CN110073590B - 用于电动机电路的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动机电路的控制系统包括电流控制器、观察器以及前馈控制器，所述电流控制器为电机电路产生理想化的电压需求的集合，所述观察器观察电机电路的输入和电机电路的输出，并且根据该观察生成电机电路内的电压扰动的估计值，所述观察器被布置用于输出指示电机电路中的电压扰动的第一校正信号，所述前馈控制器接收在电机电路中流动的电流的测量值或估计值作为输入，并根据输入计算第二校正信号。从观察器输出的第一校正信号和从前馈控制器输出的第二校正信号与从控制器输出的理想化的电压需求结合，以提供馈送到电机的修改的电压需求的集合。

Description

用于电动机电路的控制系统
本发明涉及用于电机电路的控制系统，其被布置成减小电动机电路中不想要的电压扰动的影响。本发明特别地但非排他地涉及用于控制作为电动助力转向装置的一部分的内置式永磁体的控制系统。
用于诸如电机电路或其它电动致动器之类的设备(plant)的闭环电流控制系统通常采用图1中示出的形式，其中，使用向量控制，需求电压VDQ被施加到电机10的每个相绕组，以及由电流测量电路来测量结果生成的电流iMotor。然后，测量的电流由电流控制器20(通常是PI控制器)用于将电机电流控制到所请求的目标电流。PI控制器的输入是目标需求电流iDQ与实际测量的电流之间的差。控制器的输出通常是电机需求电压VDQ的集合，其用于确定施加到电机驱动电路的驱动桥开关的PWM波形。还需要给出电机的电气位置的信号，以便可以在正确的时间在正确的相位施加电压。在图1的系统中，示出了位置传感器30，但是本发明同样适用于无位置传感器的系统，其中位置信号是从其它传感器测量值估计的。
众所周知，当电机正在旋转或被供应驱动电流时，某些电机类型会引入电噪声，作为电压扰动。噪声的一些关键来源是交叉耦合和反EMF，它们是诸如内置式永磁同步电机(IPMSM)之类的电机的固有特性。这些作为电机控制内的电压扰动。如果未充分补偿，这些电压扰动会严重降低控制的静态和动态性能。
根据第一方面，本发明提供了一种用于电动机电路的控制系统，该系统包括：
电流控制器，该电流控制器为电机电路产生理想化的电压需求的集合，
观察器，该观察器观察电机电路的输入和电机电路的输出，并且根据观察生成电机电路内的电压扰动的估计值，该观察器被布置用于输出指示电机电路中的电压扰动的第一校正信号，
前馈控制器，该前馈控制器接收电机中流动的电流的测量值或估计值作为输入，并根据输入计算第二校正信号，
以及补偿装置，该补偿装置将从观察器输出的第一校正信号和从前馈控制器输出的第二校正信号二者与从控制器输出的理想化的电压需求进行结合，以提供馈送到电机的修改的电压需求的集合。
理想化的电压需求指的是电压需求的集合，其中在完美的电机电路的情况下，所述电压需求的集合将使电机产生预确定的水平的转矩和速度。可以基于电机的理想物理参数来选择这些电压需求。
第一校正信号和第二校正信号可以包括电压，允许它们通过加法或减法简单地与理想电压需求结合。
本发明的控制系统提供了源于交叉耦合、反EMF、电气参数变化或不确定性以及其它未知来源等的电机电路(电机和电机驱动级以及可选地相关联的电机电流测量电路)中的电压扰动的补偿。根据本发明的控制系统因此可以被配置为在宽带宽上实现优异的扰动抑制并且提供对未知系统扰动的鲁棒性，从而为电机的精确和高度动态的控制提供重要贡献。
前馈控制器的输入可以包括由观察器产生的电机电流的估计值，其可以被表述为d轴电流估计值和q轴电流估计值。这与使用从电流传感器输出的电流的实际测量值相比是优选的，因为观察器估计值没有滞后，直接来自被馈送到观察器中的瞬时输入。
前馈控制器可以采用以以下方式限定的控制定律：基于以过程的数学模型的形式的关于过程的知识以及关于过程扰动的知识或者过程扰动的测量值，抵消电机和电机驱动器中的与交叉耦合和反EMF电压对应的扰动项。
前馈控制器可以额外地接收电机的角速度(或者机械角速度或者电角速度)的测量值作为输入。
前馈控制器基于使用由电机的模型设置的标称电感值的交叉耦合和反EMF电压的分析计算来操作。提供前馈补偿的好处包括能够在来自交叉耦合和反EMF的任何扰动影响电机输出之前补偿该扰动，因为可以对给定电机精确建模这些影响。但是，由于其基于分析模型和计算，因此在电机偏离电机的所建模的行为的情况下无法完全补偿。例如，实际系统中电机中的电感值随着影响所测量的电流的操作条件而变化，所以前馈控制的性能降低，从而导致过度或减少的补偿。因此，未补偿的电压扰动保持负面地影响电流控制。
申请人还已认识到，包括馈送到前馈控制器中的观察器克服了这些限制，因为该观察器能够根据输入和输出的观察来估计电机电路中正在发生什么，即使在这些参数没有被直接地测量或不可测量的情况下。
这允许控制系统附加地补偿：
-由于电气参数变化(电机电阻R、电机d轴电感Ld、电机q轴电感Lq、电机反EMF常数Ke)的电压扰动；以及
-其它潜在的电压扰动
直接从观察器提供额外的第二补偿项补偿了前馈控制器无法补偿的那些扰动。
观察器可以被布置成没有采样延迟地提供对未延迟的d轴和q轴电机电流的平滑估计。输入到前馈控制器的电机电流信号也可以从观察器提供，并且因此可以没有采样延迟。这优于从电流感测装置向前馈控制器提供电流测量值，所述电流感测装置通常将提供至少一个采样延迟。
观察器可以包括多个观察器电路，每个观察器电路观察电机的一个或多个参数。每个观察器电路可以包括具有积分器扰动模型的至少一个线性观察器。
观察器可以被合成为线性二次估计器(LQE)(或最优观察器)。这样的观察器可以被配置为提供对d轴和q轴电流的最优估计值，并基于控制输入和测量输出重建未知的电压扰动。
电机可以包括EPS系统的内置式永磁同步电机(IPMSM)。
控制系统的观察器可以被布置成从电流感测装置接收电流测量信号(一个或多个)，该电流感测装置被布置成产生指示电机中的电流的电流感测输出。
控制器、前馈控制器和观察器可以被布置成产生静止的参考系中的信号，该参考系可以是绕组的参考系并且被定义为例如α和β分量，但是优选地是其产生位于旋转参考系中的信号，该旋转参考系可以是转子的参考系，并且被定义为例如D轴和Q轴分量。
控制器可以包括PI控制器。
电机可以包括三相电机，并且可以提供包括单个电流传感器的电流感测装置。控制器可以被布置成生成针对电机的PWM电压需求信号，该信号包括PWM周期内的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的测量时间。这些时间将通常与第一时间段和第二时间段对应，在所述第一时间段中已知的是流过电流传感器的电流等于其中一相中的电流，在所述第二时间段中流过电流传感器装置的电流等于在不同的一相中流动的电流。然后可以容易地确定第三相中的电流，因为在电机中流动的电流之和必须等于零。
可替代地，电流感测装置可以包括多个电流传感器。对于三相电机，可以有三个电流传感器。这允许一次测量所有三相中的电流，去除了在每个周期中对特殊测量时间的需要。
电机可具有固定绕组和相对于绕组旋转的转子。电流感测装置可以包括电流传感器，该电流传感器被布置成测量电机绕组中的电流。电流可被测量为绕组的参考系中的两个分量。电流感测装置可以包括变换装置，该变换装置被布置成将所测量的电流变换到转子的参考系中，例如作为转矩生成的分量和非转矩生成的分量。
现在将仅参考附图以示例的方式描述本发明的优选实施例。
图1是用于电气设备(诸如电动机)的简单闭环电流控制系统的图；
图2是根据本发明的闭环电流控制系统的实施例的对应图；
图3是示出LQE设计的增强D轴电力设备模型的图；以及
图4是示出LQE设计的增强Q轴电力设备模型的图。
图2示出了根据本发明的闭环电机电流控制系统的实施例。在该示例中，电机100包括内置式永磁体电机，其形成电动助力转向系统的一部分。但是，本发明可以应用于除助力转向系统之外的其它电机类型和系统。
电流控制系统包括电流感测系统12和电流控制器14。电流感测系统12包括电流传感器，其布置成测量电机(其包括固定绕组)的三相中的电流iA、iB、iC，并且输出指示具有α和β分量的静止坐标中的电流向量的信号。电流感测系统还包括坐标变换电路，其被布置成将电流向量从静止参考系中的α和β分量转换成相对于固定绕组旋转的转子参考系中的定义电流向量的D分量iD和Q分量iQ，其中Q轴电流与D轴电流正交。
电流控制器14包括PI控制器16，其接收电流误差信号IDQerr作为主输入，该电流误差信号IDQerr是通过将所需求的电流IDS与实际电机电流的测量值或估计值结合而获得的。通常可以采用相电流测量的两种方法：
1.相电流传感器，其中电流测量装置被放置在每一相中。(对于三相系统，可只测量两相，因为可以从两个测量的相计算第三相)
2.单个电流传感器，其中在PWM占空比期间在具体点处测量DC链路中流动的电流，以允许计算三相中的电流。
在示例实施例中，使用单个电流测量传感器来测量电流。
PI控制器16包括输出以电压向量的形式的理想电机需求电压，具体地在该实施例中以D轴和Q轴电压需求信号VDQ的形式。控制器计算VDQ的值，该值减小电流误差IDQerr(理想地到零)，使得测量的电流向量接近需求的电流向量。如稍后将解释的，该理想的电压需求信号被进一步修改以产生实际电压需求信号，该实际电压需求信号将补偿电机和电机驱动中使其以非理想方式运行的扰动。
另一个变换电路(未示出)接收实际电压需求信号，并将其转换为输入到电机和驱动电路的α和β分量Vαβ。该示例中的驱动电路包括PWM驱动器或逆变器22，其被布置成控制多个开关以便将电压以PWM模式施加到电机的相绕组，该PWM模式在绕组中产生具有与电压需求向量对应的幅值和方向的净电压。开关可以被布置在如图3中示出的对于每个电机相具有顶部开关和底部的桥中。
将理想电机需求电压修改为控制系统内的实际电机需求电压由两个分开的子电路执行，这两个子电路一起工作以形成补偿系统。这两个子电路可以被分解成：
子电路1前馈控制18，用于交叉耦合和反emf电压补偿
子电路2包括线性观察器20的基于观察器的前馈控制，用于电压扰动补偿以及用于提供子电路1的输入。
这两个子电路分别产生第一校正信号Vdist,est和第二校正信号Vdist,est'。在使用中，从理想电压需求信号中减去第一校正信号，以基于电机100的预定义模型24补偿设备中的扰动。在具有与模型匹配的完美电机的理想操作条件下，这将移除大多数的(如果不是所有的)误差。但是，实际上一些误差将不被移除，因为电机不会完美地匹配模型。
从该修改的电压需求信号中减去第二补偿信号，以补偿设备中的扰动，从而校正前馈控制在非理想电机的情况下不能校正的误差。
前馈控制基于使用恒定的电感值和永磁体磁通值进行的交叉耦合和反emf电压的分析计算。因此，它提供了对于来自交叉耦合和反emf的标称电压扰动的高度动态补偿。实际上，前馈控制器根据模型猜测误差可能是什么，并生成合适的补偿电压。
在实际系统中，电感和永磁体磁通随操作条件(例如温度、负载)而改变，或者由于各部分之间的变化而具有某种变化。因此，误差被引入到前馈补偿，并且未经补偿的电压扰动保持负面地影响电流控制(即，前馈控制不鲁棒)。
可以通过具有积分器扰动模型的线性观察器来重建影响电流控制(例如，由于电气参数变化的误差)的剩余的电压扰动以及任何其它电压扰动的总和。从而，这些扰动对前馈控制变得可及并且可以立即被补偿。因此，确保了鲁棒性。
观察器的额外的好处是它提供了对未延迟的d轴和q轴电流信号的平滑估计。由于测量延迟一般而言限制前馈控制的性能(使用延迟的电流来计算交叉耦合和反emf电压给出了用于前馈控制的延迟的补偿项，并且从而导致特别是在高频的不精确的补偿)，通过使用来自观察器的未延迟的电流估计值作为前馈控制的输入，可以克服这个限制。从而，通过使用未延迟的电流估计值而不是测量的电流用于前馈控制，可以显著改善扰动补偿的带宽。
在控制方面，电机和电机驱动电路可以被认为是设备，并且可以在实际电压需求信号和从电机输出到电流传感器的电流信号的输入之间包括额外电路系统。该设备可以包括例如变换电路。
对于d轴和q轴，可以定义两个分开的电气设备模型。在这些模型中，交叉耦合和反emf电压被视为未知输入。从而，可以导出状态空间表示的完全线性的时间离散系统模型。
合适观察器的设计
观察器可以被合成为线性二次估计器(LQE)(或最优观察器)。它们提供了对d轴和q轴电流的最优估计，并基于电压控制输入和电流测量输出重建了未知的电压扰动。
考虑图3和图4，LQE设计的目标变得更清晰。设计的目标是在存在过程和测量噪声的情况下找到对系统设备状态和对未知扰动状态的最优估计值。例如，对于高水平的过程噪声w(k)和低水平的测量噪声v(k)，估计器可以更多地依赖于测量信号而不是用于状态估计的输入信号，并且反之亦然。
对于最优观察器的离散实现，可以选择电流估计器形式，其使用最近的测量样本来校正状态估计值。这种形式对于前馈控制的应用是优选的，因为它对未知扰动或测量误差提供最快的响应。
根据本文档的教导，技术人员读者将理解：实施例提供了一种被布置成为电流控制的内置式永磁同步电机(IPMSM)提供电压扰动补偿的电机控制器，尤其适合用于电动助力转向系统(EPS)。控制器在使用中可以补偿源自交叉耦合、反EMF、电气参数变化或不确定性以及其它未知来源的电压扰动。申请人已经理解：本发明的电压扰动补偿结合了前馈扰动补偿(高动态)和基于观察器的扰动补偿(鲁棒性)的优点，并且可以额外地提供其它协同优点。

Claims (1)

1.一种用于永磁同步电机的电动机电路的控制系统，所述系统包括：
电流控制器(14)，所述电流控制器为电机电路产生理想化的电压需求的集合，
观察器(20)，所述观察器观察所述电机电路的输入和所述电机电路的输出，并且根据观察生成所述电机电路内的电压扰动的估计值，所述观察器(20)被布置用于输出指示所述电机电路中的所述电压扰动的第一校正信号，
前馈控制器(18)，所述前馈控制器接收电机(100)中流动的电流的估计值作为输入，并根据所述输入计算第二校正信号，其中所述前馈控制器(18)额外地接收所述电机的角速度的测量值作为输入，其中所述角速度是机械角速度或者是电角速度，
以及补偿装置，所述补偿装置将从所述观察器(20)输出的所述第一校正信号和从所述前馈控制器(18)输出的所述第二校正信号二者与从所述控制器输出的所述理想化的电压需求结合，以提供馈送到所述电机的修改的电压需求的集合，
其中所述前馈控制器(18)的所述输入包括由所述观察器(20)产生的对未延迟的d轴和q轴电机电流的没有采样延迟的平滑估计。
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