CN110365268B - 马达控制系统中的转矩波动补偿 - Google Patents

马达控制系统中的转矩波动补偿 Download PDF

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Abstract

根据一个或多个实施例，提供转矩波动补偿的马达控制系统包括接收对应于输入转矩命令的第一电流命令的电流调节器。电流调节器还使用第一变换矩阵基于第一电流命令生成第一电压命令。电流调节器还接收与要补偿的转矩波动相对应的第二电流命令。电流调节器还使用第二变换矩阵基于第二电流命令生成第二电压命令。电流调节器使用第一电压命令和第二电流命令进一步计算最终电压命令，最终电压命令被施加到马达。

Description

马达控制系统中的转矩波动补偿
技术领域
本申请一般性地涉及马达控制系统，并且特别涉及在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，其中复杂性被引入诸如功率转换器和电机的各种部件中，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，可以使用电流调节器来操作使用永磁同步电机(PMSM)的电机，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)分布而产生有序跟踪的转矩波动(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性导致转矩波动。另外，在PMSM的驱动系统中也存在受控的感应寄生转矩。
这种转矩波动进一步导致PMSM的NVH特性恶化。超过期望阈值水平的NVH性能可能引起操作者的不适，例如，如果PMSM是转向系统、车辆、家用电器或任何其他系统的一部分，甚至使系统不可操作。此外，NVH可导致系统和/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
针对永磁同步电机的转矩波动最小化描述了技术方案。这里描述的技术方案有助于补偿器设计以最佳地跟踪脉动电流命令。此外，本文描述的技术方案有助于将基本电流调节与用于转矩波动补偿的电压产生解耦。此外，根据本文描述的技术方案，补偿器提供稳态下脉动电流的零稳态跟踪。此外，这里描述的技术方案提供用于脉动电流命令的d/q轴电流控制回路解耦。
根据一个或多个实施例，提供转矩波动补偿的马达控制系统包括接收对应于输入转矩命令的第一电流命令的电流调节器。电流调节器还使用第一变换矩阵基于第一电流命令产生第一电压命令。电流调节器还接收与要补偿的转矩波动相对应的第二电流命令。电流调节器还使用第二变换矩阵基于第二电流命令产生第二电压命令。电流调节器使用第一电压命令和第二电流命令进一步计算最终电压命令，最终电压命令施加到马达。
根据一个或多个实施例，一种方法包括在马达控制系统中提供转矩波动补偿。转矩波动补偿包括接收对应于输入转矩命令的第一电流命令。转矩波动补偿还包括使用第一转换矩阵基于第一电流命令产生第一电压命令。转矩波动补偿还包括接收与要补偿的转矩波动相对应的第二电流命令。转矩波动补偿还包括使用第二变换矩阵基于第二电流命令产生第二电压命令。转矩波动补偿还包括使用第一电压命令和第二电流命令计算最终电压命令，最终电压命令被施加到马达。
根据一个或多个实施例，转向系统包括马达和通过执行方法提供转矩波动补偿的处理器。该方法包括在马达控制系统中提供转矩波动补偿。转矩波动补偿包括接收对应于输入转矩命令的第一电流命令。转矩波动补偿还包括使用第一转换矩阵基于第一电流命令产生第一电压命令。转矩波动补偿还包括接收与要补偿的转矩波动相对应的第二电流命令。转矩波动补偿还包括使用第二变换矩阵基于第二电流命令产生第二电压命令。转矩波动补偿还包括使用第一电压命令和第二电流命令计算最终电压命令，最终电压命令被施加到马达。
根据一个或多个实施例，一种转向系统包括：马达；以及处理器，通过执行包括以下步骤的方法提供转矩波动补偿：接收对应于输入转矩命令的第一电流命令；使用第一变换矩阵基于所述第一电流命令生成第一电压命令；接收与要补偿的转矩波动相对应的第二电流命令；使用第二变换矩阵基于所述第二电流命令生成第二电压命令；使用所述第一电压命令和所述第二电流命令计算最终电压命令，所述最终电压命令被施加到马达。
根据一个或多个实施例，所述处理器通过使用不同于所述第二变换矩阵的所述第一变换矩阵来解耦用于所述输入转矩命令的电压命令生成与用于所述要补偿的转矩波动的电压生成。
根据一个或多个实施例，所述处理器将用于对应于所述第二电流命令的脉动电流命令的d/q轴电流控制回路解耦。
根据一个或多个实施例，所述第二电流命令(Idqp)用于单阶转矩波动。
根据一个或多个实施例，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。
因此，这里描述的技术方案解耦用于基本命令跟踪和转矩波动补偿的补偿器。此外，根据本文描述的技术方案的补偿器对于跟踪纹波补偿是最佳的，因为它们在感兴趣的频率下(对于目标谐波)提供零稳态误差，并且对于脉动电流命令解耦d/q轴电流回路。此外，本文描述的技术方案促进多个离散时间实现，以提供设计者在性能和复杂性之间进行选择的能力。
从结合附图的以下描述，这些和其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
在说明书结论的权利要求中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。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显而易见，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包括转矩波动补偿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描绘了典型的转矩波动补偿架构。；
图5描绘了根据一个或多个实施例的补偿技术的框图；
图6描绘了根据一个或多个实施例的开环和闭环传递函数的频率响应图。
图7描绘了根据一个或多个实施例的用于提供用于转矩波动补偿的控制方案的整体传递矩阵框图；以及
图7描绘了根据一个或多个实施例的使用两个积分器的离散化技术的框图。
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，诸如专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)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组合和/或进一步分区。
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是适合于实施所公开实施例的电动转向系统(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)。当操作者输入(下文称为转动轮26(例如手持式方向盘等))转动时，上转向轴29转动，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。小齿轮的旋转移动齿条，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转动可转向轮44(仅示出一个)。
电动助力转向辅助装置通过总体上由附图标记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速信号14。通过位置传感器32测量转向角度，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传输到控制器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，可以根据等式ωm＝Δθ/Δt将马达速度ωm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函数的众所周知的方法。
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可包括扭杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，其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传感设备都是足够的。响应于各种输入，控制器向电动马达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，尽管通过参考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，这些参考仅是说明性的，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，本文的参考和描述可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，本文对电机的参考包括但不限于马达，以下为了简洁和简单起见，将仅对马达进行参考而没有限制。
在如图所示的控制系统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，在本例子中例如提供给马达46。控制器16被配置为从逆变器(未示出)产生相应的电压，其可以可选地与控制器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24在反馈控制模式下操作，作为电流调节器，以生成命令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。位置编码器输出表示转向轴51的角位置的位置信号20，从而输出马达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传输指示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和来自其的转矩信号18，其可以响应于柔性扭杆、T形杆、弹簧或被配置为提供指示施加的转矩的响应的类似装置(未示出)。
在一个或多个示例中，温度传感器23位于电机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传输温度信号25到控制器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生成对应于得到可用于本文所述算法中的处理转子位置值、马达速率值和转矩值的每个信号的值。诸如上述的测量信号也根据需要被共同线性化、补偿和滤波，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，以及因此的计算(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、存储设备、寄存器、定时、中断、通信接口和输入/输出信号接口等、以及包含至少一种前述的组合。例如，控制器16可以包括输入信号处理和滤波，以实现从通信接口的这种信号的准确采样和转换或获取。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，因为这些机器由于气隙周围的磁通量的非正弦反电动势(BEMF)分布而产生有序跟踪的转矩波动(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情况会导致转矩波动。此外，在驾驶系统中也可存在受控的感应寄生转矩。如前所述，这种转矩波动通过使马达控制系统的NVH特性恶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，最小化可以是被动的，其中机器设计本身保持非理想性低。或者，可以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这种技术，其中控制器16采用反馈控制来执行PMSM 46的电流控制，因为反馈控制提供所需水平的电流跟踪、干扰抑制和可调谐性。这种解决方案通常注入适当量的电流，该电流产生与机器的实际转矩波动异相的脉动转矩。到目前为止提出的技术集中在确定用于补偿转矩波动的脉动电流命令，然后将其作为叠加命令发送到前馈或反馈电流控制器。这些电流控制器设计的目标是跟踪DC信号，不适合跟踪脉动命令。这些控制器的跟踪性能会降低运行条件，特别是在较高速度时更是如此。
本文描述的技术方案解决了关于在跟踪脉动电流命令时提供转矩波动补偿的技术挑战。此外，本文描述的技术方案有助于同时DC和脉动电流跟踪。
当控制器16使用反馈控制来对PMSM 46进行电流控制时，本文描述的技术方案进一步有助于改善NVH性能。此外，本文描述的技术方案无论操作条件如何都促进基本上零电流跟踪误差，从而改善整个系统的整体NVH性能。
图2描绘了根据一个或多个实施例的包括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、生成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。控制模块16通过逆变器122连接到马达46。
如图所示，控制器16包括电流命令生成器110，其在马达速率(ωm)和DC链路电压(VDC)(未示出)的特定操作条件下生成用于给定(平均)转矩命令(Tc)的电流命令(Idqr)。。这里，Idqr包括d轴分量(Id)和q轴分量(Iq)。任何已知技术可用于电流命令生成，以优化用于PMSM控制的参考电流的适当选择。然后将d/q轴中的电流命令发送到电流调节器120。电流调节器120将输入电流命令转换成电压命令(Vdqr)，然后通过逆变器122将其施加到马达46上。在一个或多个示例中，也可以使用PWM转换器(未示出)。
为了执行转矩波动补偿，响应于来自转矩波动补偿命令生成块130的补偿命令，由脉动电流命令动态补偿模块140在d/q轴中注入附加脉动电流信号(Idqp)。附加脉动电流信号(Idqp)被加到基本电流命令(Idqr)。转矩波动补偿模块130生成补偿命令，该补偿命令在d/q轴上生成相应的附加脉动电流信号(Idqp)。补偿命令基于检测转向系统40的齿条上的齿条力的脉动(TP)。脉动电流信号(Idqp)通常通过实验确定并且具有预先配置的预定值(不是根据脉动动态生成的)。在添加脉动命令之前，通常执行预补偿以考虑控制(和机器)相关的带宽限制。电流调节器120接收与转矩波动补偿命令(Idqp)对应的脉动电流信号，并在生成电压命令(Vdqr)时将脉动电流信号加到基本电流命令(Idqr)。
此外，实际(输出)电流(Idqa)由电流测量和滤波系统150测量，并且测量的电流(Idqm)被反馈到电流调节器120。
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部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)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次数。首先离线确定要补偿的转矩波动的数据，然后将该数据加载到控制器16中的每个阶次的查找表中。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d和/或q轴电流命令。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计算。或者，在一个或多个示例中，离线执行计算，并且确定的转矩波动值的相应d/q轴值存储在另一个查找表中，可通过转矩波动查找142访问。使用机器模型计算d/q轴电流值，使得当提供给PMSM 46时产生抵消机器的实际转矩波动的脉动转矩。
此外，幅度和相位校正146补偿额外的影响，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。通过根据输入到控制模块16的操作条件(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 BDA0002007470840000101
Figure BDA0002007470840000102
Figure BDA0002007470840000103
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)，Te是电磁马达转矩(以Nm为单位)。马达参数在运行期间(实质性地)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有5-20％的变化，Ke有15-20％的变化。例如，R随构建和温度而变化，Ld，Lq由于饱和而变化(即，作为Iq和Id的函数)，并且Ke由于饱和(作为Iq的函数)和温度而变化。应当注意，转矩方程是非线性的，并且表示通过利用来自永磁体的磁场产生的转矩和转子凸极(Ld和Lq之间的差)和Iq和Id的预定值产生的磁阻转矩之和。
频域中的机器模型可以如下编写。
Vd＝(Lds+R)Id+ωeLqIq
Vq＝(Lqs+R)Iq-ωeLdId+Keωm
上述模型代表典型的PMSM机器，并且未描述脉动部件。马达电动速率ωe等于极对数
Figure BDA0002007470840000111
乘以马达机械速率ωm。
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都出现，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 BDA0002007470840000112
其中Tp是脉动转矩并且按阶次跟踪到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 BDA0002007470840000113
其中n是谐波次数，θ是电气位置，Tn，φn分别是该谐波次数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 BDA0002007470840000114
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的和，其作为输入被发送到电流调节器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，可以注入d和q轴电流两者中的脉动分量以补偿转矩波动。电流调节器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描绘了典型的转矩波动补偿架构。这里，预补偿器(RB)410施加到脉动命令。脉动命令Idqp现在表示为IP。在420处，补偿的脉动电流信号(IP0)与基准(参考)电流命令(IR)相加。在一个或多个示例中，在420处，系统的输出电流(IM)(例如，在马达46两端测量)被反馈到系统。从基准电流命令脉冲电流信号的总和中减去反馈的测量电流。
得到的电流命令IE由补偿器430补偿以生成输出电流IA。通常取决于马达速度，通过一种或多种已知技术执行补偿。因此，如图4中的典型架构所示，对于转矩脉冲补偿马达控制系统，从参考电流命令(IR)到实际电流(IA)(即测量电流(IM))的闭环传递矩阵(T)可以表示如下。
IA＝T(IR+RBIp)＝TIR+TRBIP
传递矩阵T包括四个单独的传递函数，如下所示。
Figure BDA0002007470840000121
通常，预补偿器RB 410被选择为如上所述的基本电流控制闭环传递矩阵的函数。
Figure BDA0002007470840000122
因此，转矩波动跟踪传递矩阵(T)变为统一的并确保所需的跟踪。然而，在实践中，获得
Figure BDA0002007470840000123
是困难的(因为它必须通过实验确定)并且通常在标称操作条件下确定，这可以与实际使用中的那些不同。此外，如前所述，对于转矩波动补偿问题，仅针对阶次跟踪的谐波。因此，仅补偿具有等于马达速率ωe的整数倍的频率的某些特定转矩波动分量。由于马达的非正弦反电动势(BEMF)产生有问题的转矩波动含量，其通常是第六电阶的倍数，即6ωe，12ωe等，因此在这些频率处的脉动电流需要被注入。
本文描述的技术方案的实施例提供补偿器设计，其作用于基础转矩波动补偿电流命令(IR)并且甚至在存在时间延迟的情况下也可以跟踪脉动参考。这种补偿器可以与原始基本调节器并行放置，该基本调节器用于跟踪基本电流命令以产生平均转矩。由本文描述的技术方案的实施例提供的补偿方案有助于移除预补偿块410，因为无论控制结构或被控对象的其余部分的动态如何都实现了脉动命令跟踪。应该注意，通过适当调谐补偿器参数来确保系统的稳定性。
图5描绘了根据一个或多个实施例的补偿技术的框图。图5中描绘的电流调节器120的架构解决了本文所述的技术挑战并且有助于跟踪转矩脉动。通过使用单独的补偿器、用于脉动电流信号(IP)的第一补偿器410和用于基本电流命令(IR)的第二补偿器530来解决技术挑战。可以使用相应的传递矩阵单独配置每个补偿器。
组合在一起的两个传递矩阵总体上为电流调节器120提供电流控制传递矩阵，并且在这种情况下可以表示如下：
IA＝TNCIR+TNRIP；其中TN＝(P-1-H+MR+C)-1
这里，P 510表示被控对象/系统的模型，H 520表示基于输出电流IA的反馈电压估计，M是测量的电流IM，C是用于将基本电流命令转换成相应电压的传递矩阵。
因此，可以单独配置用于基本电流命令(C)和脉动电流命令(R)的两个传递矩阵。这里，如已知的那样配置C，以生成对应于基本电流命令(IR)的第一电压命令VC。在一个或多个示例中，基于电流命令IE生成VC，电流命令IE通过从参考电流命令IR中减去测量的电流IM的反馈来计算。为VC添加VP(在540处)，其中VP由第一补偿器410基于脉动电流信号(IP)生成。
第一补偿器R(s)410被选择为包括比例谐振(PR)控制器，因为积分器跟踪阶跃输入，因为它在s＝0的频率下提供无限的开环增益。此外，内部模型原理规定，如果使用在需要跟踪的频率处具有无限开环增益的控制器来代替积分器，则稳态误差为零。这种控制器通常被称为谐振控制器，有时被称为“广义积分器”。用作第一补偿器410的矢量比例积分(VPI)控制器通过使用如下的传递函数被配置为一种PR控制器。
Figure BDA0002007470840000141
因此，控制器在s＝±jω0的频率下具有无限的开环增益。在解耦控制配置中，任一电流回路中的“有效”被控对象510具有如下的传递函数。
Figure BDA0002007470840000142
VPI控制器的增益设置如下。
Figure BDA0002007470840000143
Figure BDA0002007470840000144
开环传递函数可以表示如下。
Figure BDA0002007470840000145
由此产生的闭环传递函数可以表示如下。
Figure BDA0002007470840000146
为VC添加VP(在540处)，其中由第一补偿器410基于脉动电流信号(IP)生成VP。此外，添加反馈电压VH(在550处)以生成电压VR，其被施加到被控对象510(马达)。反馈电压VH基于测量/输出电流IM。在一个或多个示例中，还在生成电压命令时添加基于反emf的调节(560)(在550处)。这里，基于缩放电动机速率示出了反emf调节，然而，可以执行任何其他类型的反emf调节。此外，示出了将VC转换为VR的逆变器模型(570)。
在一个或多个示例中，还从脉动电流信号IP中减去测量的电流IM。此外，在一个或多个示例中，电流测量和滤波系统150(M)可以调节提供的反馈电流以调节脉动电流信号IP。例如，电流测量和滤波系统150可以使用单位矩阵作为变换矩阵，使得测量的电流IM用于调整脉动电流信号IP。在这种情况下，在没有任何滤波(调节)的情况下反馈测量的电流。或者，电流测量和滤波系统150可以使用任何其他变换矩阵(非单位矩阵)，使得用于调节脉动电流信号IP的反馈电流不同于用于调节基本电流命令IR的测量电流IM。
因此，对脉动电流信号和基本电流命令执行单独的补偿，以跟踪由转矩波动引起的基于阶次的正弦命令。应当注意，PR控制器不需要物理解耦补偿器来跟踪基于阶次的正弦命令，并且这里所做的假设仅为了简化本文技术方案的描述。在一个或多个示例中，可以编程/配置单个补偿器，使得其对单独的电流命令部件执行单独的补偿。
图6描绘了根据一个或多个实施例的开环(G(s))610和闭环(T(s))620传递函数的频率响应图。所描绘的频率响应图是针对示例场景的，并且应当理解，频率响应图可以在一个或多个示例中变化。
根据本文描述的技术方案的一个或多个实施例，PR控制器的谐振频率可以是6ωe，12ωe等、或任何阶跟踪器频率nωe，其中n是任意整数。
图7描绘了根据一个或多个实施例的用于提供用于转矩波动补偿的控制方案的整体传递矩阵框图。在该图中，未示出电流测量和滤波系统，因为它被配置为使用单位矩阵。在两个电流回路中采用两个PR控制器，用于对每个被补偿的谐波次数进行转矩波动补偿。因此，所描绘的架构可以有效地与通过同时注入d轴和q轴电流来执行纹波补偿的系统一起工作。此外，需要基础(DC)PI型调节器和PR之间的一部分协调量。在一个或多个示例中，PR控制器在零速度下无效，因此，当系统接近预定的最小值ωe时，其输出斜降至零(并且其最小频率范围受限)。此外，PR控制器的增益可以在机器参数方面简化如下。
Figure BDA0002007470840000161
Figure BDA0002007470840000162
ωdqr项是谐振控制器的带宽等效项(对于基本PI型控制器)。因为PR控制器只能在谐振频率下产生所需的频率响应，所以使用具有预翘曲的双线性变换来执行离散化，其中临界频率设置为谐振频率，如下所示。
Figure BDA0002007470840000163
在一个或多个示例中，该离散化技术在计算上可能是复杂的，尤其对于具有有限计算资源的PR控制器。因此，可以替代地使用使用两个积分器的计算上有效的技术。
描述了用于永磁同步机器的转矩波动最小化的技术解决方案。本文描述的技术方案有助于补偿器设计以最佳地跟踪脉动电流命令。此外，本文描述的技术方案有助于将基本电流调节与用于转矩波动补偿的电压生成解耦。此外，根据本文描述的技术方案，补偿器提供稳态下脉动电流的零稳态跟踪。此外，本文描述的技术方案提供用于脉动电流命令的d/q轴电流控制回路解耦。本文描述的技术方案进一步促进多个离散时间实现，以提供设计者在性能和复杂性之间进行选择的能力。本文描述的技术方案实际上可以在若干系统中实现，例如受转矩波动补偿影响的马达控制系统。作为一个可能的示例，本文在转向系统的背景下描述了转矩波动补偿马达控制系统的使用。
本技术方案可以是任何可能的技术细节集成级别的系统、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(或介质)，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，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/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的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实现方式中，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/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中框的组合可以由执行特定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实现。
还应当理解，本文示例的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，也可以是可访问的或可连接至此。可以使用可以由这样的计算机可读介质存储或以其他方式保持的计算机可读/可执行指令来实现本文描述的任何应用或模块。
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所描述的实施例中的一些。因此，技术方案不应被视为受前述描述限制。

Claims (14)

1.一种提供转矩波动补偿的马达控制系统，所述马达控制系统包括：
电流调节器，配置为：
接收对应于输入转矩命令的第一电流命令；
接收与待补偿的转矩波动相对应的第二电流命令；
接收测量的电流；
基于所述测量的电流确定第一反馈电流；
使用第一补偿器传递矩阵基于所述第一电流命令和测量的电流生成第一电压命令；
使用第二补偿器传递矩阵基于所述第二电流命令和所述第一反馈电流并基于马达电感、马达电路电阻和马达速率生成第二电压命令，其中
所述第二补偿器传递矩阵包括至少一个谐振控制器，所述至少一个谐振控制器在与待补偿的转矩波动相应的频率下具有无限增益；
使用所述第一电压命令和所述第二电压命令计算最终电压命令，所述最终电压命令被施加到马达，其中所述第一电压命令被加到所述第二电压命令。
2.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提供对应于所述转矩波动的脉动电流命令的跟踪。
3.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述电流调节器通过使用不同于所述第二补偿器传递矩阵的所述第一补偿器传递矩阵，来解耦用于所述输入转矩命令的电压命令生成与用于所述待补偿的转矩波动的电压生成。
4.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述电流调节器被配置为将用于对应于所述第二电流命令的脉动电流命令的d/q轴电流控制回路解耦。
5.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中由所述电流调节器生成电压命令包括：
使用所述第一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确定所述第一电压命令。
6.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中生成所述最终电压命令还包括：
确定对应于所述马达的反电动势的第三电压命令；以及
添加所述第一电压命令、所述第二电压命令和所述第三电压命令。
7.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。
8.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，所述第二电压命令同时补偿所述多阶转矩波动。
9.根据权利要求1所述的马达控制系统，还包括：
电流测量和滤波系统，被配置为：
在生成所述第一电压命令之前从所述第一电流命令中减去所述第一反馈电流；以及
在生成所述第二电压命令之前计算从所述第二电流命令中减去的第二反馈电流。
10.一种方法，包括：
在马达控制系统中提供转矩波动补偿，所述转矩波动补偿包括：
接收对应于输入转矩命令的第一电流命令；
接收与待补偿的转矩波动相对应的第二电流命令；
接收测量的电流；
基于所述测量的电流确定第一反馈电流；
使用第一补偿器传递矩阵基于所述第一电流命令和测量的电流生成第一电压命令；
使用第二补偿器传递矩阵基于所述第二电流命令和所述第一反馈电流并基于马达电感、马达电路电阻和马达速率生成第二电压命令，其中所述第二补偿器传递矩阵包括至少一个谐振控制器，所述至少一个谐振控制器在与待补偿的转矩波动相应的频率下具有无限增益；
使用所述第一电压命令和所述第二电压命令计算最终电压命令，所述最终电压命令被施加到马达，其中所述第一电压命令被加到所述第二电压命令。
11.根据权利要求10所述的方法，其中电流调节器通过使用不同于所述第二补偿器传递矩阵的所述第一补偿器传递矩阵，来解耦用于所述输入转矩命令的电压命令生成与用于所述待补偿的转矩波动的电压生成。
12.根据权利要求10所述的方法，其中电流调节器被配置为将用于对应于所述第二电流命令的脉动电流命令的d/q轴电流控制回路解耦。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二电流命令(Idqp)用于单阶转矩波动。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二电流命令(Idqp)用于多阶转矩波动，所述第二电压命令同时补偿所述多阶转矩波动。
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