CN105144565B - 电机控制电路和监视电机的方法 - Google Patents

Abstract

一种监视电动电机电路的方法，所述电动电机电路包括：具有三角形结构的多个相的电动电机；布置在桥中的多个电开关，响应于来自控制器的信号操作以选择性地将相连接至电源，电机控制器响应于取决于需要的电机电流值和指示在电机中流动的实际电流的实际电机电流值之间的差的电流误差信号，其中所述方法包括如下步骤：处理在电动电机电路的使用中存在的至少一个信号，以识别该至少一个信号的满足预定准则的频率成分，并且在识别出频率成分且其确实满足准则的情况下，提供有故障的指示。

Description

电机控制电路和监视电机的方法

技术领域

本发明涉及电机控制电路特别是多相无刷电机的脉宽调制(PWM)控制的改进。本发明还涉及监视电机的操作的方法。

背景技术

用于PWM受控电动电机(尤其是DC电机)的控制系统通常需要测量通过电机的绕组或相(phase)的电流，这能够通过对于每个相的分离电流传感器的方式、或者通过置于电路中的以便测量在DC电源以及桥接电路和电机的组合之间流动的总瞬时电流的单个电流传感器的方式来完成。在单个电流传感器系统中，通过偏移将所需电压施加到各个相的开关的PWM模式并在适当的点处对电流传感器进行采样，得到多个电机相电流。

测量的电流通常被转换为静止的d-q帧，并且之后与也在d-q帧中的指示电机需要的电流的电流需求信号结合来产生误差信号。需求电流本身通常作为电机需要的转矩的函数被生成。误差信号代表需要的电流和实际的测量电流之间的差。该误差信号被馈送给产生通常也在d-q帧中的代表将被施加到电机的、将最佳地使误差信号趋向于零的电压的一组电压需求信号的控制器。然后，取决于使用哪一个PWM策略针对电机的相把d-q电压转换为PWM信号。因此，控制器行动来变化PWM相电压，以尝试不断地最小化误差信号的量值，从而确保电机电流尽可能地接近需求电流。

在实际系统中，控制器将包括PI或PID或其他类型的反馈控制器。反馈控制器的响应的频率或带宽确定控制器将尝试追踪的电机电流中的改变的最大频率。高于此的频率对于馈送环路的正常操作大体是无关紧要的。该正常带宽应该被设置为准许追踪电机中的电流的足够高但未高到追踪噪声和使电路变得不稳定的水平。为了确保需要的电机电流的最佳追踪，通常将把控制器响应调整为电机的时间常数。这通过控制器中的增益的适当选择来实现，确保既不过阻尼也不欠阻尼并且能够追踪在电流中的预期改变。

使用反馈控制和PWM的电机驱动电路在本领域中已知。例如，WO 2007/072033公开了一种典型的系统，并且通过引用在本文中并入该文档的教导。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种监视电动电机电路的方法，所述电动电机电路包括：电动电机，所述电动电机具有按星形或三角形结构连接在一起的多个相；开关电路，所述开关电路包括布置在桥中的多个电开关，所述开关响应于来自控制器的信号操作以选择性地将相连接至电源以便使电流流经电机的相，电机控制器响应于取决于需要的电机电流值和指示在电机中流动的实际电流的实际电机电流值之间的差的电流误差信号，其特征在于，所述方法包括如下步骤：处理在电动电机电路的使用中存在的至少一个信号，以识别该至少一个信号的满足预定准则的频率内容，并且在识别出频率内容且其确实满足准则的情况下，提供有故障的指示。

该方法处理的至少一个信号可以包括被馈入控制器的电流误差信号或取决于误差信号的值的某个其他信号。

或者，它可以包括在地线或电机的电源的DC线中流动并且监视测量的电流以识别成分的电流。

该至少一个信号可以包括在转动dq帧中表示的电流或电流误差信号。

该方法可以包括使该至少一个信号传递通过高通滤波器来处理所述信号，所述滤波器具有低于被识别的频率的截止频率。高通滤波器可以具有高于控制器的带宽的频率。该滤波器隔离将包含感兴趣的频率内容的那部分频谱，去除与电机驱动电路的正常功能相关联的其他频率成分。

该方法可以包括识别感兴趣的单个频率或识别位于感兴趣的频率范围内的频率的信号。该方法可以包括识别超过电机和电机控制器的正常带宽的频率成分。这意指识别高于当不存在故障时由控制器正常地施加到电机电流上的任何频率的频率成分。

该方法可以包括识别等于或基本等于信号环绕包含控制器的控制环路传播耗费的时间的二倍的倒数、或者等于或基本等于信号环绕控制环路传播耗费的时间的三倍的倒数、或者可能是环绕环路传递耗费的时间的四倍的倒数的频率。例如，在控制器具有5khz的采样频率且信号按该频率绕控制环路传递一整环路的情况下，该方法可以包括识别基本是5khz、或基本是2.5khz或基本是1.125khz的频率成分。控制器可以按每次通过控制环路生成一次针对该频率内容测试的信号(诸如误差信号)，从而频率将是采样周期的函数。例如如果控制器采样周期是Ts，则被检测的频率内容将可能是1/(2*Ts)、或1/(3*Ts)或1/(4*Ts)等。

控制环路频率通常通过控制器的采样频率来设置。该方法可以因此识别是控制器的采样频率的倍数(诸如采样频率的二倍或三倍)的频率成分。采样频率意指控制器从电流传感器接收新的输入信号(诸如更新的误差信号或更新的电流测量信号)的频率。

该方法可以包括处理至少一个信号或从其得到的信号，以及在该信号连续地存在或不连续地存在的持续时间满足或超过阈值持续时间的情况下，确定该信号满足预定准则中的至少一个。可以对从高通滤波器输出的信号执行此步骤。

作为确定感兴趣的频率成分超过阈值的步骤的一部分，该方法可以包括使所述至少一个信号或从所述至少一个信号得到的信号通过整流器，并且之后使整流的信号通过低通滤波器，所述低通滤波器去除频率成分的任何瞬态实例，从而去除感兴趣的频率中不满足准则的任何成分。

作为确定信号是否满足预定的准则的步骤的一部分，该方法还可以包括确定成分的量值是否满足或超过预定阈值量值。

该方法可以因此包括如果被识别的成分具有高于预定阈值的量值并且在超过预定的阈值的一段时间内仍然存在，则提供故障的指示。该方法可以包括识别具有基本等于能够由控制器创建的最大量值的量值的频率成分。这对应于控制器尽可能努力工作，以通过不断地把施加到电机的电压从一个极值切换到相反的极值而对大的误差进行响应。

该方法可以包括监视在电机中流动的电流，以仅当转向装置未移动时来识别频率成分。当它移动时，该方法可以包括不监视该成分。

根据第二方面，本发明提供了一种在控制具有多个相的电动电机中使用的电机控制电路，所述控制电路包括：

开关电路，所述开关电路包括布置在桥中的多个开关，

电机控制器电路，所述电机控制器电路生成将施加到开关电路的开关的相电压信号，以使开关选择性地将相连接到电机的电源轨以便使得电流根据电机需要的转矩流经电机相，

至少一个电流传感器，所述至少一个电流传感器感测在电机中流动的电流；

电机控制器响应于取决于需要的电机电流值和指示在电机中流动的由电流传感器感测的实际电流的实际电机电流值之间的差的电流误差信号，和

监视电路，所述监视电路在使用中处理在电机电路的使用中存在的至少一个信号，并且被布置为识别所述至少一个信号的满足特定的预定准则的频率成分，并在识别出成分且其确实满足准则的情况下，提供有故障的指示。

监视电路可以形成电机控制器的一部分。电机控制器和监视电路可以体现为硬件或软件，而且可以处理模拟或数字域中的信号。

该至少一个处理的信号可以包括电流误差信号。

监视电路可以包括至少一个信号被馈入的高通滤波器、高通滤波器的输出被馈入的整流器、整流器的输出被馈入的低通滤波器和低通滤波器的输出被馈入的阈值检测器。如果阈值检测器的输出指示已超过阈值，则监视电路可提供故障的指示。

高通滤波器可以具有高于控制器的带宽但低于将要识别的成分的频率的截止频率。低通滤波器可以具有低于控制器的带宽的截止频率。

监视电路可以被布置为识别超过电机控制器和电机的正常带宽的频率成分。监视电路可以被布置为识别等于或基本等于信号环绕包含控制器的控制环路传播耗费的时间的二倍的倒数、或者等于或基本等于信号环绕控制环路传播耗费的时间的三倍(或更高的整数倍)的倒数的频率。例如，在控制器具有5khz的采样频率并按该频率环绕控制环路传递的情况下，该方法可以识别基本是5khz、或基本是2.5khz或基本是1.125khz的频率成分。

高通滤波器可以因此具有低于将被识别的频率但高于电机控制器和电机的正常带宽的截止频率。正常带宽被定义为，在正常使用中，随着其响应在控制器输入端的电流需求并使电流变化以控制误差信号，预期施加到信号上的最高频率。这通常比信号环绕控制环路传播的时间低至少四倍或五倍。

控制器可以通过生成施加到开关电路的PWM驱动信号来驱动电机相。该电机可以包括DC无刷电机。

电路可以被布置为在监视器指示存在故障的情况下停止电机操作或使电路进行某个其他行为。例如，它可以去除或降低电机电流，以便不驱动或按较低转矩驱动电机。在转向系统中，例如在电机提供辅助转矩的情况下，这确保电机不锁定并防止驾驶员转动方向盘。

附图说明

现在将仅通过示例的方式描述本发明的一个实施例，参考以下附图：

图1是显示三相PWM受控电机和电机控制电路的关联开关电路的示意图；

图2是显示电力转向系统中图1的电机和开关电路的使用的框图；

图3是关于图2的系统的电流控制器和电机的更详细的框图；

图4是被包含在落入本发明的范围内的图2的系统中的监视电路的框图；

图5是图4的高通滤波器的输入频率与输出频率的图；

图6显示在其中开关对于高阻抗失败这一故障的情况下滤波器的输出；和

图7显示在其中开关对于高阻抗失败这一故障的情况下图4的低通滤波器的输出。

具体实施方式

参考图1，三相无刷电机1包括通常表示为相A、B和C的以星形网络连接的三个电机绕组2、4、6。将每个线圈的一端连接到相应的端子。线圈的另一端被连接到一起来形成星形中心7。将自由端连接到像H-桥一样布置的开关电路。

开关电路包括三相桥8，电机的每个相一个。该桥的每个分支10、12、14包括采取在电源轨(supply rail)20和地线22之间串联连接的顶部晶体管16和底部晶体管18的形式的一对开关。电机绕组2、4、6中的每个从相应的晶体管16、18互补对之间抽头(tap)。

如附图3详细显示，通过电机控制器21以受控方式打开和关断晶体管16、18，来提供施加到每个相绕组的电位的脉宽调制，从而控制跨线圈2、4、6中的每个的电位差，并因此也控制流经绕组的电流。这转而控制由绕组产生的磁场的强度和朝向，从而设置由电机产生的转矩。

在电机1和地之间的地线22中提供以电阻24的形式的电流测量设备，以使控制器21能够测量流经所有绕组2、4、6的总电流。为了测量每个绕组中的电流，必须在已知施加到线圈的每个端子(以及因此特定的相位的导电状态)的电压的情况下在PWM周期内按精确的阶段(instance)对总电流采样。如果优选，能够为每个相提供分离的电流传感器。

在该示例中的控制器使用空间矢量调制(SVM)算法，然而在本发明的范围内能够同等地使用任何调制技术并且这不应被理解为限制。

三相系统中的每个绕组2、4、6能够仅被连接到电源轨20或地线22，并且因此有控制电路的开关的八种可能状态。使用1来代表其中一个相处于正电压，0来代表相被连接到地，状态1能够表示为指示相A为1、相B为0和相C为0的[100]、状态2表示为[110]、状态3表示为[010]、状态4表示为[011]、状态5表示为[001]、状态6表示为[101]、状态0表示为[000]以及状态7表示为[111]。状态1至6中的每个是其中电流流经所有绕组2、4、6、在一个方向中流经绕组之一而在另一个方向中流经另外两个的一种导通状态。状态0是其中将所有绕组连接到地的零电压状态，状态7是其中将所有绕组连接到电源轨的零电压状态。

在当通过控制器21控制开关电路以产生脉宽调制时的正常操作期间，在每个PWM周期中，相位2、4、6中的每个将被正常地打开和关断一次。在每个状态中占用的相对的时间长度将确定在每个绕组中产生的磁场的量值和方向，并且因此确定施加到转子的总转矩的量值和方向。

图1和图3的电机控制电路能够在很多应用中使用，并且在本实施例中形成电力转向系统的一部分。转向系统包括测量转向柱中的转矩的转矩传感器26，并且将其馈送给转矩控制器。转矩控制器计算指示将由电机产生的转矩的转矩需求信号。这被馈入电流控制器，该电流控制器根据电机的已知特性将转矩需求转换为电流需求。控制器之后使电机操作并提供需要的转矩。通过电机向转向系统施加该转矩，使得驾驶员能够更容易转动方向盘。该系统因此具有两个闭合环路——转矩控制器环路和电流控制器环路。

返回图3，控制器包括在输入端的转矩到电流需求转换器级30。这利用需要的转矩和电机转子位置w的测量，并在固定的d-q帧中生成电流需求信号。该信号之后连同在d-q帧中表示并从电流传感器24的输出得到的、在电机中流动的实际电流的测量一起被馈入减法器32中。减法器的输出是指示需要的d-q电流和实际的测量d-q电流之间的差的误差信号。

随后向将在d-q帧中的电流误差信号转换为在d-q帧中的电压信号的比例积分(PI)控制器级34的输入馈送误差信号，这随后通过dq-UVW转换器36被转换为三相电压UVW。这随后通过PWM转换器38使用选择的SVM调制技术针对每个相被转换为所需的PWM电压信号。控制器不断地尝试使误差信号趋向于零，这确保在电机相中的电流匹配需要的电流。

电机控制器21应该具有允许它达到转矩需求信号的改变的期望速率的足够高的带宽。在转向系统中，改变的峰值速率将取决于转向装置能够或者应当多快对驾驶员施加的转矩作出反应，并通过转矩控制器的带宽和电流控制器的带宽来设置。这不应当太高以致使得电路控制器追踪会在转向系统中出现的高频噪声。通常可以为转向系统选择几百赫兹的频率，比方说500Hz。

如图2和图3中所示，把被称为监视器40的额外控制块插入电机控制系统。这在图4中更详细地示出。

监视器40接收馈送给PI级34的电流误差信号作为输入。监视器包括确保仅高于控制器的带宽的频率通过的高通滤波器42。这可以是一阶滤波器、或二阶滤波器或更高阶滤波器。能够如图5所示使用1khz的截止频率。理论上控制器不应该响应该频率，因而在正常操作期间除了作为低水平噪声它不应该存在。

把滤波器42的输出馈入整流器44的输入，并且之后把整流器44的输出馈入低通滤波器46。低通滤波器去除因噪声而产生的任何瞬态。

低通滤波器46的输出之后被传递通过阈值检测器48，如果输入信号低于阈值幅度，则该阈值检测器48产生第一值的输出，如果输入超过阈值，则产生第二值的输出。在该示例中，设置阈值接近电机短电路电流，或许是30安培或更多。

阈值检测器的输出被用作在系统中出现故障的指示器，并且能够被馈入可通过以受控的方式关闭电机控制电路直到故障被清除来进行响应的控制器。

由于电机控制器不追踪高于正常电机控制器带宽的频率且不应该将这样的频率引入到电机中，因此，在正常电机操作期间，不会在电流故障信号中存在高于正常电机控制器带宽的显著且持续的频率成分。通过相绕组的电感和绕组的阻抗来设置电机时间常数。这可以是例如通常是10毫欧左右的量级。每次控制器完成一个控制环路，就会产生一组修订的相电压，该组修订的相电压应根据需要产生电流的预期改变以使误差保持最小。

申请人第一次领会到如果开关电路8对于低阻抗状态失败，则可能在电机控制电路中出现惊人的故障模式。这可能由于在携带开关的印刷电路板(pcb)的故障或跨开关端子的碎片中而发生。

在一组非常特定的环境下，其中电机未移动而需要转矩，电流将流经在开关处的故障的阻抗并且也流经电机相绕组。如果阻抗足够高，比方说100毫欧左右，则电流将上升得比预期针对电压中的给定改变而上升(或者若电压被降低，则下降)要快。它将比预期的上升或下降得更快，因为速率不再通过电机绕组的时间常数来设置。由于施加了电压，电流将直接流经不需要的阻抗，并且该电流由电流传感器24测量。电机控制器将看到大于预期的故障，因为控制器未预期电机能针对电压中的给定升高那样快地进行响应，并且确实比由于健康电机的时间常数而导致的在正常情况下可能的速度要快。

突然的上升将引起大量值的电流误差信号被馈送到PI控制器级，并且该控制器将立即检测该大量值的电流误差信号并尝试通过向电机相施加大的反电压来应对(counter)它。该应对行为也将不会创建预期数量的应对行为，并且电流中的快速应对摆动将非常迅速地出现。之后电机控制器将对该快速改变过度反应，并且将建立重复周期。控制器将继续尽可能快地作出反应，取决于信号绕控制环路的整个环路传播所耗费的时间。在极少数周期之后，控制器将变为卡在电机相的最大和最小PWM电压幅度之间振荡。

不需要的振荡将以固定频率出现，该固定的频率由将高于正常控制器带宽的控制器的最大开关频率设置。该频率由信号绕控制环路传递或绕控制环路传递两次或三次所耗费的时间而设置。例如，PWM信号中的改变导致相上电压的改变，该改变导致由电流传感器测量的电流(非常快)的上升(由于电流必须在PWM周期中的特定时间处测量，这里可能有一些延迟)。之后将测量的电流与控制器需要的电流进行比较，并且这可能稍晚一会完成。控制器计算之后被转换为新PWM信号的需求。该转换过程可以在控制器计算之后的特定时间发生。因此有控制信号环绕该环路需要多久的各种延迟和实现细节。振荡包含两个这样的周期，一个用来创建快速电流而第二个用来对它作出反应。该示例中控制器的采样速率是5kHz，所以两个周期相当于2.5kHz的振荡频率，但是实际上由于电流测量和PWM信号实现的调度，将会有一些额外的延迟。这些为总环路时间增加另一个周期，给出总体1.25kHz或接近该频率。该频率将因此是信号绕电流控制器的控制环路三个整环路所耗费的时间的倒数。归因于在一个周期的半途发生的任何“进行的”PWM更新，该频率可以略有不同。因此在该示例中振荡发生在1.3khz处，并且就是这个频率被识别和监视为惊人的故障模式的指示。

在转向系统中，这组环境对应于转向装置静止而驾驶员施加转矩处的开关故障。由控制器产生的相电压的振荡将使电机锁定到位，并且这可以防止驾驶员转动轮子。

图3的额外的监视电路将检测该高频振荡并提供指示故障出现的输出。这为电机控制电路提供了额外的安全电平。这在电机形成电力转向系统的一部分时尤其有益。

本领域技术人员应理解应把参考处理电机控制电路的使用中存在的信号广义地解释为包括直接或间接地处理所述信号。例如，该术语应被解释为包括从电机控制电路的使用中存在的信号得到的任何信号的处理，可能是存在于控制环路中的信号的缩放版本或在频率中上下移动或以其他方式被调整的信号。

Claims (15)

1.一种监视电动电机电路的方法，所述电动电机电路包括：电动电机，所述电动电机具有按星形或三角形结构连接在一起的多个相；开关电路，所述开关电路包括布置在桥中的多个电开关，所述开关响应于来自电机控制器的信号操作以选择性地将相连接至电机的电源以便使电流流经电机的相，电机控制器响应于取决于需要的电机电流值和指示在电机中流动的实际电流的实际电机电流值之间的差的电流误差信号，其特征在于，所述方法包括如下步骤：处理在电动电机电路的使用中存在的至少一个信号，以识别该至少一个信号的满足预定准则的频率成分，并且在识别出频率成分且其确实满足所述预定准则的情况下，提供有故障的指示，其中所述频率成分等于或基本等于环绕包含电机控制器的控制环路传播耗费的时间的二倍或另一整数倍的倒数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法处理的至少一个信号包括被馈入电机控制器的电流误差信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个信号包括指示在地线或电机的电源的DC线中流动的电流的信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述至少一个信号的步骤包括使该至少一个信号通过高通滤波器，所述高通滤波器具有低于被识别的频率的截止频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述至少一个信号的步骤包括识别感兴趣的单个频率或识别感兴趣的频率范围内的信号。

6.根据权利要求5所述的方法，包括识别超过电机和电机控制器的正常带宽的频率成分。

7.根据权利要求1所述的方法，包括处理所述至少一个信号或从该至少一个信号得到的信号，以及在该信号连续地存在或不连续地存在的持续时间满足或超过阈值持续时间的情况下，确定该信号满足预定准则中的至少一个。

8.根据权利要求7所述的方法，其中确定感兴趣的频率成分超过阈值的步骤包括使所述至少一个信号或从所述至少一个信号得到的信号通过整流器，并且之后使整流的信号通过低通滤波器，所述低通滤波器去除频率成分的任何瞬态实例，从而去除感兴趣的频率中不满足所述预定准则的任何频率成分。

9.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括，通过确定频率成分的量值是否满足或超过预定阈值量值来确定信号是否满足预定准则的步骤。

10.一种在控制具有多个相的电动电机中使用的电机控制电路，所述控制电路包括：

开关电路，所述开关电路包括布置在桥中的多个开关，

电机控制器电路，所述电机控制器电路生成将施加到开关电路的开关的相电压信号，以使开关选择性地将相连接到电机的电源以便使得电流根据电机需要的转矩流经电机相，

至少一个电流传感器，所述至少一个电流传感器感测在电机中流动的电流；

电机控制器响应于取决于需要的电机电流值和指示在电机中流动的由电流传感器感测的实际电流的实际电机电流值之间的差的电流误差信号，和

监视电路，所述监视电路在使用中处理在电机电路的使用中存在的至少一个信号，并且被布置为识别所述至少一个信号的满足预定准则的频率成分，并在识别出频率成分且其确实满足预定准则的情况下，提供有故障的指示，其中所述频率成分等于或基本等于环绕包含电机控制器的控制环路传播耗费的时间的二倍或另一整数倍的倒数。

11.根据权利要求10所述的电机控制电路，其中监视电路形成电机控制器的一部分。

12.根据权利要求10所述的电机控制电路，其中至少一个处理的信号包括电流误差信号和测量的电流信号中的至少一个。

13.根据权利要求10所述的电机控制电路，其中监视电路包括至少一个信号被馈入的高通滤波器、高通滤波器的输出被馈入的整流器、整流器的输出被馈入的低通滤波器和低通滤波器的输出被馈入的阈值检测器，并且其中如果阈值检测器的输出指示已超过阈值，则监视电路适合于提供故障的指示。

14.根据权利要求13所述的电机控制电路，其中高通滤波器具有高于电机控制器的正常带宽但低于将要识别的频率成分的频率的截止频率。

15.根据权利要求10所述的电机控制电路，还适合于在监视电路指示存在故障的情况下停止电机操作。