少一个差分放大器的共模电压，所述至少一个差分放大器设置成监测施加至马达的相电流；并且

通过电流补偿控制器基于共模电压确定校正的相电流值，

其中校正的相电流值由下述公式确定：

其中I_CORRECTED是校正的a轴相电流值I_{A_CORRECTED}或者是校正的b轴相电流值I_{B_CORRECTED}，ADC_{mtr_curr_volts}表示由差分放大器监测的相电流，V_{CM_VOLTAGE}表示共模电压，以及Gain_{Amps_per_volt}为增益参数。