CN110620529B - 永磁直流电机的电流调节器 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于控制永磁直流(PMDC)电机的马达控制系统的技术方案。示例性马达控制系统包括一个或多个传感器，用于测量PMDC电机的输出电流。马达控制系统还包括电流调节器，电流调节器产生对应于输入电流命令的电压命令，用于使用PMDC电机产生一定量的转矩。电流调节器包括电流命令补偿器，其基于由电流调节器接收的输入电流命令产生第一电压命令。电流调节器还包括反馈补偿器，其基于由一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令。电流调节器还包括加法器，其被配置为通过将第一电压命令和第二电压命令相加来产生电压命令。

Description

永磁直流电机的电流调节器

技术领域

本申请一般性地涉及用于永磁直流(PMDC)电机的电流调节器的操作的改进，特别是用于改进使用PMDC马达驱动器(例如电动转向(EPS)系统)的系统的系统动态响应的调整。

背景技术

PMDC电机广泛用于EPS系统中。采用这种电机的电驱动系统需要较少的传感器和相对低成本的电子电路，并且仍然能够在整个操作空间内提供良好的性能。

PMDC电机的转矩控制通常通过利用电流测量的电流调节间接执行。而稳态电流跟踪通常可以通过使用作用于电流误差的比例积分(PI)控制器来实现，电流控制系统的动态性能不令人满意。

发明内容

根据一个或多个实施例，示例性马达控制系统包括用于测量PMDC电机的输出电流的一个或多个传感器。马达控制系统还包括电流调节器，其产生对应于输入电流命令的电压命令，用于使用PMDC电机产生转矩量。电流调节器包括电流命令补偿器，其基于由电流调节器接收的输入电流命令产生第一电压命令。电流调节器还包括反馈补偿器，其基于由一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令。电流调节器还包括加法器，其被配置为通过将第一电压命令和第二电压命令相加来产生电压命令。

根据一个或多个实施例，用于控制永磁直流(PMDC)电机的操作的方法包括：使用一个或多个传感器测量PMDC电机的输出电流。该方法还包括由电流调节器响应于接收输入电流命令产生电压命令，以及将电压命令施加到PMDC电机以产生对应于输入电流命令的转矩量。产生电压命令包括由电流命令补偿器基于由电流调节器接收的输入电流命令产生第一电压命令。产生电压命令还包括由反馈补偿器基于由一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令。产生电压命令还包括由加法器通过将第一电压命令和第二电压命令相加产生电压命令。

在一个或多个实施例中，一种转向系统包括：永磁直流(PMDC)马达，以及用于测量PMDC马达的输出电流的一个或多个传感器。转向系统还包括产生电压命令的马达控制系统，电压命令施加到PMDC马达以产生转矩量。马达控制系统包括电流调节器，其接收输入电流命令，电压命令与输入电流命令对应。马达控制系统包括电流命令补偿器，其基于输入电流命令产生第一电压命令。马达控制系统还包括反馈补偿器，其基于由一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令。马达控制系统还包括通过将第一电压命令和第二电压命令相加来产生电压命令的加法器。

通过以下结合附图的描述，这些和其他优点和特征将变得清楚。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护本发明的主题。根据以下结合附图的详细描述，本公开的上述和其他特征、优点将变得清楚，其中：

图1是根据一个或多个实施例的电动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执行PMDC电机的转矩(和电流)控制的马达控制系统的架构的框图；

图3描绘了根据一个或多个实施例的提供两自由度(2DOF)反馈电流控制的马达控制系统的架构的框图；

图4描绘了根据一个或多个实施例的由上述等式表示的PMDC电机的被控对象模型的框图；

图5描绘了根据一个或多个实施例的功率转换器的操作模型；

图6描绘了根据一个或多个实施例的1DOF马达控制系统的操作数据流的框图；

图7描绘了描绘根据一个或多个实施例的2DOF马达控制系统的操作数据流的框图；

图8描绘了根据一个或多个实施例的使用预补偿器的2DOF马达控制系统的具体配置；

图9描绘了根据一个或多个实施例的使用参考前馈补偿器的2DOF马达控制系统的另一种配置；

图10描绘了根据一个或多个实施例的使用状态反馈补偿器的2DOF马达控制系统的另一配置；

图11描绘了根据一个或多个实施例的使用基于观察器的干扰补偿器的马达控制系统的框图；

图12描绘了根据一个或多个实施例的具有状态反馈以及基于观察器的干扰补偿的电流调节器的框图；

图13描绘了根据一个或多个实施例的一阶传递函数系统的框图；

图14描绘了根据一个或多个实施例的二阶传递函数系统的框图；

图15描绘了根据一个或多个实施例的n阶传递函数系统的框图；

图16描绘了根据一个或多个实施例的三阶传递函数系统的框图；

图17描绘了根据一个或多个实施例的使用预补偿器块的具有二阶闭环传递函数响应的控制系统。

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组合和/或进一步细区。

PMDC电机的转矩控制通常通过利用电流测量的电流调节间接地执行。虽然通常通过使用作用于电流误差的比例积分(PI)型控制器来实现稳态电流跟踪，但电流控制系统的动态性能可能还是不令人满意。由于PMDC电机的非线性(这是由于电刷压降和由于工况变化引起的电机参数变化等因素造成的)，提供动态响应更加复杂。典型的电流控制设计无法通过电机的操作空间保持一致的电流控制频率响应，并且也没有足够的自由度来改变响应特性(例如，能够实现特定的电流响应形状，例如二阶传递函数响应)。本文描述的技术方案解决了这些技术挑战。

本文描述的技术方案有助于马达控制系统的两自由度(2DOF)反馈电流控制架构。进一步，描述了2DOF马达控制系统的具体配置，以便于将闭环电流控制系统配置成不同的响应特性，具有额外的能力来在稳健性、干扰抑制和噪声传播特性等性能参数之间进行权衡。本文描述的具体配置进一步便于使得控制系统的可调谐性更容易实现，从而减少了用户(例如技术人员或任何其他人员)使用马达控制系统调谐系统中的电流控制回路所花费的时间。例如，用于PMDC电机的马达控制系统可以是电动转向(EPS)系统、水泵、工业皮带、自动扶梯、或使用PMDC的任何其他此类系统的一部分。

现在参考附图，其中将参考特定实施例描述本公开，但不限制于此，应当理解，所公开的实施例仅仅是对本公开的说明，本公开可以以各种和替代的形式实施。这些附图不一定按比例；某些特征可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。

图1是电动转向系统(EPS)40的示例性实施例，电动转向系统(EPS)40适于实施所公开实施例。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)。随着操作员输入，在下文中表示为方向盘26(例如，手持式方向盘等)转动，上转向轴29转动，下转向轴51通过万向接头34连接到上转向轴29，转动小齿轮。小齿轮的旋转移动齿条，这使得横拉杆38(仅示出一个)移动进而移动转向节39(仅示出一个)，其转动可转向车轮44(仅示出一个)。

电动转向辅助通过一般性地由附图标记24表示的控制装置提供，其包括控制器16和电机19，电机19可以是永磁DC马达，并且在下文中表示为马达19。控制器16由车辆电源10通过线路12供电。控制器16从车辆速度传感器17接收表示车辆速度的车辆速度信号14。通过位置传感器32测量转向角，位置传感器32可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其他合适类型的位置传感器，并向控制器16提供位置信号20。马达速度可以用转速计或任何其他器件测量，并作为马达速度信号21传输到控制器16。可以测量、计算(或其组合)表示为ω_m的马达速度。例如，马达速度ω_m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ω_m可以通过等式ω_m＝Δθ/Δt被确定为马达位置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度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感测设备都是足够的。响应于各种输入，控制器向电动马达19发送命令22，电动马达19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。

它应当注意，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，本文参考包括但不限于马达的电机，以下为了简洁和简单起见，将仅对马达进行参考而不进行限制

在所示的控制系统24中，控制器16利用转矩、位置和速度等来计算命令，以传送所需输出功率。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(在这种情况下，例如，提供给马达19)。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19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，以产生命令22。或者，在一个或多个示例中，控制器24在前馈控制模式下操作以产生命令22。因为这些电压与马达19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。位置编码器输出指示转向轴51的角位置从而指示马达19的角位置的位置信号20。

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，其可以响应于被配置为提供指示施加的转矩的响应的柔性扭杆、T形杆、弹簧或类似装置(未示出)。

在一个或多个示例中，温度传感器23位于电机19处。优选地，温度传感器23被配置为直接测量马达19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、速度信号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，得到可在本文所述算法中用于处理的转子位置值、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，以实现从通信接口准确采样和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。

图2描绘了根据一个或多个实施例的执行PMDC电机的转矩(和电流)控制的马达控制系统的架构的框图。所示的马达控制系统100被示出为控制PMDC马达19，其可以被认为/可以不被认为是马达控制系统100的一部分。此外，描绘了在马达19上测量输出电流(I_a)的电流测量传感器17。通过使用电流测量的反馈电流调节来实现PMDC马达19的转矩控制。例如，来自EPS系统40的请求转矩命令(T_c)由电流命令发生器110转换成等效的电流命令。在一个或多个示例中，电流命令发生器110使用在电流命令发生器110中预编程的电机的模型(和附加的电源管理功能)。因此，电流命令发生器110产生相应的电流命令(I_c)，该电流命令被发送到电流调节器120。

电流调节器120作用于电流命令(I_c)和测量的电流(I_a)，以产生电压命令(V*)，通过功率转换器电路130将其转换成电压，其使用脉冲宽度调制(PWM)方案将电压命令V施加到PMDC电机19的端子。然后，PMDC电机19产生实际电流(I_a)并因此产生电磁转矩(T_e)。产生的电流(I_a)通过电流测量传感器17电路感测，然后反馈到电流调节器120，以便执行上述的反馈电流控制。

通常，补偿器，例如仅作用于电流误差的比例积分(PI)控制器被用作用于实现反馈电流控制的调节器120。这种补偿器称为一自由度(IDOF)补偿器，因为只处理电流误差以产生控制信号(电压命令V*)。因此，马达控制系统100的调谐能力是有限的。

本文描述的技术方案通过提供额外的自由度(例如，通过分别处理电流命令(I_c)和测量的电流信号(I_a))来解决本文描述的技术挑战。上述情况中的一个或多个实施例可以提供两自由度(2DOF)反馈电流控制架构。

图3描绘了根据一个或多个实施例的提供两自由度(2DOF)反馈电流控制的马达控制系统的架构的框图。如图所示，电流调节器120包括干扰补偿器210、命令补偿器220和测量补偿器230以及其他模块和组件。这些模块中的每一个分别对至电流调节器120的输入信号的各个分量进行操作以产生电压命令V*。命令补偿器220对由电流命令发生器110产生的输入电流命令I_c进行操作。测量补偿器230对来自电流传感器17的测量电流信号I_a进行操作。此外，干扰补偿器对马达控制系统100的电路的估计干扰d进行操作。补偿器210、220和230中的每一个产生相应的电压命令分量，它们被加在一起(240)以产生电压命令V*。

在EPS系统40的情况下，被控对象是PMDC电机19的电子子系统，其控制方程由下式给出。

T_e＝K_ei_a

这里，Ke、R和L分别是马达BEMF常数、电阻和电感。此外，v、i_a和T_e是马达19的电压输入、电流和电磁转矩，电刷压降项v_B是非线性的并且被计算为，

其中项σ(i_a)指的是电流的符号。量V₀和I₀是函数的状态变量。马达19的电参数，即反EMF常数或转矩常数K_e、电阻R和电感L动态地变化，即使变化很慢，也与马达19的工况一致。

例如，对于给定磁体温度θ_Tm的参数变化的控制方程是

这里变量γ_Ke是考虑磁饱和的比例因子，并且是马达电流(I_a)的函数，常数α_M是马达19中使用的永磁材料的热系数。

此外，马达19的电感由下式总结。

L＝γ_LL_n

其中，变量γ_L是用于基于马达19的磁饱和特性的电感的缩放因子，并且是马达电流(I_a)的函数，

更进一步地，马达电路电阻由下式给出。

R＝R_FET(1+α_Si(θ_TSi-θ_n))+R_m(1+α_Cu(θ_TCu-θ_n))

应该注意的是，上述等式仅给出了马达电路的电阻而不是马达绕组的电阻。进一步，虽然此后未明确说明，但应该理解的是，采用上述参数变化模型来实时连续估计马达参数，这实现了对各种信号的估计的改进。

当设计马达控制系统100时，为了克服上述运行方程中的非线性，在一个或多个示例中，非线性刷降项可被线性化，并且可以采用分段观测器结构。或者，可以将刷降与BEMF一起归到总扰动项d中。因此，电机(被控对象)模型的传递函数表示由下式给出。

V(s)＝P(s)I_a(s)+D(s)

＝(Ls+R)I_a(s)+D(s)

图4描绘了根据一个或多个实施例的由上述等式表示的PMDC电机的被控对象模型的框图。如图所示，被控对象(块420)产生用于接收电压命令的输出电流(Ia)，其是输入电压命令和由干扰项d(块410)引起的干扰分量(V_dist)之和(块430)。使用状态空间表示的上述模型的另一种表示由下式给出。

图5描绘了根据一个或多个实施例的功率转换器的操作模型。图5中的块510描绘了在给定来自功率调节器120的输入电压命令V*的情况下功率转换器130如何为马达19产生电压命令V的数学模型。功率转换器的效果是实际电压由于电压转换操作的离散性质而被延迟。该时间延迟可以被建模为T_d的传输滞后，这通常是PWM周期T_p(PWM频率f_p的倒数)的整数倍。另外，由功率转换器130引入的非线性在影响电流控制设计方面不是很重要，并且使用目前已知的电压补偿技术得到克服。因此，功率转换器130的模型包括传输延迟，可以使用适当阶(order)的Pade近似将其建模为传递函数。例如，第一阶Pade近似如下给出。

图6描绘了根据一个或多个实施例的lDOF马达控制系统的操作数据流的框图。在图中，块610表示电流调节器120，块620表示功率转换器130和马达19的电气被控对象模型。块610接收电流误差(I_e)，它是输入电流命令(I_c)和测量的电流(I_m)之间的差值。这里，在块630，测量的电流(I_m)被示为输出电流(I_a)被一个附加的噪声分量(I_noise)修改。输出电流(I_a)被示为由块620产生为来自电流调节器块610的电压命令V*的结果。块620接收电压命令V*，通过功率转换器模型510将其转换为电压命令V。进一步。干扰项d使电压命令V改变了在块430处添加的干扰电压分量V_dist。由于接收到受干扰的电压命令，被控对象模型420产生输出电流(I_a)。

虽然这种补偿器(在图6中)确保稳态电流命令跟踪，但它们的动态性能可能不令人满意，特别是由于系统参数的时间变化以及由于缺乏调谐灵活性以优化跟踪以及干扰抑制响应。

图7描绘了描绘根据一个或多个实施例的2DOF马达控制系统的操作数据流的框图。如前所述，马达控制系统100包括2DOF电流调节器120，其包括分别用于命令电流、测量的电流和干扰项的独立补偿器210、220和230。在图7中，块710表示干扰补偿器210，块720表示命令补偿器220，块730表示测量补偿器230。块710提供的干扰补偿可以是前馈性质的，或基于观测器的干扰补偿。

2DOF电流调节器120的电压命令输出为如下。

V^*＝V_D+V_C+V_H

＝DX+RI_C+HI_m

其中频率项S被省略。这里，X是一般信号或一组信号，它们可以表示预测的前馈项或另一个控制器(例如干扰观测器)的输出。这里，V_D由干扰补偿器块710产生，V_c由命令补偿器块720产生，V_H由测量补偿器块730计算。随后在块740相加所得到的电压命令输出以产生由功率转换器接收的电压命令V*。应当注意，在一个或多个示例中，块610可以被表示为仅包括用于命令补偿器220和测量补偿器230的块720和730，而块710在调节器块610外部。

图8描绘了根据一个或多个实施例的使用预补偿器的2DOF马达控制系统的具体配置。该图示包括到目前为止讨论的马达控制系统100的块，以及另外包括预补偿器810。预补偿器810对电流命令(I_C)补偿器进行操作，其结果用于通过减去测量的电流(I_m)来计算电流误差(I_e)。然后，电流调节器610接收电流误差(I_e)。预补偿器810的操作包括改变输入信号，在这种情况下使用增益因子B改变电流命令，增益因子B可以是动态可调节的函数(例如，动态传递函数)。在所描绘的示例中，电流调节器610是典型的1DOF补偿器。此外，在该配置中，干扰电压(V_D)在740处加入。因此，具有预补偿器810的电流调节器610的电压命令可表示如下。

V^*＝DX+C(BI_c-I_m)

＝DX+CBI_c-CI_m

因此，在图8的配置中，电流命令和测量的电流是可以用于通过控制C和B(＝2DOF)来调整电流调节的单独参数。

图9描绘了根据一个或多个实施例的使用参考前馈补偿器的2DOF马达控制系统的另一种配置。该图示包括到目前为止讨论的马达控制系统100的块，其中电流调节器220是典型的IDOF补偿器块610，其接收电流误差I_e，并产生相应的电压命令分量。此外，该配置包括接收电流命令I_c的电流命令补偿器块720，其产生相应的电压命令分量。此外，在740，由干扰d引起的电压命令分量(V_D)与来自补偿器610和命令补偿器720的电压命令分量相加，以产生电压命令V*。

该电流调节器的电压命令可以表示为如下。

V^*＝DX+RI_c+C(I_c-I_m)

＝DX+(R+C)I_c-CI_m

因此，在图9的配置中，电流命令和测量的电流是可以用于通过控制C和R(＝2DOF)来调整电流调节的单独参数。

图10描绘了根据一个或多个实施例的使用状态反馈补偿器的2DOF马达控制系统的另一种配置。该图示包括到目前为止所讨论的马达控制系统100的块，其中电流调节器220是典型的1DOF补偿器块610，其接收电流误差I_e，并产生相应的电压命令分量。此外，该配置包括接收测量的电流I_m的测量电流补偿器块730，其产生相应的电压命令分量。进一步，在740处，由干扰d引起的电压命令分量(V_D)与来自补偿器610和测量电流补偿器730的电压命令分量相加，以产生电压命令V*。

该调节器结构的电压命令可以表示如下。

V^*＝DX+C(I_c-I_m)+HI_m

＝DX+CI_c+(H-C)I_m

因此，在图10的配置中，电流命令和测量的电流是可用于通过控制C和H(＝2DOF)来调整电流调节的单独参数。

应注意，上述配置是示例，在一个或多个实施例中，可以改变本文描述的一个或多个补偿器的配置以产生与本文明确描述的那些不同的电压命令。这些不同的配置允许控制系统设计者更直观地实现各个补偿器。

在一个或多个示例中，可以改变附加的调谐变量，以便对PMDC电机的不同应用执行响应优化。以下描述描述了一个或多个实施例，其中利用产生目标闭环传递函数的上述一些结构，其产生至少预定水平的跟踪、干扰抑制以及噪声传输特性。

图11描绘了根据一个或多个实施例的使用基于观察器的干扰补偿器的马达控制系统的框图。该图示不包括到目前为止已描述的所有块，相反，图11描绘了电压命令分量V₀作为输入提供给块740，V₀包括来自马达控制系统100中的其他补偿器的分量。此外，功率转换器和被控对象块被描绘为描绘由基于观察器的干扰补偿器使用的环路，该干扰补偿器包括第一矩阵块1110和第二矩阵块1120。这里，观察器被建模为双输入单输出传输矩阵，具有分别由第一传递函数块111和第二传递函数块1120所示的矩阵的各个元素。干扰估计则可以如下表达。

V_D＝M_yI_m+M_xV^*

这里，M_x和M_y是表示观察器动态的传递函数，通常包含估计的马达/控制参数以及观察器的增益。

应当注意，在此配置中被控对象模型是一“有效的被控对象”，必须通过设计控制并包含产生V₀的补偿器。通过添加各个补偿器，电压到电流环的动态特性改变了。例如，在上述基于观测器的干扰补偿器的情况下，电压V₀至实际电流I_a的有效动态特性改变了。接着，确定有效被控对象的传递函数(忽略延迟)。描述系统响应的传递函数如下。

I_a＝L_pfV₀+L_nfI_noise+L_dfV_dist

L_pf＝(I+PN(I+M_x)^-1M_y)^-1PN(I+M_x)^-1

L_nf＝-(I+PN(I+M_x)^-1M_y)^-1PN(I+M_x)^-1M_y

L_df＝(I+PN(I+M_x)^-1M_y)^-1P

这里L_pf代表有效被控对象传递函数。通过设置N(s)≈1并假设不同的实际和估计参数，获得有效被控对象传递函数如下。

这里x是观察器增益比例因子，它决定了与被控对象动态特性相比观察器动态特性的速度。注意，针对当观察器增益被配置为比被控对象极点快x倍的比例因子(scalarfactor)时的情况，示出了用于获得L_pf的最终观察器传递函数。在等式中，“帽符号”(^)表示估计的参数值。如果假设参数准确，即实际和估计参数相等，则有效被控对象传递函数如下。

有效被控对象不会从其原始形式改变。原始被控对象仍可用于开发产生V₀的补偿器。添加干扰补偿器的优点是干扰抑制特性得到改进而不会影响被控对象动态特性。可以获得有效干扰抑制传递函数L_df如下。

可以使用参数进一步如下表达有效干扰抑制传递函数。

使用上述的表达，通过改变x可以改变电流控制系统的干扰抑制特性而不影响被控对象动态特性。

在从此开始的描述中，扰动补偿器210被认为是存在于电流控制环中，即使没有明确示出也是如此，但是应该理解，所描述的技术方案也可适用并可延伸到其它配置。

接下来的几个电流控制设计的目标是获得特定的闭环传递函数阶数。为此，选择具有状态反馈配置的基本电流调节器(图10)，并且根据估计的电机参数获得各个补偿器传递函数。在实时操作中，参数可以是考虑不同的非线性(例如温度变化、磁饱和等)主动估计的参数。

图12描绘了根据一个或多个实施例的具有状态反馈以及基于观测器的干扰补偿的电流调节器的框图。该配置的传递函数如下给出。

I_a＝T_aI_c+T_nI_noise+T_dV_dist

T_a＝(I+PN(I+M_x)^-1(M_y+C-H))^-1PN(I+M_x)^-1C

T_n＝(I+PN(I+M_x)^-1(M_y+C-H))^-1PN(I+M_x)^-1(H-C-M_y)

T_d＝(I+PN(I+M_x)^-1(M_y+C-H))^-1P

为了获得闭环电流控制传递函数T_a的特定传递函数阶数，状态反馈补偿器H(s)(块730)被设置为-R₀并且前向路径误差补偿器C(s)(块610)是PI控制器。R₀是可以调谐/校准的值。由此，获得并简化传递函数T_a(假设准确的参数估计)如下。

为了获得具有特定带宽ω_b的一阶闭合环路响应，可以如下设置各个增益。

在这种情况下，参数R₀和ω_b是基于期望性能的输入，而PI增益是使用参数和实时估计的电机参数在线计算的。应当注意，变量R₀和ω_b可以被设计为其他信号的函数，以获得性能增强。有了这些设置，闭环传递函数变为如下。

图13描绘了根据一个或多个实施例的一阶传递函数系统的框图。此外，在此设置/配置中，干扰抑制传递函数(忽略干扰补偿)变为如下。

因此，通过调谐R₀可以进一步改进干扰抑制特性，而不影响闭环传递函数。这里提到的项R₀是“虚拟电阻”项，其虽然没有明确显示，但是是得到有效被控对象传递函数的一个状态反馈项。虚拟电阻作为额外的电阻项被添加到被控对象矩阵中。因此，在本文描述的实施例中，获得一阶传递函数用于电流调节。

为获得二阶闭环传递函数，可以用不同方式挑选各种补偿器。例如，考虑分别对反馈补偿器730和电流调节器610使用以下传递函数。

这里ω_n和ζ表示二阶传递函数的期望固有频率和阻尼比。因此，在这种情况下，前向路径补偿器610是纯积分控制器并且状态反馈补偿器730是增益，其被设置为上面的值(在线计算)。

图14描绘了根据一个或多个实施例的二阶传递函数系统的框图。可以看出，电流调节器610和反馈补偿器730被修改为使用上述传递函数来使用二阶传递函数调整电流调节。通过改变固有频率(ω_n)和阻尼比(ζ)来调谐电流调节器610。马达参数估计用于计算控制器增益/参数，其包括可调参数，例如固有频率和阻尼比。

可以进一步修改电流调节器以获得n阶传递函数。图15描绘了根据一个或多个实施例的n阶传递函数系统的框图。如图所示，该配置使用不同的配置用于前向路径补偿器610，如图15所示。控制系统I 00使用多个可调参数来获得期望的特定阶数。例如，对于n阶响应，电流调节器至少具有n个可调参数。在这种情况下，期望的传递函数具有如下所示的形式。

可以确定各个参数以获得例如如下响应。

作为一个示例，使用上述设计以获得三阶传递函数，如图16所示。在这种情况下，闭环传递函数获得如下。

其中可以选择K_i、α₁、R₀以便在任何期望的位置放置极点。如果所有极点都放在相同的位置，比如s＝-ω，那么可以比较期望的特性和实际多项式以找到可调参数。

通过比较两侧，可以通过以下等式确定三个参数。

应当注意，如果n阶闭环响应除了n个极点之外还需要具有一定数量的零，则可选择不同类型的C(S)(块610)。

本文描述的上述实施例用于其中反馈补偿器包括在电流回路中以提供2DOF电流控制架构的配置。作为2DOF电流控制架构的另一个示例，使用具有预补偿器配置(图8)的电流控制器获得二阶闭环传递函数响应。

图17描绘了根据一个或多个实施例的使用预补偿器块的具有二阶闭环传递函数响应的控制系统。在这种情况下，如下选择预补偿器(B(s))810和前向路径补偿器(C(s))610。

应该注意，本文描述的等式使用“s”，其表示连续时间(与离散时间相对而言)中的微分运算，为简单起见，描述补偿器的一个或多个传递函数。因为补偿器的实现通常在数字控制器中完成，所以使用离散时间数学执行计算。因此，对于离散时间实现，可以用导数算子的适当估计或近似来代替s，可以用

表示。注意，可以通过使用诸如双线性变换的任何公知的变换方法的从模拟(连续时间)到数字(离散时间)域的转换，或者通过使用各种数字滤波器设计技术在离散时间内直接设计补偿器等等，来执行补偿器的离散时间实现。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本公开，但应容易理解，本公开不限于这些公开的实施例。相反，可以修改本公开以包含此前未描述但与本公开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，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但是应该理解，本公开的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些或各种实施例的组合。因此，本公开不应被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于永磁直流PMDC电机的马达控制系统，所述马达控制系统包括：

一个或多个传感器，用于测量PMDC电机的输出电流；以及

电流调节器，被配置为响应于接收到输入电流命令而产生电压命令，所述电压命令被施加到所述PMDC电机以产生对应于输入电流命令的转矩量，所述电流调节器包括：

电流命令补偿器，被配置为基于由电流调节器接收的输入电流命令产生第一电压命令；

反馈补偿器，被配置为基于由所述一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令；以及

加法器，被配置为通过将第一电压命令和第二电压命令相加来产生所述电压命令，

其中，基于电流命令补偿器的第一传递函数和反馈补偿器的第二传递函数来调谐电流调节器的传递函数响应的阶数，

其中，所述电流命令补偿器的第一传递函数设置为

R₀和ω_b是输入，

是马达控制系统的估计的阻值，/>

是马达控制系统的估计的电感，并且ω_b是电流调节器的预定带宽。

2.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，电流命令补偿器利用输入电流命令和由所述一个或多个传感器测量的输出电流之间的差值产生所述第一电压命令。

3.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述电流调节器还包括：

干扰补偿器，被配置为基于前馈干扰产生第三电压命令；以及

所述加法器，被配置为通过进一步加上所述第三电压命令来产生所述电压命令。

4.根据权利要求1所述的马达控制系统，还包括：

功率转换器，被配置为从电流调节器接收电压命令，并且基于预定频率为PMDC电机产生脉宽调制电压信号。

5.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，反馈补偿器的第二传递函数被设置为-R₀，R₀是作为输入接收的可配置值。

6.一种用于控制永磁直流PMDC电机的操作的方法，所述方法包括：

使用一个或多个传感器测量PMDC电机的输出电流；以及

由电流调节器响应于接收到输入电流命令来产生电压命令，并且将电压命令施加到PMDC电机，以产生对应于输入电流命令的转矩量，产生电压命令包括：

由电流命令补偿器基于由电流调节器接收的输入电流命令产生第一电压命令；

由反馈补偿器基于由所述一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令；以及

由加法器通过将第一电压命令和第二电压命令相加产生所述电压命令，

其中，基于电流命令补偿器的第一传递函数和反馈补偿器的第二传递函数来调谐电流调节器的传递函数响应的阶数，

其中，所述电流命令补偿器的第一传递函数设置为

R₀和ω_b是输入，

是PMDC电机的估计的阻值，/>

是PMDC电机的估计的电感，并且ω_b是电流调节器的预定带宽。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，使用输入电流命令和由所述一个或多个传感器测量的输出电流之间的差值产生所述第一电压命令。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，产生所述电压命令还包括：

由干扰补偿器基于前馈干扰产生第三电压命令；以及

由加法器通过进一步加上第三电压命令来产生所述电压命令。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：

由功率转换器从所述电流调节器接收电压命令，并且基于预定频率为PMDC电机产生脉宽调制电压信号。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，反馈补偿器的第二传递函数被设置为-R₀，R₀是作为输入接收的可配置值。

11.一种转向系统，包括：

永磁直流PMDC马达；

一个或多个传感器，用于测量PMDC马达的输出电流；

马达控制系统，被配置为产生电压命令，所述电压命令施加到PMDC马达以产生转矩量，所述马达控制系统包括：

电流调节器，被配置为接收输入电流命令，电压命令与输入电流命令对应，其中，所述电流调节器包括：

电流命令补偿器，被配置为基于输入电流命令产生第一电压命令；

反馈补偿器，被配置为基于由所述一个或多个传感器测量的输出电流产生第二电压命令；以及

加法器，被配置为通过将第一电压命令和第二电压命令相加来产生所述电压命令，

其中，基于电流命令补偿器的第一传递函数和反馈补偿器的第二传递函数来调谐电流调节器的传递函数响应的阶数，

其中，所述电流命令补偿器的第一传递函数设置为

R₀和ω_b是输入，

是马达控制系统的估计的阻值，/>

是马达控制系统的估计的电感，并且ω_b是电流调节器的预定带宽。

12.根据权利要求11所述的转向系统，其中，电流命令补偿器利用输入电流命令和由所述一个或多个传感器测量的输出电流之间的差值产生所述第一电压命令。

13.根据权利要求11所述的转向系统，其中，所述马达控制系统还包括：

干扰补偿器，被配置为基于前馈干扰产生第三电压命令；以及

所述加法器，被配置为通过进一步加上所述第三电压命令来产生所述电压命令。

14.根据权利要求11所述的转向系统，还包括：

功率转换器，被配置为从电流调节器接收电压命令，并且基于预定频率为PMDC马达产生脉宽调制电压信号。

15.根据权利要求11所述的转向系统，其中，反馈补偿器的第二传递函数被设置为-R₀，R₀是作为输入接收的可配置值。

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