CN109155605B - 用于电动机的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动机的控制系统，包括：电流控制器，所述电流控制器产生用于电机的一组电压需求；电流感测装置，所述电流感测装置被布置为产生指示电机中的电流的电流感测输出；以及电流信号处理装置，所述电流信号处理装置被布置为处理电流感测输出信号以产生修改的电流信号，在所述电流信号处理装置中由于电流测量中的不准确性而存在于电流感测输出信号中的至少一个谐波分量被消除或在很大程度上减小。修改的电流信号与需求的电机电流结合，以向电流控制器提供输入。

Description

用于电动机的控制系统
本发明涉及用于电动机的控制系统，特别是涉及电动机中电流的测量和基于电流测量的电动机的控制。
用于电致动器的闭环电流控制器典型地采取图1中示出的形式，其中，使用矢量控制，将需求电压VDQ施加到电机10的每相绕组，以及由电流测量电路测量结果生成的电流iMotor。然后由电流控制器20(典型是PI控制器)使用测量的电流以控制电机电流达到要求的目标电流。到PI控制器的输入是目标需求电流iDQ和实际测量的电流的差。控制器的输出典型地是一组电机需求电压，所述电机需求电压被用于确定对电机驱动电路的驱动桥开关施加的PWM波形。还需要信号，所述信号给出电机的电气位置，使得可以在正确的时间在正确的相施加电压。在图1的系统中示出了位置传感器，但是本发明同样适用于无位置传感器系统，其中位置信号是根据其他传感器测量结果而估计的。
由于电流传感器的不精确性和限制性，测量过程可向电流传感器的输出信号中引入不存在于正在被测量的电流中的谐波。然后电流控制器对传感器输出中的这些谐波作出反应以尝试消除它们，但是为了给出来自电流传感器的平滑输出，由电流控制器对所述谐波的消除导致实际电流包含这些谐波。因为谐波可能导致转矩纹波和/或声学噪声，取决于这些不需要的谐波的频率和幅值，由电机产生的转矩可被降低。
典型地使用相电流测量的两种方法：
1.相电流传感器，其中电流测量设备放置在每个相中。(对三相系统可只测量两相，因为第三相可以根据测量的两相来计算)
2.单个电流传感器，其中在PWM占空比期间在特定点处测量直流链路中流动的电流，以允许计算三相中的电流。
图3示出了在三相电机10上单个电流传感器30的使用。在该图中还示出根据由电压需求信号设置的PWM模式而断开和闭合的桥式开关。
取决于使用的相电流测量方法，引入的谐波将是不同的。本发明适用于由测量不精确性引入的任何谐波。
根据第一方面，本发明提供用于电动机的控制系统，系统包括产生用于电机的一组电压需求的电流控制器、被布置为产生指示电动机中电流的电流感测输出的电流感测装置、被布置为处理电流感测输出信号以产生修改的电流信号的电流信号处理装置，在所述电流信号处理装置中，由于在电流测量结果的不精确性而存在于电流感测输出信号中的至少一个谐波分量被消除或在很大程度上减小，并且在所述电流信号处理装置中修改的电流信号与需求的电机电流结合以向控制器提供输入。
电流感测装置可以被布置为在第一步中隔离谐波，并在第二步中通过从电流输出信号减去隔离的谐波以产生修改的电流信号来补偿谐波。
电流感测装置可以被布置为在静止的参考系中输出电流信号，所述静止的参考系可以是绕组的参照系，并且可以被定义为例如α和β分量，或者在旋转参考系中输出电流信号，所述旋转参考系可以是转子的参考系，并且可以被定义为例如D轴和Q轴分量。后者是优选的。
在电流输出信号在DQ坐标系中的情况下，电流信号处理装置可以通过以下执行隔离步骤：首先使电流输出信号通过第一滤波器以消除信号的直流分量并且使谐波和任何其他频率通过，然后将经滤波的信号变换为参考系中的中间信号，在所述参考系中谐波分量是直流分量，然后使中间信号通过第二滤波器以仅留下直流分量，然后施加逆变换来移动剩余的直流信号回到其原始谐波频率。
电流输出信号可以使用上文列出的步骤来分别隔离正谐波和负谐波中的每一者。然后可以从电流传感器输出信号减去正谐波和负谐波二者。
第一滤波器可包括消除直流偏移的高通滤波器，使谐波频率(以及其他频率)通过。
第二滤波器可包括可用于隔离需要的谐波(现在是直流分量)的低通滤波器。
电流信号处理装置可以包括同步滤波器，所述同步滤波器被布置为将经滤波的信号变换到隔离频率参考系。
同步滤波器可以是以下形式：
Figure BDA0001857687050000031
其中h是谐波频率，u(t)是到滤波器的输入，y(t)是输出，以及θ是电机的电气位置。
类似地，可以提供执行逆变换的另一同步滤波器。
控制器可包括PI控制器。
电机可包括三相电机，并且电流感测装置可包括单个电流传感器。控制器可以被布置成生成用于电机的PWM电压需求信号，所述PWM电压需求信号包括PWM周期内的测量时间，所述测量时间允许根据电流传感器的输出确定三相中的每一相中的电流。这些时间将典型地对应于其中已知流过电流传感器的电流等于其中一相中的电流的第一时间段，以及其中流过电流传感器设备的电流等于在不同的一相中流动的电流的第二时间段。然后可以容易地确定第三相中的电流，因为电机中流动的电流的和必须等于零。
可替代地，电流感测装置可以包括多个电流传感器。对三相电机，可以有三个电流传感器。这允许同时测量所有三相中的电流，消除对每个周期内的特殊测量时间的需要。
电机可以具有静止绕组和相对于绕组旋转的转子。电流感测装置可以包括被布置为测量电机绕组中的电流的电流传感器。电流可以被测量为在绕组的参考系中的两个分量。电流感测装置可以包括被布置为将测量的电流变换到转子的参考系中的变换装置，例如作为生成转矩的分量和不生成转矩的分量。
控制系统可以被布置为校正谐波失真的多个分量。例如，失真的分量可以是具有不同频率和/或不同符号的谐波，或者可以在不同的正频率/不同的负频率。
现在将仅参考附图通过示例来描述本发明的优选实施例。
图1是用于电机的已知闭环电流控制系统的图；
图2是根据本发明的实施例的用于电机的闭环电流控制系统的图；
图3示出了当与三相PWM控制的电机一起使用时单个电流传感器的位置。
图4是图2的实施例的优选电流信号处理装置(iclean)的图，以及
图5是可用在图2的控制系统中的同步滤波器的图。
参考图2，根据本发明的实施例，电机10由闭环电机电流控制系统控制，包括电流感测系统12和电流控制器14。电流感测系统12包括被布置为测量电机的三相中的电流iA、iB、iC的电流传感器，所述电机包括静止绕组，并输出指示具有α和β分量的静止坐标中的电流矢量的信号。电流感测系统还包括坐标变换电路，所述坐标变换电路被布置为将电流矢量从静止参考系中的α和β分量转换到D分量和Q分量iD和iQ，所述D分量和Q分量iD和iQ定义转子参考系中的电流矢量，所述转子参考系相对于固定绕组旋转，Q轴电流是生成转矩的分量，并且D轴电流是不生成转矩的。
电流控制器14接收电流误差，所述电流误差如下文将解释的已被净化以消除由电流感测装置12作为测量误差引入的任何谐波分量，并以D轴和Q轴电压需求VDQ的形式输出需求的电压矢量，计算VDQ以减小电流误差，使得测量的电流矢量接近需求的电流矢量。另一个变换电路(未示出)接收来自电流控制器的电压需求并将其转换为α分量和β分量Vαβ，Vαβ是到PWM驱动器(也未示出)的输入，所述PWM驱动器被布置为控制多个开关以在PWM模式中对电机的相绕组施加电压，所述PWM模式在绕组中产生具有对应于电压需求矢量的幅值和方向的净电压。如图3中所示，开关可以被布置在对于每个电机相具有顶部开关和底部开关的桥中。
该系统中的电流传感器产生谐波干扰，因为它不完美。这些发生主要是因为电流传感器花费时间来安定，并且用于进行测量的时间窗口太短以致传感器无法充分安定。
控制系统包括电流净化电路iClean 16，其被布置成提供谐波补偿功能。控制系统被布置为执行的补偿过程可以分为两个阶段：谐波的隔离和谐波的去除。可以复制每个阶段以允许正谐波频率和负谐波频率二者都被消除。电路在图4中详细示出。这里将仅描述用于正谐波的阶段，因为阶段在功能上是相同的。所以，相似的参考编号将用于涉及正谐波和负谐波的电路的部分。
在第一阶段，为了隔离谐波，首先通过使DQ坐标系中的电流输出信号通过高通滤波器22来对其滤波。这消除了直流分量并且留下了将包括感兴趣的谐波的非直流频率。为了隔离谐波，电流控制系统接下来使用同步滤波器24，所述同步滤波器24被布置为将中间经滤波信号变换到隔离频率参考系。这允许仅通过将不需要的谐波移动以变成直流分量来将其隔离，所述不需要的谐波在这种情况下假定为已知频率的单个谐波。
图4示出了同步滤波器24的一种实现方式，其接收经滤波的电流传感器输出信号、电机电气位置θ和要被隔离的谐波h(相对于电机电气频率)作为输入。注意h可以是正的或负的，取决于目标谐波是正序分量还是负序分量(即其在与转子相同的方向还是相反的方向上行进)。
由滤波器24执行的变换ejhθ定义为：
Figure BDA0001857687050000051
其中u(t)是对滤波器24的输入，y(t)是输出，以及θ是电机的电气位置。
由同步滤波器24输出的变换信号将包含直流和交流分量。交流分量是由原始信号中的所有其他谐波导致的。如果直流分量为零，则电流控制器输出电压中不存在隔离频率。
然后，变换的信号通过低通滤波器26，所述低通滤波器26去除所有其他不需要的频率并留下直流分量。
然后将该隔离的直流分量馈送到另一个同步滤波器28，其执行由同步滤波器执行的变换的逆变换，以将该直流校正转换为等于不需要的谐波的正弦校正信号。
滤波/变换执行两次：一次用于正谐波和一次用于负谐波。然后将两个隔离的谐波馈送到加法器32中，加法器32将它们加在一起，然后在组合器块34中从电流传感器输出信号减去所产生的信号。结果是从电流传感器输出信号中消除了谐波。
比较器18接收净化的电流测量信号D电流和Q电流，并将它们与需求的D电流分量和Q电流分量进行比较以生成误差。该误差被馈送到PI控制器。
因为谐波误差已被消除，所以不存在将它们施加于电压需求信号和强加到实际电机电流上的危险。

Claims (6)

1.一种用于电动机的控制系统，所述系统包括：电流控制器，所述电流控制器产生用于电机的一组电压需求；电流感测装置，被布置为产生指示电机中的电流的电流感测输出；电流信号处理装置，被布置为处理电流感测输出信号以产生修改的电流信号，在所述电流信号处理装置中由于电流测量的不准确性而存在于电流感测输出信号中的至少一个谐波分量被消除或在很大程度上减小，并且在所述电流信号处理装置中将修改的电流信号与需求的电机电流结合以向电流控制器提供输入，其中电流感测装置被布置为输出转子参考系中作为D轴分量和Q轴分量的电流信号，并且其中电流信号处理装置通过以下来执行隔离步骤：首先使电流输出信号通过第一滤波器以消除信号的直流分量并且使谐波和任何其他频率通过，然后将经滤波的信号变换为参考系中的中间信号，在所述参考系中谐波分量是直流分量，然后使中间信号通过第二滤波器来仅留下直流分量，然后施加逆变换来使余下的直流分量移动回到其原始谐波频率。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中电流感测装置被布置为：在第一步中隔离谐波，并且在第二步中通过从电流感测输出信号减去隔离的谐波来补偿谐波，以产生修改的电流信号。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中第一滤波器包括高通滤波器，所述高通滤波器消除直流偏移，使谐波频率以及其他频率通过。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中第二滤波器包括低通滤波器。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中电流信号处理装置包括同步滤波器，所述同步滤波器被布置为将经滤波的信号变换到隔离频率参考系。
6.如权利要求1所述的控制系统，所述控制系统分别地隔离正谐波和负谐波。
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