CN109818536B - 转矩波动补偿与马达控制系统中的前馈控制 - Google Patents

转矩波动补偿与马达控制系统中的前馈控制 Download PDF

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Abstract

本发明描述了在马达控制系统以前馈模式运行时提供转矩波动补偿的技术方案。示例性马达控制系统包括前馈控制器，其接收与输入转矩命令对应的第一电流命令，并接收与转矩波动对应的第二电流命令。前馈控制器基于第一电流命令和第二电流命令产生电压命令，电压命令被施加到马达。本文描述的技术方案解决了关于改善NVH性能的技术挑战。

Description

转矩波动补偿与马达控制系统中的前馈控制
技术领域
本申请大致涉及马达控制系统，并且特别用于处理使用前馈控制操作马达控制系统时关于转矩波动补偿的技术挑战。
背景技术
需要低成本和高控制性能的工业应用通常在运动控制系统中采用复杂的电驱动，在这种情况下，复杂性被引入各种部件中(例如功率转换器和电机)，以优化成本。通常，这种成本优化导致电机的噪声、振动和不平顺性(NVH)特性改变，并且有时超过期望的阈值水平。
通常，使用永磁同步电机(PMSM)的电机可以使用前馈控制来操作，由于PMSM中一个或多个气隙周围的磁通量的非正弦反电动势(BEMF)分布而导致该电机产生阶数跟踪的转矩波动(包括齿槽转矩)。此外，用于操作PMSM的三个(或更多)功率相之间的不平衡也导致转矩波动。此外，若干其他机器特定的非理想因素导致转矩波动。另外，受控的感应寄生转矩也存在于PMSM的驱动系统中。
这种转矩波动进一步导致PMSM的NVH特性降级。超过期望阈值水平的NVH性能可能引起操作者的不适(例如，在PMSM是转向系统、车辆、家用电器或任何其他系统的一部分的情况下)，甚至使系统不可操作。此外，NVH能够导致系统和/或周围环境的结构损坏。因此，希望改善系统的NVH性能。
发明内容
描述了用于在马达控制系统以前馈模式运行时提供转矩波动补偿的技术方案。示例性马达控制系统包括前馈控制器，其接收与输入转矩命令对应的第一电流命令，并接收与转矩波动对应的第二电流命令。前馈控制器基于第一电流命令和第二电流命令产生电压命令，电压命令施加到马达。
根据一个或多个实施例，用于在前馈模式下运行时对马达控制系统进行转矩波动补偿的示例方法包括通过前馈控制器接收与输入转矩命令对应的第一电流命令。该方法还包括由前馈控制器接收与转矩波动对应的第二电流命令。该方法还包括由前馈控制器基于第一电流命令和第二电流命令产生电压命令，该电压命令施加到马达。
根据一个或多个实施例，示例性动力转向系统包括马达和以前馈模式运行马达的马达控制系统。操作包括接收与输入转矩命令对应的第一电流命令，并且还接收与马达的电路中的转矩波动对应的第二电流命令。马达控制系统基于第一电流命令和第二电流命令产生电压命令，该电压命令被施加到马达以引起位移。
从以下结合附图的描述中，这些和其他优点与特征将变得更加明显。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将变得清晰，其中：
图1是电动助力转向系统的示例性实施例；
图2描绘了根据一个或多个实施例的使用具有转矩波动补偿能力的前馈控制的马达控制系统的框图；
图3描绘了根据一个或多个实施例的示例性转矩波动补偿模块的框图；
图4描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流；
图5描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流；
图6描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流；以及
图7描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流。
具体实施方式
如本文所使用的，术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路(例如专用集成电路(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他合适组件。可以理解，下面描述的子模块可以被组合和/或被进一步划分。
现在参考附图，其中将参考特定实施例描述技术方案，而不是对其进行限制，图1是适合于实现所公开实施例的电动助力转向系统(EPS)40的示例性实施例。转向机构36是齿条齿轮式系统，并且包括位于壳体50内的齿条(未示出)和位于齿轮壳体52下方的小齿轮(也未示出)。作为操作者输入，在下文中表示为转动方向盘26(例如手持式方向盘等)，转动上转向轴29，并且通过万向接头34连接到上转向轴29的下转向轴51转动小齿轮。小齿轮的旋转使齿条移动，齿条移动拉杆38(仅示出一个)，继而移动转向节39(仅示出一个)，转向节39再转动可转向轮44(仅示出一个)。
电动助力转向辅助通过大致由附图标记24表示的控制装置提供，并且包括控制器16和电机46，电机46可以是永磁同步马达(PMSM)，并且在下文中表示为马达46。控制器16通过线路12由车辆电源10供电。控制器16从车辆速率传感器17接收表示车辆速率的车辆速度信号14。通过位置传感器32测量转向角，位置传感器32可以是光学的编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其它合适类型的位置传感器，并向控制器16提供位置信号20。马达速率可以用转速计或任何其他设备测量，并作为马达速率信号21发送到控制器16。可以测量、计算(或其组合)表示为ωm的马达速率。例如，马达速率ωm可以被计算为由位置传感器32在规定的时间间隔内测量的马达位置θ的变化。例如，马达速率ωm可以由等式ωm＝Δθ/Δt确定为马达位置θ的导数，其中Δt是采样时间，Δθ是采样间隔期间的位置变化。或者，可以从马达位置导出马达速率作为位置的时间变化率。应当理解，存在许多用于执行导数功能的众所周知的方法。
当方向盘26转动时，转矩传感器28感测由车辆操作者施加到方向盘26的转矩。转矩传感器28可以包括扭杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，可变电阻型传感器相对于扭杆上的扭转量向控制器16输出可变转矩信号18。虽然这是一种转矩传感器，但是与已知信号处理技术一起使用的任何其他合适的转矩感测设备都是堪用的。响应于各种输入，控制器向马达46发送命令22，马达46通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供转矩辅助，从而为车辆转向提供转矩辅助。
应当注意，尽管引用用于电动转向应用的马达控制来描述所公开的实施例，但是应当理解，这些引用仅是说明性的，并且所公开的实施例可以应用于采用电动马达的任何马达控制应用，例如转向、阀控制等。此外，本文的引用和描述可以适用于许多形式的参数传感器，包括但不限于转矩、位置、速度等。还应注意，本文对于电动马达的引用形式包括但不限于马达，以下为了简洁和简单起见，在没有限制的情况下将仅引用马达。
在如1图所示的控制系统24中，控制器16利用转矩、位置和速度等来计算用于传递所需输出功率的命令。控制器16设置成与马达控制系统的各种系统和传感器进行通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号，量化所接收的信息，并响应于此提供输出命令信号(在这种情况下，例如，给马达46提供)。控制器16被配置为从逆变器(未示出)产生相应的电压，逆变器可选地可以与控制器16结合并且在本文中称为控制器16，使得当应用于马达46时，产生期望的转矩或位置。在一个或多个示例中，控制器16作为电流调节器在反馈控制模式下运行，以产生命令22。或者，在一个或多个示例中，控制器16在前馈控制模式下运行以产生命令22。因为这些电压与马达46的位置和速度以及期望的转矩有关，所以确定了转子的位置和/或速度以及操作者施加的转矩。位置编码器连接到转向轴51以检测角位置θ。编码器可以基于光学检测、磁场变化或其他方法来感测旋转位置。典型的位置传感器包括电位计、旋转变压器、同步器、编码器等，以及包括前述中的至少一个的组合。位置编码器输出位置信号20，该位置信号20指示转向轴51的角位置，并由此指示马达46的角位置。
期望的转矩可以由一个或多个转矩传感器28确定，转矩传感器28发送指示所施加的转矩的转矩信号18。一个或多个示例性实施例包括这样的转矩传感器28和从中获得的转矩信号18，它们可以响应柔性扭杆、T形杆、弹簧或类似装置(未示出)，柔性扭杆、T形杆、弹簧或类似装置被配置为提供指示出施加的转矩的响应。
在一个或多个示例中，温度传感器23位于电动马达46处。优选地，温度传感器23被配置为直接测量马达46的感测部分的温度。温度传感器23将温度信号25发送给控制器16，以便于本文规定的处理和补偿。典型的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、恒温器等，以及包括至少一个前述传感器的组合，其在适当放置时提供与特定温度成比例的可校准信号。
位置信号20、速率信号21和转矩信号18等被施加到控制器16。控制器16处理所有输入信号以产生对应于每个信号的值，从而得到可用于本文所规定的算法中的处理的转子位置值、马达速度值和转矩值。诸如上述的测量信号也根据需要通常被线性化、进行补偿和进行滤波，以增强特性或消除所获取信号的不期望特性。例如，信号可以被线性化以提高处理速度，或者解决信号的大动态范围。另外，可以采用基于频率或时间的补偿和滤波来消除噪声或避免不期望的光谱特性。
为了执行规定的功能和期望的处理以及由此所需的计算(例如，马达参数的识别、控制算法等)，控制器16可以包括但不限于处理器、计算机、DSP、存储器、存储装置、寄存器、定时、中断、通信接口、和输入/输出信号接口等，以及包含前述至少一种的组合。例如，控制器16可以包括输入信号处理和滤波，以便能够从通信接口准确地对这种信号采样并转换或获取这种信号。控制器16的附加特征和其中的某些过程在本文稍后详细讨论。
基于PMSM的电机(例如EPS 40)存在技术挑战，因为这些机器由于围绕气隙的磁通量的非正弦反电动势(BEMF)分布而产生阶数跟踪的(order tracked)转矩波动(包括齿槽转矩)。此外，三相功率之间的不平衡也导致转矩波动。此外，其他几种机器特定的非理想因素会导致转矩波动。此外，在驱动系统中也可能存在受控的感应寄生转矩。如前所述，这种转矩波动由于使马达控制系统的NVH特性退化超过预定阈值而导致NVH问题。因此，存在提高NVH性能的技术挑战。
在一个或多个示例中，在机器设计本身保持低的非理想因素的情况下最小化可能是被动的。反之，可能会采用补偿转矩波动的主动控制算法。通常，已经在机器中开发并采用了这种技术，在这种情况下，因为反馈控制提供期望水平的电流跟踪、干扰抑制和可调谐性，所以控制器16采用反馈控制来执行PMSM 46的电流控制。
当控制器16使用前馈控制来对PMSM 46进行电流控制时，本文描述的技术方案解决了关于改善NVH性能的技术挑战。前馈控制是可以用来例如降低部署成本的替代技术，因为前馈控制不使用电流传感器。本文描述的技术方案对利用前馈控制的马达控制系统使用通过电流注入的主动转矩波动补偿。
图2描绘了根据一个或多个实施例的使用前馈控制并提供转矩波动补偿的马达控制系统的框图。所描绘的马达控制系统100可以是转向系统40的一部分，或者是使用马达引起位移、产生转矩等的任何其他机器。在一个或多个示例中，逆变器122连接到马达46。在一些实施例中，马达46是多相永磁同步马达(PMSM)。在本文描述的示例中，马达46被认为是三相PMSM，但是应该注意，在其他示例中，马达46可以是多相马达。控制器16通过逆变器122连接到马达46。
控制器16从转矩控制系统(例如转向控制系统)接收马达转矩命令Tc。控制器16包括用于通过PWM生成器130和逆变器122将马达电压命令Vdqc发送到马达19的控制逻辑。电压命令包括直轴(d轴)分量和正交轴(q轴)分量。
控制器16包括参考生成模块110，其基于一个或多个信号(例如确定电驱动系统的运行条件的马达速率ωm和DC链路电压Vdc)生成用于输入转矩命令Tc的电流命令。参考生成模块基于输入参数确定用于PMSM控制的参考电流Idqr。
d/q轴中的参考电流命令Idqr被发送到前馈电流控制器120，这实现了控制器16的电流控制方案。前馈电流控制器120将电流命令Idqr转换为电压命令Vdqc，然后，通过PWM生成器130和逆变器122将电压命令Vdqc施加到马达46。PWM生成器130对逆变器的每个开关取所需的占空比或接通时间，产生并施加适当的栅极信号以用于驱动开关。
控制器16还包括转矩波动补偿模块140，其产生并发送转矩波动补偿命令Idqp，以在d/q轴上注入额外的脉动电流信号。前馈电流控制器120接收对应于转矩波动补偿命令Idqp的脉动电流信号，并将该脉动电流信号加到基本电流命令Idqr。
图3描绘了根据一个或多个实施例的示例性转矩波动补偿模块的框图。转矩波动补偿模块除了其他组件之外还包括转矩波动查找142、注入电流计算144以及幅度和相位校正146。
机器(例如EPS 40中的PMSM 46)的转矩波动(包括齿槽效应(cogging))是离线确定的，例如，通过在恒定电流或转矩水平下运行恒定的低速测试并记录转矩数据。转矩数据被分解为进一步补偿的谐波阶数。首先离线确定要补偿的转矩波动的数据，然后将其加载到控制器16中的对应于每个阶数的查找表中。转矩波动查找142便于访问查找表，并从查找表中提供对应于电流命令Idqr的转矩波动值。此后，注入电流计算144使用采用PMSM 46的机器的机器模型(其是预先配置的)来计算最佳的d和/或q轴电流指令。在一个或多个示例中，在线执行计算，即在机器的运行期间动态地执行。或者，在一个或多个示例中，离线执行计算，并且将确定的转矩波动值的相应d/q轴值存储在可通过转矩波动查找142访问的另一个查找表中。使用机器模型计算d/q轴电流值，使得当提供给PMSM 46时产生脉动转矩，该波动转矩抵消机器的实际转矩波动。
此外，幅度和相位校正146补偿了额外的影响，例如机器转矩波动的速度依赖性变化，电流控制器带宽的限制等。根据输入到控制器16的运行条件(包括机器速度ωm、转矩命令Tc和电流)改变脉动电流的幅度和相位来完成这种补偿。
用于这种计算的机器模型可以是PMSM 46的数学模型，例如如下：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
这里Vd、Vq是d/q马达电压(以伏特为单位)，Id、Iq是d/q马达电流(以安培为单位)，Ld，Lq是d/q轴马达电感(以亨利为单位)，R是马达电路(马达加控制器)电阻(以欧姆为单位)，Ke是马达BEMF系数(以伏特/弧度/秒为单位)，ωm是机械马达速率(以弧度/秒为单位)，并且Te是电磁马达转矩(以Nm为单位)。马达参数在运行期间(基本上)变化。在一个或多个示例中，R的变化可以超过100％，并且电感Ld，Lq可以有5-20％的变化，并且Ke可以有15-20％的变化。例如，R随构造和温度而变化，Ld，Lq由于饱和而变化(即，根据Iq和Id)，并且Ke由于饱和而变化(根据Iq)并且还随着温度而变化。应当注意，转矩方程是非线性的，并且表示以下各项的和：通过利用来自永磁体的磁场产生的转矩、由转子显著性(Ld和Lq之间的差)产生的磁阻转矩、以及Iq和Id的预定值。
频域中的机器模型可以写成如下形式。
Vd＝(Lds+R)Id+ωeLqIq
Vq＝(Lqs+R)Iq-ωeLdId+Keωm
上述模型代表典型的PMSM机器，并未描述脉动分量。马达电动速率ωe等于马达机械速率ωm的极对数
Figure SMS_4
倍。
返回到图2，控制器16还包括参数估计模块150，其估计在机器的数学模型中使用的Ldq、R和Ke的值。
前馈电流控制器120使用估计的机器参数来确定一组给定电流命令Idr和Iqr的电压命令。前馈控制中的电压命令如下给出。
Figure SMS_5
Figure SMS_6
/>
这里的着重符号意味着在控制器中估计参数和信号，Vdqr是命令电压，并且Idqr是电流命令。在一个或多个示例中，在控制器16内动态估计参数以考虑到温度和磁饱和效应。如果估计是准确的，则实际的电流跟踪测量的电流。应该注意，导数项
Figure SMS_7
也是真实导数的近似值。连续时间情况下的导数项的示例如下。
Figure SMS_8
在导数的上述表示中，s是纯导数项，并且
Figure SMS_9
表示低通滤波器。结合纯导数来使用低通滤波器有助于改变不期望的纯导数项的高频响应。(注意，通知/>
Figure SMS_10
*Id命令指示了Id命令的微分)。
如果τ被设置为预定值，则可以精确地估计导数。连续时间导数可以在离散时间(z域)中实现，例如，通过使用如下的Tustin近似(或其他技术)。
Figure SMS_11
这里Ts是离散控制回路采样时间。应当注意，近似导数可以以其他方式实现，包括通过改变连续时间近似，通过使用连续时间等价项的不同离散时间近似，或者通过直接设计离散域中的导数项。
在一个或多个示例中，机器模型包括谐波分量，其不是上面表示的模型的一部分。这些谐波分量在电压和转矩方程中均出现，并且本文描述的技术方案也可以与这些模型一起使用。
如前所述，本文所述的技术方案通过注入额外的脉动电流命令来执行转矩波动补偿，所述脉动电流命令产生与机器的实际转矩波动异相的脉动转矩。包括转矩波动的PMSM46的实际转矩可以是：
Figure SMS_12
其中Tp是脉动转矩并且被阶数跟踪成PMSM 46的旋转，即，脉动转矩分量的频率是瞬时马达速率的整数倍。这可以使用傅立叶级数在数学上表示如下。
Figure SMS_13
其中n是谐波阶数，θ是电气位置，并且Tn、φn分别是该谐波次数下的转矩波动的幅度和相位。
通常，Tn和φn都是PMSM 46的实际电流Idq的函数。因此，为了补偿转矩波动，计算要注入的脉动电流Iqp的一种方法如下
Figure SMS_14
在一个或多个示例中，仅注入脉动的q轴电流分量，而d轴电流分量保持恒定。此外，最终的q轴电流命令变为Iqr和Iqp之和，其作为输入被发送到前馈电流控制器120。如上面的符号所示，脉动电流Iqp是被补偿的转矩波动的所有谐波阶数的总和。
或者，在一个或多个示例中，可以在d和q轴电流中均注入脉动分量以补偿转矩波动。前馈电流控制器120接收Iqp和/或Idp分量以产生补偿机器的转矩波动的适当电流。
图4描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流。图4中描绘的前馈电流控制器120A通过获得包括脉动电流分量的补偿电流命令Idqp来实现转矩波动补偿，并使用导数项近似来实现动态前馈补偿。
如图4所示，转矩波动补偿包括在410处将来自参考生成模块110的电流命令Idqr和来自转矩波动补偿模块140的补偿电流命令Idqp相加。由此计算得到的电流命令Idqf如下
Idqf＝Idqr+Idqp
这里，Idqp＝adqn sin(nθ+φdqn)用于仅补偿单阶n的情况。然而，在多阶n的情况下，脉动电流包含被补偿的多个谐波阶数，其可以在数学上表示为
Figure SMS_15
因此，使用本文描述的技术方案同时补偿多个谐波阶数。此外，在420和430处，如下计算使用总电流命令Idqf的前馈电压命令。
Figure SMS_16
Figure SMS_17
然后将得到的电压命令Vdqc(包括Vdf和Vdq分量)转发到PMSM马达46。为在马达46的运行期间可能产生的BEMF和转矩波动计算(在420和430处示出)补偿，分别如440和450所示。
在一个或多个示例中，低于预定阈值的时间常数用于低通滤波器，从而优化用于计算的脉动分量的导数项
Figure SMS_18
然而，如果时间常数增加到高于预定阈值，则高频噪声可以通过电流命令传递到输出，导致系统100的次优NVH性能。为了解决这样的技术挑战，本文描述的技术方案使低通滤波器的时间常数自适应，方式是调用作为马达电动速率ωe的函数的时间常数，如下所示。
Figure SMS_19
/>
这里ωe最小是第一电动速率阈值，高于该阈值时，时间常数随马达速率变化，m是可调谐比例因子，并且n最大是所补偿的最高谐波阶数。应当注意，以上是一个示例，并且在其他实施例中，可以使用其他调度函数来优化NVH性能和转矩波动补偿性能。替代地或另外地，自适应技术可以根据所使用的导数近似的类型而改变。
在460处，将由滤波器模块420计算的前馈电压分量和基于BEMF(430)的分量相加以确定最终的前馈电压命令Vdqc。在马达46上施加最终的前馈电压命令以产生期望的转矩，并补偿BEMF和转矩波动波。
图5描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流。图5中描绘的前馈电流控制器120B通过分离常数分量和脉动分量的导数项来实现转矩波动补偿。
在510处，再次计算电流命令(Idqf)为
Idqf＝Idqr+Idqp
此外，在510处使用Idqr确定恒定分量的导数项
Figure SMS_20
此外，在520处，确定Idqp中波动分量的单独导数项，/>
Figure SMS_21
对应于每个分量Idqn1p,Idqn2p,...,Idqnnp。使用一个或多个滤波器使每个阶的导数项自适应，并且在520处，基于被补偿的特定波动分量的频率nωe计算这些滤波器的截止频率。例如，图5示出了正在补偿总共k阶的情况，并且各阶的值是n1,n2,…,nk。在一个示例中，进一步描述了自适应滤波器的推导。
应当注意，在一个或多个示例中针对d轴(sd)和q轴(sq)确定的导数项可以是不同的，然而，为了简化说明和解释，本文描述的示例假设两个轴的导数项相同。例如，在每个轴的导数项不同的情况下，脉动分量的导数项对于d轴可以是
Figure SMS_22
对于q轴可以是/>
Figure SMS_23
基本滤波器选择如下。
Figure SMS_24
为了使该滤波器成为感兴趣频率nωe的微分滤波器，检查以下幅度和相位条件以确认s＝jnωe。
|H(s)|＝|s|
Figure SMS_25
这些条件成立确保了滤波器在感兴趣的频率下是纯导数。通过应用上述条件，a和τ的值如下确定。
Figure SMS_26
Figure SMS_27
利用上述参数，自适应滤波器可以表示如下。
Figure SMS_28
图6描绘了根据一个或多个实施例的使用上面确定的自适应滤波器的示例性前馈电流控制器120B。应当注意，上面示出的自适应滤波器仅是示例，并且在其他实现方式中可以使用其他连续时间滤波器。此外，为了在离散时间下实现滤波器，可以使用各种离散化技术离散自适应滤波器，例如具有前翘曲(pre-warping)方法的双线性差值(bilinear)，其中对特定谐波阶数的临界频率进行补偿。对于使用前翘曲技术的双线性差值，用于将滤波器从连续时域(或s域)转换为离散时间(或z域)的等式如下。
Figure SMS_29
其中n是谐波电气阶数，Ts是控制回路的采样时间，并且
Figure SMS_30
是估计的电动速率。在其他示例中，诸如Tustin变换的其他变换技术也可用于将连续时间设计转换为离散时间。此外，还可以执行离散时间滤波器的直接设计以实现自适应滤波器。
此外，参考图5和图6，前馈电流控制器120B还在530处使用基于R、L和ωe等的总电流命令Idqf来计算前馈电压命令分量。
在540处，将由多个滤波器模块510、520、530计算的前馈电压分量，以及基于BEMF(430)的分量相加，以确定最终的前馈电压命令Vdqc。最终的前馈电压命令应用于马达46上以用于补偿BEMF以及转矩波动波并产生所命令的转矩。
图7描绘了根据一个或多个实施例的实现转矩波动补偿的示例性前馈电流控制器的示例数据流。图7中描绘的前馈电流控制器120C通过使用估计的参数由电流命令预先计算脉动电压命令，并直接注入电压命令来实现转矩波动补偿。
在一个或多个示例中，在720处计算对应n个谐波阶数中的每一个阶数的脉动电压Vdqnp。例如，针对单阶n情况的脉动电流命令Idnp和Iqnp可以表示如下。
Idnp＝adn sin(nθ+φdn)
Iqnp＝aqn sin(nθ+φqn)
此外，可以通过替换先前给出的机器电压-电流方程中的电流命令表达式来计算脉动电压分量。由此获得所得的电压方程如下。
Figure SMS_31
Figure SMS_32
Figure SMS_33
其中bqn，bdn，ψqn，ψdn是机器参数和脉动电流命令系数adn，aqn，φdn，φqn的函数。
上述等式应用这样的补偿：在该补偿中，脉动的d和q轴电流都被注入以进行补偿。在仅注入一个脉动分量的情况下，仅使用相应的方程，即，另一个电流命令的系数值被设置为零。
此外，前述描述针对单阶(n＝1)，并且在一个或多个示例中，对于其他谐波阶数执行类似的计算，以通过使用叠加原理将转矩波动补偿扩展到多个阶数，该叠加原理表明对应线性系统，由两个或更多个激励引起的给定位置和时间处的净响应是单独由每个激励引起的响应的总和。因此，在一个或多个示例中，包括与图7中所示的720类似的多个模块，以便产生多个脉动电流分量。
另外，如本文所述，在510和530处，前馈电流控制器120C使用L和R项计算Idqr和Idqf的电压命令分量。在540处，将由多个滤波器模块510、720、530计算的前馈电压分量以及基于BEMF(430)的分量相加，以确定最终的前馈电压命令Vdqc。最终的前馈电压命令应用于马达46上以补偿转矩波动波。
应当注意，诸如转矩波动的速度依赖性变化或控制器带宽的限制之类的其他效应也可能影响本文所述的一个或多个实施例的有效性。可以通过幅度和相位调整来调整脉动电流分量，从而补偿这类影响。例如，可以如下计算(调整)脉动电流命令，以补偿负载和速度的控制器带宽变化。
Idqp＝mdqnadqn sin(nθ+φdqn+αdqn)
这里mdqn和αdqn是幅度和相位调整参数，它们可以作为负载(转矩或电流)和速度的函数进行调配。
本文描述的技术方案有助于在不使用电流传感器的情况下从在前馈控制情况下运行的马达控制系统中的基值中降低转矩波动。无论如何产生脉动电流命令，都可以使用本文描述的技术方案。
在一个或多个示例中，通过注入包括脉动分量的电流命令来调整参考值，前馈电流控制器补偿转矩波动。在一个或多个示例中，调整参考命令和脉动分量的总和(120A)。
或者，在一个或多个示例中，除了对脉动电流命令的近似(120B)之外，还对来自参考电流生成器的基本电流命令执行单独的导数近似。例如，确定不同谐波阶数的各个导数项。每阶的各个导数项基于自适应时间常数进行调整。此外，本文针对脉动分量的改进导数项估计描述了技术解决方案。
此外，在一个或多个示例中，前馈电流控制器使用下述计算来确定对应于脉动分量的电压分量(120C)，该计算以使用脉动电流命令系数的三角恒等式为基础。
本技术解决方案可以是任何可能的技术细节集成程度的系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或媒介)，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本技术方案的各方面。
本文参考根据技术方案的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本技术方案的各方面。将理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令实现。
附图中的流程图和框图示出了根据本技术方案的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或部分指令，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，事实上，连续示出的两个方框可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行特定功能或动作或者执行专用硬件与计算机指令的组合的专用硬件系统来实现。
还应当理解，本文示例的用于执行指令的任何模块、单元、组件、服务器、计算机、终端或设备可以包括或以其他方式访问计算机可读介质，诸如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移动和/或不可移动)(例如磁盘、光盘或磁带)。计算机存储介质可以包括以用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。这种计算机存储介质可以是设备的一部分，也可以是可被访问或可被连接的。本文描述的任何应用或模块可以使用可以由这种计算机可读介质存储或以其他方式保持的计算机可读/可执行指令来实现。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了技术方案，但应容易理解，技术方案不限于这些公开的实施例。相反，可以修改技术方案以包含此前未描述但与技术方案的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了技术方案的各种实施例，但是应该理解，技术方案的各方面可以仅包括部分所描述的实施例。因此，技术方案不应被视为受前述描述的限制。

Claims (11)

1.一种马达控制系统，当在前馈模式下运行时提供转矩波动补偿，所述马达控制系统包括：
前馈控制器，配置为：
接收与输入转矩命令对应的第一电流命令；
接收与要补偿的转矩波动对应的第二电流命令；以及
基于所述第一电流命令和所述第二电流命令产生电压命令，所述电压命令被施加到马达，
其中所述电压命令(Vdqf)包括d轴分量(Vdf)和q轴分量(Vqf)，并且产生电压命令(Vdqf)包括：
通过将所述第一电流命令(Idqr)和所述第二电流命令(Idqp)相加来确定最终的电流命令(Idqf)，每个命令包含q轴分量和d轴分量；
使用所述最终的电流命令的d轴分量(Idf)和所述最终的电流命令的q轴分量(Iqf)确定所述电压命令的d轴分量(Vdf)；以及
使用所述最终的电流命令的d轴分量(Idf)和所述最终的电流命令的q轴分量(Iqf)确定所述电压命令的q轴分量(Vqf)，
其中所述电压命令被计算为
Figure FDA0004050993420000011
Figure FDA0004050993420000012
其中
Figure FDA0004050993420000021
和/>
Figure FDA0004050993420000022
分别表示在所述前馈控制器中估计的所述系统的电感的d轴分量和q轴分量，/>
Figure FDA0004050993420000023
表示在所述前馈控制器中估计的所述系统的电阻，/>
Figure FDA0004050993420000024
表示在所述前馈控制器中估计的电动马达速率，/>
Figure FDA0004050993420000025
表示在所述前馈控制器中估计的马达速率，/>
Figure FDA0004050993420000026
表示在所述前馈控制器中估计的预定值，以及/>
Figure FDA0004050993420000027
表示导数项。
2.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中产生电压命令包括：
使用所述第一电流命令并且还基于马达电感、马达电路电阻和马达速率来确定第一电压命令；
使用所述第二电流命令并且还基于所述马达电感、所述马达电路电阻和所述马达速率来确定第二电压命令；以及
将所述第一电压命令和所述第二电压命令相加。
3.根据权利要求2所述的马达控制系统，其中产生电压命令还包括：
确定与所述马达的反电动势对应的第三电压命令；以及
将所述第一电压命令、所述第二电压命令和所述第三电压命令相加。
4.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述第二电流命令(Idqp)用于单阶转矩波动。
5.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述第二电流命令(Idqp)用于多阶转矩波动，所述电压命令同时补偿所述多阶转矩波动。
6.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述马达控制系统是车辆转向系统的一部分。
7.一种用于在前馈模式下运行时对马达控制系统进行转矩波动补偿的方法，所述方法包括：
通过前馈控制器接收与输入转矩命令对应的第一电流命令；
通过所述前馈控制器接收与要补偿的转矩波动对应的第二电流命令；以及
通过所述前馈控制器基于所述第一电流命令和所述第二电流命令产生电压命令，所述电压命令被施加到马达，
其中所述电压命令(Vdqf)包括d轴分量(Vdf)和q轴分量(Vqf)，并且产生电压命令(Vdqf)包括：
通过将所述第一电流命令(Idqr)和所述第二电流命令(Idqp)相加来确定最终的电流命令(Idqf)，每个命令包含q轴分量和d轴分量；
使用所述最终的电流命令的d轴分量(Idf)和所述最终的电流命令的q轴分量(Iqf)确定所述电压命令的d轴分量(Vdf)；以及
使用所述最终的电流命令的d轴分量(Idf)和所述最终的电流命令的q轴分量(Iqf)确定所述电压命令的q轴分量(Vqf)，
其中所述电压命令被计算为
Figure FDA0004050993420000031
Figure FDA0004050993420000032
其中
Figure FDA0004050993420000033
和/>
Figure FDA0004050993420000034
分别表示在所述前馈控制器中估计的所述系统的电感的d轴分量和q轴分量，/>
Figure FDA0004050993420000035
表示在所述前馈控制器中估计的所述系统的电阻，/>
Figure FDA0004050993420000036
表示在所述前馈控制器中估计的电动马达速率，/>
Figure FDA0004050993420000037
表示在所述前馈控制器中估计的马达速率，/>
Figure FDA0004050993420000041
表示在所述前馈控制器中估计的预定值，以及/>
Figure FDA0004050993420000042
表示导数项。
8.根据权利要求7所述的方法，其中产生电压命令包括：
使用所述第一电流命令并且还基于马达电感、马达电路电阻和马达速率来确定第一电压命令；
使用所述第二电流命令并且还基于所述马达电感、所述马达电路电阻和所述马达速率来确定第二电压命令；以及
将所述第一电压命令和所述第二电压命令相加。
9.根据权利要求8所述的方法，其中产生电压命令还包括：
确定与所述马达的反电动势对应的第三电压命令；以及
将所述第一电压命令、所述第二电压命令和所述第三电压命令相加。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二电流命令(Idqp)用于单阶转矩波动。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二电流命令(Idqp)用于多阶转矩波动，所述电压命令同时补偿所述多阶转矩波动。
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