CN107453683A - Dc电机的电源电流限制 - Google Patents

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Abstract

控制系统的实施例包括：电流指令模块，被配置为接收转矩指令并输出用于控制直流(DC)马达的电流指令；以及电源电流限制模块，被配置为接收电源电流限制作为输入，并且基于所述电源电流限制主动地计算马达电流限制，所述电源电流限制模块被配置为基于所述马达电流限制来限制所述电流指令。

Description

DC电机的电源电流限制
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2016年5月25日提交的美国临时专利申请序列号62/341,349的优先权，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于控制或管理DC电机的方法和系统，特别地，涉及一种用于限制DC电机的电源电流的方法和系统。
背景技术
电动助力转向(Electrical power steering，EPS)系统使用电动马达作为致动器，以在驾驶员驾驶车辆时提供对驾驶员的帮助和/或提供车辆控制。有刷DC电机广泛应用于电动转向(EPS)行业，用于低成本应用和平台。使用这种机器的电力驱动系统需要更少的传感器和低成本的电子电路，并且能够通过整个操作空间实现良好的性能。
为了保护马达控制系统的电压源(例如，汽车电池)，通常施加电压与电源电流限制。这可以是离线校准的表格的形式，或者是被发送到马达控制系统的在线限制的形式。在给定该电源电流限制的情况下，必须修改马达电流指令，从而以降低转矩容量为代价确保系统不会抽取超过指定电流的电流，由此保护电压源。
发明内容
一种控制系统的实施例包括：电流指令模块，被配置为接收转矩指令并输出用于控制直流(DC)马达的电流指令；以及电源电流限制模块，被配置为接收电源电流限制作为输入，并且基于所述电源电流限制主动地计算马达电流限制，所述电源电流限制模块被配置为基于所述马达电流限制来限制所述电流指令。
一种控制直流(DC)马达的方法包括：接收转矩指令并输出用于控制直流(DC)马达的电流指令；接收电源电流限制作为输入；由电源电流限制模块基于所述电源电流限制主动地计算马达电流限制；以及基于所述马达电流限制来限制所述电流指令。
根据结合附图的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并明确地要求保护被认为是本发明的主题。根据结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点是清楚的，在附图中：
图1是示出根据本发明实施例的包括转向控制和/或辅助系统的车辆的功能框图；
图2是示出根据本发明实施例的DC马达控制系统的组件、模块和功能的示意图；
图3示出可以由图2的马达控制系统执行的电流容量(capability)限制方法的方面；
图4示出DC马达控制系统和由电源和DC马达限定的电压回路的示例；
图5示出可以由图2的马达控制系统执行的电源电流限制方法的方面；
图6示出可以由图2的马达控制系统执行的电流容量限制方法的方面；
图7示出根据本文所述实施例的基于DC马达电流控制的仿真结果的示例；以及
图8示出根据本文所述实施例的基于DC马达电流控制的仿真结果的另一示例。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本公开、应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。
现在参考图1，其参考具体实施例对本发明进行描述，但不限于此，示出了包括转向系统12(诸如，电动助力转向(EPS)和/或驾驶员辅助系统)的车辆10的实施例。在各种实施例中，转向系统12包括耦接到转向轴16的方向盘14。在所示实施例中，转向系统12是电动助力转向(EPS)系统，其还包括辅助单元18，该辅助单元18耦接到转向系统12的转向轴16和耦接到车辆10的连结杆20、22。例如，转向辅助单元18包括转向致动器马达19(例如，电动马达)和齿条与齿轮转向机构(未示出)，该齿条与齿轮转向机构可以通过转向轴16耦接到转向致动器马达和传动装置。在操作期间，当车辆操作者转动方向盘14时，转向辅助单元18的马达提供帮助以移动连结杆20、22，进而又分别移动被分别耦接到车辆10的道路车轮28、30的转向节24、26。
致动器马达19是直流(DC)电机或马达。在一个实施例中，马达19是有刷DC马达。有刷DC马达包括定子和转子。定子包括具有围绕换向器布置的周向间隔开的多个电刷的电刷壳体，每个电刷具有与换向器电接触的接触面。虽然这里描述的实施例被应用于永磁式有刷DC马达，但是它们不限于此并且可以被应用于任何合适的DC电机。
如图1所示，车辆10还包括各种传感器，用于检测和测量转向系统12和/或车辆10的可观测条件。传感器基于可观测条件生成传感器信号。在所示示例中，传感器31和32分别是感测车轮28和30的转速的车轮速度传感器。传感器31、32基于此产生车轮速度信号。在其它示例中，除传感器31和32之外或代替传感器31和32，可以提供其它车轮速度传感器。其它车轮速度传感器可以感测后轮34、36的转速并基于此生成传感器信号。可以理解，可以使用感测车轮运动的其它车轮传感器，诸如车轮位置传感器，来代替车轮速度传感器。在这种情况下，可以基于车轮传感器信号来计算车轮速率和/或车速率或速度。在另一示例中，传感器33是感测置于方向盘14上的转矩的转矩传感器。传感器33基于此产生转矩信号。其它传感器包括用于检测与转向辅助单元18相关联的转向致动器马达或其它马达的位置(马达位置)和转速(马达速率或马达速度)的传感器。
控制模块40基于一个或多个传感器信号并且还基于本公开的转向控制系统和方法来控制转向系统12的操作。控制模块可以用作EPS系统的一部分，以提供转向辅助转矩和/或可以用作可控制车辆转向的驾驶员辅助系统(例如，用于停车辅助、紧急转向控制和/或自主或半自主转向控制)。
可以由任何合适的控制系统和/或处理装置(诸如马达辅助单元18和/或控制模块40)执行本文描述的实施例的方面。在一个实施例中，控制模块40是或被包括为自主驾驶系统的一部分。
处理或控制装置，诸如控制模块40，被配置为根据控制方法来控制诸如有刷DC马达(例如，马达19)的DC马达。控制方法的方面包括基于DC马达和/或包括DC马达的系统(例如，EPS系统)的其它组件的操作条件来执行用于主动地限制电源电流抽取的算法。通过求解由马达控制系统和DC马达限定的电压回路的功率方程，将电源电流限制转化为等效马达电流限制值或曲线。此后，使用马达电流限制的算法，将马达电流限制额外地施加于系统上。控制方法提供了主动的电源电流限制的额外功能，这确定了用于确保满足电源电流限制的马达电流限制。由该算法产生的马达电流限制可以作为目前用于DC电机的其它限制方案的额外限制。
现在参考图2，数据流程图示出用于控制DC马达(例如，有刷DC马达)的控制装置或系统50的示例性实施例。在一个实施例中，控制系统50是或包括EPS控制系统，诸如图1的控制模块40。在各种实施例中，控制装置或系统(例如，模块40)可以包括一个或多个子模块和数据存储。如本文所使用的，术语模块和子模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适组件。可以从诸如车辆10(图1)的传感器31、32、33(图1)的传感器生成控制模块40的输入，可以从车辆10(图1)内的其它控制模块(未示出)接收这些输入，并且这些输入可以被建模，和/或可以被预定义。
在图2的示例中，控制系统50包括各种模块或子模块，诸如电流指令模块52，其接收转矩指令(Tc)，并将电流指令输出到用于控制有刷DC马达56的电流调节器54。电流指令模块52包括转矩包络限制模块58，其将包络的转矩指令(Tenv)输出到电流指令计算模块60。将电流指令(ir)从电流指令模块52发送到电流调节器54，该电流调节器54基于电流指令将电压施加到DC马达56。例如，电流调节器54使用电流指令生成电压指令(v)，其可以转换成脉宽调制(PWM)信号，通过诸如H桥的功率转换器将该脉宽调制(PWM)信号传送到DC马达。电流测量模块62测量由DC马达56产生的电流，即马达电流(ia)，并且将测量到的电流值(im)输出到电流调节器60。
在一个实施例中，控制系统50包括电流容量限制器或电流容量限制模块64，其接收外部马达电流限制(ilim)以及其它信号，并且基于电流限制ilim来限制包络的转矩指令。电流限制模块64可以连接到或包括进一步将包络的转矩指令限制到马达56的容量限制的功能。
图3示出电源电流限制模块64的实施例。在本实施例中，电流容量限制模块64接收来自电流指令计算模块60的电流指令(ir*)以及外部提供的电流限制(ilim)，并且首先将电流限制到第一限制电流值(irext)，如方框66所示(例如，通过作为电流容量限制模块64的一部分或连接到电流容量限制模块64的电流限制模块)。电流指令(ir *)可以首先被限制为外部提供的限制(ilim)，该外部提供的限制(ilim)在某些情况下可能是基于以下逻辑的校准：
然后将该限制电流值(irext)与DC电机或马达的容量曲线进行比较，并进一步限制，如方框68所示，以确保控制系统50基于电机的操作条件确定最佳电流指令。注意，稳态电压-电流方程用于容量计算。
在一个实施例中，电流容量模块64(或其它合适的处理器)被配置为使用基于控制系统50和马达56的电气特性计算出的马达电流限制来进一步限制电流指令。当额外电源电流限制被施加到系统50上时，可以在线确定将确保不超过提供的电源电流(IS)的相应马达电流限制。图4示出用于有刷DC马达(例如，马达56)控制系统的马达控制系统(例如，系统50)的功率流。系统50和马达56限定了包括电池两端的电压和马达56端的电压的电压回路。
对于给定的电池电压(VBATT)以及系统50的电压输入(VECU)的测量值，可以求解功率方程式，以获得马达电流限制。该系统的功率平衡方程可以写成如下。
其中Rc是控制器输入电阻，Pe是马达控制系统的电力输入。Pe的表达式可以表示如下：
其中vm是马达电压，im是马达电流，Rm是马达电路(例如，包括马达50和功率转换器电路，未示出)的电阻，ωm是马达50的转速，vB是电刷压降。Ke是马达电压或转矩常数。
在上述方程式中，电刷压降(vB)是电流(im)的非线性函数，并且在数学上表示如下：
其中V0和I0分别表示电刷压降和电流变量。因此，展开的功率方程式可以写成下式：
因此，给定电源电流限制(Islim)，可以确定上述方程式的根。由于方程的非线性特性，可以使用迭代求解器来确定根。可以确定以下多项式的根：
由于f(im)的方程式本质上是二次的，所以它将具有两个不同的根。根据多项式的性质，一个根将永远是正的，另一个根将是负的。因此，为了求解器正确地确定根，应该仔细选择两个根的端点(iminp)和(imaxp)。可以选择以下端点来确定最大正马达电流限制(imp)：
iminp＝0
类似地，可以选择以下端点(iminn)和(imaxn)来确定负马达电流限制(imn)：
imaxn＝0
其中k是使得端点大于基值的比例因子，并且应该适当地选择以确保收敛。注意，代替上述值，也可以实施用以确定初始端点的其它方式。
图5示出马达控制系统50的实施例，其包括执行马达控制算法或以其它方式执行马达控制方法的模块或其它组件。由系统50或其它合适的处理装置或系统执行马达控制方法。
在马达控制方法中，电源电流限制模块70接收电源电流限制值(islim)并且如上所述计算马达电流限制imn和imp。马达电流限制(imn)和(imp)被输入到电流容量限制模块64，其产生电流指令(ir)，电流调节器54使用该电流指令(ir)向马达56提供电压指令。在一个实施例中，将马达电流限制imn和imp从电源电流限制模块70输入到电流容量限制模块64，作为预限制。电流容量模块64可以基于马达容量来进一步限制由电流容量限制模块64计算出的电流值(Irext)。
在一个实施例中，电源电流限制模块70实施上述方程式，以获得被输入到电流容量限制模块64或其它合适的组件或模块的马达电流限制(imn)和(imp)。执行以下逻辑：
其中ilim是外部马达电流限制，并且irext是电流限制值或信号，其还可以可选地受限制于马达的容量，如上所述。
在一个实施例中，使用控制器输入电阻(Rc)的估计来产生电流限制信号(irext)。可以通过估计控制系统的适当部分中的温度来获得准确的估计。然而，如果不需要非常精确的电源电流限制，为了保守起见，可以选择高估的Rc的高固定值。
注意，如本文所述所计算的限制可以是校准、连续或周期性变化的信号或其它信号(例如，电压)的函数。还应注意，本文描述的算法和方法可以被实现为软件解决方案，而无需额外的硬件。
图6示出电流容量限制模块64的实施例。在本实施例中，电流容量限制模块64接收电流指令(ir*)、外部提供的限制(ilim)和马达电流限制(imp)和(imn)。电流容量限制模块64基于外部限制(ilim)和马达电流限制(imp)和(imn)输出限制电流值(irext)，并且然后使用如上所述功率方程式，基于马达容量进一步限制该限制电流值(irext)。
注意，尽管电流容量模块64被示为使用所有的外部提供限制、马达电流限制和马达容量限制，但是本文所描述的实施例不限于此。电流容量模块64或其它合适的处理器可以基于一个或多个上述限制来限制或调整电流指令。
图7和图8示出使用上述实施例的仿真结果的示例，其示出电源电流限制和马达容量电流限制。控制系统中的处理装置，诸如电流容量限制模块64，基于如上所述的功率方程式计算马达电流限制(imp)和(imn)。基于该计算的仿真结果被示为图7中的马达电流限制曲线72和74。在本示例中，马达电流限制曲线72表示正马达电流限制imp，并且马达电流容量限制曲线74表示负马达电流限制imm。
图8示出说明马达电流限制曲线76和78的仿真结果的示例，其是基于马达电流限制(imp)和(imn)、外部限制、以及基于如上所述所计算的马达容量限制计算的。马达电流限制曲线76和78包含马达电流限制曲线72和74以及马达容量限制或限制曲线。在该示例中，马达电流限制曲线76具有对应于电流限制曲线72的部分80和对应于马达容量限制的部分82。类似地，马达电流限制曲线78具有对应于曲线74的部分84和对应于马达容量限制的部分86。马达电流限制曲线76和78也受到外部限制的限制，如在大约+150安培和大约-150安培处的水平线所示。如若需要，处理装置和/或系统可以在基于马达容量的直接马达电流限制与基于外部限制的电源电流限制之间进行裁决。
本文描述的实施例提供了许多益处和技术效果。实施例提供了有效的技术，用于限制使用DC马达的EPS或其它系统的电源电流抽取，这对于保护电池或其它电源是重要的。
虽然已经结合仅仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包括迄今为止未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅仅包括所描述实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述所限制。

Claims (15)

1.一种控制系统，包括：
电流指令模块，被配置为接收转矩指令并输出用于控制直流DC马达的电流指令；以及
电源电流限制模块，被配置为接收电源电流限制作为输入，并且基于所述电源电流限制主动地计算马达电流限制，所述电源电流限制模块被配置为基于所述马达电流限制来限制所述电流指令。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括电流调节器，被配置为基于所限制的电流指令向所述DC马达施加电压。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源电流限制模块被配置为基于由马达控制系统和所述DC马达限定的电压回路来计算马达电流指令。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源电流限制模块被配置为使用基于所述DC马达的操作条件的功率方程式来计算马达电流指令。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述功率方程式由下式表示：
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>C</mi> <mi>U</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中VECU是输入到马达控制系统的电压，Is是所述DC马达的电源电流，Rc是所述马达控制系统的输入电阻，以及Pe是输入到马达控制系统的电功率。
6.根据权利要求5所述的系统，其中由下式表示电功率输入Pe：
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>B</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>,</mo> </mrow>
其中vm是马达电压，im是马达电流，Rm是所述DC马达的电阻，ωm是所述DC马达的转速，vB是电刷压降，以及Ke是常数。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述马达电流限制包括最大马达容量曲线和最小马达容量曲线。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括电流限制模块，被配置为接收外部电流限制，并且基于所述外部电流限制来限制所述电流指令。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述DC马达是有刷DC马达。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源电流限制模块是车辆的电动助力转向系统的一部分。
11.一种控制直流DC马达的方法，包括：
接收转矩指令并输出用于控制直流DC马达的电流指令；
接收电源电流限制作为输入；
由电源电流限制模块基于所述电源电流限制主动地计算马达电流限制；以及
基于所述马达电流限制来限制所述电流指令。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括由电流调节器基于所限制的电流指令将电压施加到所述DC马达。
13.根据权利要求11所述的方法，其中基于由马达控制系统和所述DC马达限定的电压回路来计算马达电流指令。
14.根据权利要求11所述的方法，其中使用基于所述DC马达的操作条件的功率方程来计算马达电流指令。
15.根据权利要求14所述的方法，其中由下式表示所述功率方程式：
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>C</mi> <mi>U</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中VECU是输入到马达控制系统的电压，Is是所述DC马达的电源电流，Rc是所述马达控制系统的输入电阻，以及Pe是输入到马达控制系统的电功率。
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