CN111030522A - 电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

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CN111030522A CN201911282871.6A CN201911282871A CN111030522A CN 111030522 A CN111030522 A CN 111030522A CN 201911282871 A CN201911282871 A CN 201911282871A CN 111030522 A CN111030522 A CN 111030522A
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李运生
邓海燕
陈晶杰
田丰
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    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
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    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
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    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
    • B60T8/1755—Brake regulation specially adapted to control the stability of the vehicle, e.g. taking into account yaw rate or transverse acceleration in a curve

Abstract

本发明公开了一种电机控制系统包括：电机驱动模块输出电机驱动电压；电机模型模块根据目标转速计算电机实际转速和电机实际电流，并根据实际转速计算所需的电机控制电压和采样中断时间；以及，根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；电机控制模块每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号到电机驱动模块和反电势采样模块，收到反电势采样中断信号时停止输出电机驱动电压，并持续Tbreak时间；反电势采样中断信号输出同时，反电势采样模块在计时Twait时间之后，进行电机电压采样。本发明还公开了一种电机控制方法。本发明能够使电机控制不再受制于反电势采样频率和占空比限制。

Description

电机控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种用于车身稳定系统直流有刷电机的电机控制系统。本发明还涉及一种用于车身稳定系统直流有刷电机的电机控制方法。
背景技术
车身稳定系统(ESC)由控制器和阀块、电机组成，阀块上有两个进油口，分别与制动主缸的两个腔联通，另外有四个出油口，分别与四个车轮的制动轮缸联通，参考图1所示。车身稳定系统(ESC)的主要工作原理是，根据驾驶员输入(制动踏板、方向盘转角)、以及传感器信号(主缸压力、轮速、加速度、横摆角速度)判断车辆稳定性，当车辆临近失稳状态时，ESC通过控制阀块里面的电磁阀和直流有刷电机，实现四个车轮制动液压力的独立控制，使车辆保持稳定行驶。因此，对于车身稳定系统来说，直流有刷电机的控制是至关重要的一个环节。
通常来说，车身稳定系统对直流有刷电机控制的要求是能够实现转速控制，为了能够实现电机的转速控制，必须实现电机反电势的采样。传统的车身稳定系统电机转速控制基于反电势采样估算实际转速，然后使用PID控制器根据实际转速和目标转速来计算控制的占空比，实现转速闭环控制。但是由于反电势采样误差以及噪音的影响，实际转速的计算偏差和噪音都很大，造成电机转速控制误差和抖动很大，从而影响车身稳定系统系统液压力控制精度，车身稳定系统系统的NVH(Noise噪声、Vibration振动和Harshness声振粗糙度)也难以优化。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明要解决的技术问题是提供一种既能够适应传统的电机低频控制，又能解决电机高频控制反电势难以采样问题，使电机控制不再受制于反电势采样频率和占空比限制的电机控制系统。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种既能够适应传统的电机低频控制，又能解决电机高频控制反电势难以采样问题，使电机控制不再受制于反电势采样频率和占空比限制的电机控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的电机控制系统，包括：
电机驱动模块，其适用于根据电机模型模块输出的电机控制电压和采样时间输出电机驱动电压；
电机模型模块，其适用于根据电机实际转速和电机实际电流计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
以及，适用于根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；
电机控制模块，其适用于每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号到电机驱动模块和反电势采样模块，收到反电势采样中断信号时，电机驱动模块停止输出电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；
反电势采样中断信号输出同时，反电势采样模块在计时Twait时间之后，进行电机电压采样；
反电势采样模块，其适用于电机电压采样。
可选择的，进一步改进所述的电机控制系统，所述电机为直流有刷电机。
可选择的，进一步改进所述的电机控制系统，所述电机控制系统用于车身稳定系统。
可选择的，进一步改进所述的电机控制系统，所述电机驱动模块输出PWM波驱动电机驱动电路输出电机驱动电压。
可选择的，进一步改进所述的电机控制系统，所述电机驱动电路包括：
电源，其正极通过负载连接开关器件输入端，其负极连接地；
开关器件，其输出端分别连接电机和续流器件；
续流器件，其另一端连接地。
可选择的，所述开关器件是MOSFET，所述负载是电阻，所述续流器件是二极管。
可选择的，进一步改进所述的电机控制系统，电机模型模块通过下述公式计算电机控制电压和采样时间；
Figure BDA0002317238730000031
Uctrl是电机控制电压，U′ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
可选择的，进一步改进所述的电机控制系统，电机模型模块通过下述公式计算电机实际转速和电机实际电流；
Figure BDA0002317238730000032
其中，
Figure BDA0002317238730000033
ωest是电机实际转速，Iest是电机实际电流，n是时间步，
Figure BDA0002317238730000034
是电机角加速度，M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间。
本发明提供一种电机控制方法，包括：
根据输出的电机控制电压和采样时间输出电机驱动电压波形；
根据电机实际转速和电机实际电流计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
或，根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；
每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号，收到反电势采样中断信号时停止电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；
反电势采样中断信号输出同时，在计时Twait时间之后，进行电机电压采样。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，该电机控制方法用于直流有刷电机。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，该该电机控制方法用于车身稳定系统。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，该所述电机驱动电压由电机通过PWM波驱动电机驱动电路的开关器件通断形成。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，通过下述公式计算电机控制电压和采样时间；
Figure BDA0002317238730000041
Uctrl是电机控制电压，U′ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，通过下述公式计算电机实际转速和电机实际电流；
Figure BDA0002317238730000042
其中，
Figure BDA0002317238730000043
ωest是电机实际转速，Iest是电机实际电流，n是时间步，
Figure BDA0002317238730000044
是电机角加速度，M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间。
本发明工作原理如下：
直流有刷电机的驱动通过PWM波驱动MOSFET开关通断，产生如图2所示的驱动电压波形；
根据目标转速计算电机实际转速和电机实际电流，并根据实际转速计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
实际控制电压的计算可以根据直流电机方程：
Figure BDA0002317238730000045
U′ctrl是电机控制电压，R是电机电阻值，i是电机电流，ω是转速,M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，
Figure BDA0002317238730000046
是电机角加速度；结合比例控制方法计算得到对应目标转速下的控制电压为：
Uc'trl＝Ritgt+kωtgt+kip(itgt-iest)+kωp(ωtgt-ωest)
itgt是目标电流、ωtgt是目标转速、kip是关于电流的比例系数，iest是实际电流、kωp是关于转速的比例系数，ωest是实际转速；
其中，目标电流为：
Figure BDA0002317238730000051
再考虑到反电势中断采样的影响，实际控制电压计算为：
Figure BDA0002317238730000052
Uctrl是电机控制电压，U′ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
根据输入的控制电压发出实际控制的PWM给到硬件驱动电路产生电机驱动电压；同时，每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号，收到反电势采样中断信号时停止电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；反电势采样中断信号输出同时，在计时Twait时间之后，进行电机电压采样(此时采样的结果就是电机的反电势)。在Tbreak时间结束之后，电机驱动模块恢复对电机的驱动，仍然按照电机模块的控制电压指令进行电机驱动。
根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；首先，根据实际采样的反电势对模型估算的上一周期电机转速进行修正，并修正当前周期实际负载扭矩：
Figure BDA0002317238730000053
λω是电机转速滤波系数，λM是电机负载扭矩滤波系数，Us是电机反电势，Mest是电机负载扭矩；
通过对电机模型微分方程进行积分计算当前周期的实际转速：
Figure BDA0002317238730000061
其中，
Figure BDA0002317238730000062
完成电流和转速的计算，整个控制逻辑形成了闭环。
本发明能够满足车身稳定系统系统电机控制对反电势采样的需求，既能够适应传统的点击低频控制方法，更能够解决电机高频控制反电势难以采样的问题，这一方法能够使电机控制不再受制于反电势采样带来的频率和占空比限制，给车身稳定系统系统NVH问题的解决提供了更多空间。
附图说明
本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是车身稳定系统结构示意图。
图2是驱动电压波形示意图。
图3是本发明电机控制系统第一实施例控制原理示意图。
图4是本发明电机驱动电路结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。应当理解的是，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。不同的是，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。
参考图3所示，本发明提供的电机控制系统第一实施例，包括：
电机驱动模块，其适用于根据电机模型模块输出的电机控制电压和采样时间输出电机驱动电压；
电机模型模块，其适用于根据电机实际转速和电机实际电流计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
以及，适用于根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；
电机控制模块，其适用于每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号到电机驱动模块和反电势采样模块，收到反电势采样中断信号时，电机驱动模块停止输出电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；
反电势采样中断信号输出同时，反电势采样模块在计时Twait时间之后，进行电机电压采样；
反电势采样模块，其适用于电机电压采样。
其中，T＝Twork+Tbreak，Tbreak＝Twait+Tsampling,T是采样周期，Twork是电机驱动电压工作时长，Tbreak是中断时长，即停止输出电机驱动电压时长，Twait是反电势采样等待时长，Tsampling是反电势采样时长。
可选择的，所述电机控制系统用于车身稳定系统的直流有刷电机。
其中，所述电机驱动模块输出PWM波驱动电机驱动电路输出电机驱动电压，所述电机驱动电路，如图4所示，包括：
电源，其正极通过电阻连接开关器件输入端，其负极连接地；
MOSFET，其输出端分别连接电机和二极管；
二极管，其阳极连接地。
以NMOS为例，NMOS漏极为输入端，源极连接电机和二极管阴极。
可选择的，电机模型模块通过下述公式计算电机控制电压和采样时间；
Figure BDA0002317238730000081
Uctrl是电机控制电压，U′ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
可选择的，电机模型模块通过下述公式计算电机实际转速和电机实际电流；
Figure BDA0002317238730000082
其中，
Figure BDA0002317238730000083
ωest是电机实际转速，Iest是电机实际电流，n是时间步，
Figure BDA0002317238730000084
是电机角加速度，M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间。
本发明提供的电机控制方法第一实施例，包括：
根据输出的电机控制电压和采样时间输出电机驱动电压波形；
根据电机实际转速和电机实际电流计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
或，根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；
每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号，收到反电势采样中断信号时停止电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；
反电势采样中断信号输出同时，在计时Twait时间之后，进行电机电压采样。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，该电机控制方法用于直流有刷电机。
可选择的，进一步改进所述的电机控制方法，该该电机控制方法用于车身稳定系统。
可选择的，该所述电机驱动电压由电机通过PWM波驱动电机驱动电路的开关器件通断形成。
可选择的，通过下述公式计算电机控制电压和采样时间；
Figure BDA0002317238730000091
Uctrl是电机控制电压，U′ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
可选择的，通过下述公式计算电机实际转速和电机实际电流；
Figure BDA0002317238730000092
其中，
Figure BDA0002317238730000093
ωest是电机实际转速，Iest是电机实际电流，n是时间步，
Figure BDA0002317238730000094
是电机角加速度，M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间。
除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：
电机驱动模块，其适用于根据电机模型模块输出的电机控制电压和采样时间输出电机驱动电压；
电机模型模块，其适用于根据目标转速计算电机实际转速和电机实际电流，并根据实际转速计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
以及，适用于根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；
电机控制模块，其适用于每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号到电机驱动模块和反电势采样模块，收到反电势采样中断信号时，电机驱动模块停止输出电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；
反电势采样中断信号输出同时，反电势采样模块在计时Twait时间之后，进行电机电压采样；
反电势采样模块，其适用于电机电压采样。
2.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机为直流有刷电机。
3.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机控制系统用于车身稳定系统。
4.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机驱动模块输出PWM波驱动电机驱动电路输出电机驱动电压。
5.如权利要求4所述的电机控制系统，其特征在于，所述电机驱动电路包括：
电源，其正极通过负载连接开关器件输入端，其负极连接地；
开关器件，其输出端分别连接电机和续流器件；
续流器件，其另一端连接地。
6.如权利要求5所述的电机控制系统，其特征在于：所述开关器件是MOSFET，所述负载是电阻，所述续流器件是二极管。
7.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：电机模型模块通过下述公式计算电机控制电压和采样时间；
Figure FDA0002317238720000011
Uctrl是电机控制电压，U’ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
8.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：电机模型模块通过下述公式计算电机实际转速和电机实际电流；
Figure FDA0002317238720000021
其中，
Figure FDA0002317238720000022
ωest是电机实际转速，Iest是电机实际电流，n是时间步
Figure FDA0002317238720000023
是电机角加速度，M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间。
9.一种电机控制方法，其特征在于，包括：
根据输出的电机控制电压和采样时间输出电机驱动电压波形；
根据目标转速计算电机实际转速和电机实际电流，并根据实际转速计算所需的电机控制电压和采样中断时间；
或，根据电机控制电压、负载扭矩和电机采样反电势计算获得电机实际转速和电机实际电流；
每隔Twork+Tbreak时间输出一个反电势采样中断信号，收到反电势采样中断信号时停止电机驱动电压，将电机驱动电压降至0V，并持续Tbreak时间；
反电势采样中断信号输出同时，在计时Twait时间之后，进行电机电压采样。
10.如权利要求9所述的电机控制方法，其特征在于：该电机控制方法用于直流有刷电机。
11.如权利要求9所述的电机控制方法，其特征在于：该电机控制方法用于车身稳定系统。
12.如权利要求9所述的电机控制方法，其特征在于：所述电机驱动电压由电机通过PWM波驱动电机驱动电路的开关器件通断形成。
13.如权利要求9所述的电机控制方法，其特征在于：通过下述公式计算电机控制电压和采样时间；
Figure FDA0002317238720000031
Uctrl是电机控制电压，U’ctrl是电机控制电压，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间，k是反电势系数，ωest是电机实际转速。
14.如权利要求9所述的电机控制方法，其特征在于：通过下述公式计算电机实际转速和电机实际电流；
Figure FDA0002317238720000032
其中，
Figure FDA0002317238720000033
ωest是电机实际转速，Iest是电机实际电流，n是时间步，
Figure FDA0002317238720000034
是电机角加速度，M是负载扭矩，R是电机电阻值，J是转动惯量，k是反电势系数，Tbreak是采样时间，Twork是电机工作时间。
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