CN111591340B - 扭矩波动补偿装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种扭矩波动补偿装置可以包括：扭矩测量单元，被配置为输出通过MDPS系统的扭矩传感器测量的扭矩；马达速度测量单元，被配置为输出通过MDPS马达的位置传感器测量的马达速度；控制单元，被配置为基于所述马达速度信息和测量的扭矩信息分别输出偏移信号和扭矩波动信号；和扭矩波动补偿单元，其被配置为合成从控制单元输出的多个扭矩波动信号，并且将扭矩波动补偿信号作为马达控制信号输出到所述MDPS马达，所述扭矩波动补偿信号用于补偿合成的扭矩波动信号。所述扭矩波动补偿装置能减小在驱动车辆的MDPS(马达驱动动力转向)系统的马达时出现的扭矩波动。

Description

扭矩波动补偿装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求根据于2019年2月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0020285号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的实施方式涉及扭矩波动(torque ripple)补偿装置和方法，更具体地，涉及一种用于减小在驱动车辆的MDPS(马达驱动动力转向)系统的马达时出现的扭矩波动的扭矩波动补偿装置和方法。
背景技术
车辆的MDPS系统使用辅助动力源提供一部分转向扭矩，驾驶员在转向车辆时需要将该部分转向扭矩施加于方向盘，从而使驾驶员能够容易地进行转向。
MDPS系统通过下述确定车辆的行驶条件：柱扭矩传感器，其配置为测量输入到方向盘的驾驶员的柱扭矩；转向角传感器，其配置为测量方向盘的转向角或转向角速度；以及车速传感器，其配置为测量车速；并且MDPS系统在驾驶员操作方向盘时基于应用到转向轴的柱扭矩通过电动马达(MDPS马达)提供辅助扭矩。
通常，MDPS马达作为3相AC马达而被实现，并且MDPS系统的电子控制单元(ECU)接收通过反馈输出到MDPS马达的三相中的电流，并通过比例积分(PI)控制来控制逆变器输出3相AC电流，以控制MDPS马达的驱动。但是，当驱动MDPS马达时，由于基于转子磁极数或定子槽数的机械结构，可能会发生扭矩波动或机械振动。由于这种马达扭矩波动降低了MDPS系统的NVH(噪声，振动，苛刻性(Harshness))性能，因此需要改进。
作为防止这种扭矩波动的方法，通常使用基于查找表补偿扭矩波动、使用系统传递函数和滤波器来补偿扭矩波动，或基于扭矩传感器补偿扭矩波动的方法。
但是，基于查找表的马达(MDPS马达)控制方法——其中通过特定离线实验提取的参数用于马达控制——可以轻松应用于MDPS马达控制，但是，存在这样的问题：参数提取可能需要单独的测试时间，并且由于系统分布而可能出现性能偏差。
此外，主动干扰补偿方法使用干扰观测器来估计和补偿在MDPS系统中发生的扭矩波动(机械振动)。干扰观测器使用滤波器和正常系统的逆传递函数来估计系统的集总干扰，并且干扰观测器的性能根据滤波器的设计而决定。此时，当将滤波器设计为低通滤波器来估计以三角函数形式生成的扭矩波动时，可能会发生幅度减小和相位延迟。
当如基于扭矩传感器的扭矩波动补偿方法中那样使用高通滤波器去除扭矩传感器的偏移时，需要额外的操作以校正高频信号的失真。此外，尽管执行了信号校正，但是可能难以恢复原始信号。此外，通过积分进行参数估计需要较长的收敛时间，并且需要附加的算法来阻止积分信号的发散。
因此，需要一种能够减少扭矩波动而不会引起上述问题的方法。
本公开的相关技术在2016年8月19日公开的标题为“用于车辆的MDPS系统和方法”的韩国专利申请公开号10-2016-0098890中公开。
发明内容
各种实施方式涉及一种扭矩波动补偿装置和方法，用于减小在驱动车辆的MDPS(马达驱动动力转向)系统的马达时出现的扭矩波动。
在一个实施方式中，扭矩波动补偿装置可以包括：扭矩测量单元，被配置为输出通过MDPS系统的扭矩传感器测量的扭矩；马达速度测量单元，被配置为输出通过MDPS马达的位置传感器测量的马达速度；控制单元，被配置为基于所述马达速度信息和所测量的扭矩信息分别输出偏移信号和扭矩波动信号；和扭矩波动补偿单元，被配置为合成从所述控制单元输出的多个扭矩波动信号，并且将扭矩波动补偿信号作为马达控制信号输出到所述MDPS马达，所述扭矩波动补偿信号用于补偿所合成的扭矩波动信号。
扭矩波动信号可以至少包括初级扭矩波动信号和次级扭矩波动信号。
控制单元可以包括：波动频率生成单元，被配置为利用所述马达速度产生扭矩波动频率；扭矩信号模型应用单元，被配置为通过将扭矩信号模型应用于所述扭矩波动频率来生成所述扭矩波动频率的扭矩波动估计信号；扭矩估计单元，被配置为从所述产生的扭矩波动估计信号估计波动扭矩，并输出所述估计扭矩；扭矩差计算单元，被配置为通过比较由扭矩估计单元估计的波动扭矩和由扭矩测量单元获取的测量扭矩来计算波动扭矩和测量扭矩之间的差；增益应用单元，被配置为将由增益设置单元设置的增益与所计算出的扭矩差相乘，并输出相乘结果；以及扭矩波动元件输出单元，被配置为将由所述增益应用单元而应用了所述增益的信号应用到所述估计信号，并生成包括所有扭矩波动元件的校正后的估计信号。
可以在每个指定的控制周期中采样并生成所测扭矩信号和波动频率。
扭矩信号模型可以是矩阵模型，并且可以根据在制作矩阵模型时设置的顺序来区分偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
扭矩波动元件可以包括偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
扭矩波动补偿装置可以将校正后的估计信号反馈到扭矩信号模型应用单元，以将校正后的估计信号反映到扭矩估计值的计算中。
在一个实施方式中，扭矩波动补偿方法可以包括：输出通过MDPS系统的扭矩传感器测量的扭矩；输出通过MDPS马达的位置传感器测量的马达速度；由控制单元基于马达速度信息和测量的扭矩信息分别输出偏移信号和扭矩波动信号；以及通过扭矩波动补偿单元合成从所述控制单元输出的多个扭矩波动信号，并且将扭矩波动补偿信号作为马达控制信号输出到所述MDPS马达，所述扭矩波动补偿信号用于补偿所合成的扭矩波动信号。
所述分别输出偏移信号和扭矩波动信号可以包括通过控制单元：利用所述马达速度产生扭矩波动频率；通过将扭矩信号模型应用于所述扭矩波动频率来产生扭矩波动频率的扭矩波动估计信号；从产生的扭矩波动估计信号估计扭矩，并输出估计扭矩；通过比较估计的波动扭矩和测量的扭矩来计算所述估计的波动扭矩和所述测量的扭矩之间的差；将预设增益乘以计算出的扭矩差，并输出相乘结果；和通过将增益应用信号应用于估计信号来生成包括所有扭矩波动元件的校正后的估计信号。
扭矩信号模型可以是矩阵模型，并且可以根据在制作矩阵模型时设置的顺序来区分偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
扭矩波动元件可以包括偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
扭矩波动补偿方法可以进一步包括反馈校正后的估计信号以将扭矩信号模型应用于扭矩波动频率，以便将校正后的估计信号反映到扭矩估计值的计算中。
测量的扭矩信号τ用偏移和扭矩波动模型化，如下等式1所示：
τ＝a0+a1sin(N1θm+φ1)+…+ansin(Nn+θm+φn)
其中常数a0代表偏移，三角函数aisin(Niθm+φi)代表所述扭矩波动，其中i＝1,2,…,n，θm代表马达旋转角，Niθm代表相对于所述马达旋转角的谐波分量，并且ai和φi分别代表所述扭矩波动的幅度和相位。
在每个指定的控制周期中采样并生成测量扭矩信号和波动频率。
根据本公开的实施方式，扭矩波动补偿装置和方法可以减小在驱动车辆的MDPS系统的马达时发生的扭矩波动。
此外，扭矩波动补偿装置和方法可以通过扭矩波动补偿来改善低速时的转向感觉。
此外，扭矩波动补偿装置和方法可以应用于实时扭矩波动补偿逻辑，而无需单独的补偿参数提取过程。
附图说明
图1是示出了根据本公开的实施方式的扭矩波动补偿装置的示意性构造的图。
图2是示出了图1中控制单元的详细构造的图。
图3至图5示出了通过使用根据图1中的本公开的实施方式的扭矩波动补偿装置进行模拟而获得的结果。
具体实施方式
如在相应领域中的传统，一些示例性实施方式可以以功能块、单元和/或模块在附图中示出。本领域普通技术人员将理解，这些块、单元和/或模块由诸如逻辑电路、分立组件、处理器、硬连线电路、存储元件、布线连接等电子(或光学)电路物理地实现。当块、单元和/或模块由处理器或类似硬件实现时，可以使用软件(例如，代码)对它们进行编程和控制，以执行本文讨论的各种功能。可替代地，每个块、单元和/或模块可以由专用硬件或作为用以执行一些功能的专用硬件和用以执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的处理器和相关的电路)的组合来实现。在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施方式的每个块、单元和/或模块可以在物理上被分成两个或更多个相互作用并离散的块、单元和/或模块。此外，在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施方式的块、单元和/或模块可以在物理上组合成更复杂的块、单元和/或模块。
在下文中，以下将通过实施方式的各种示例参考附图来描述根据本公开的扭矩波动补偿装置和方法。应当注意，附图不是精确的比例，并且可能仅出于描述方便和清楚的目的而夸大了线的粗细或部件的尺寸。此外，本文使用的术语是通过考虑本公开的功能来定义的，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图来改变。因此，应根据本文阐述的全部公开内容对术语进行定义。
通常，马达(例如MDPS马达)的扭矩波动是可能在MDPS系统的低速转向部分中引起不舒适的转向感觉的因素之一。
因此，本公开提供一种可以通过能实时估计和补偿扭矩波动的控制技术来减小马达的扭矩波动的方法。
图1是示出了根据本公开的实施方式的扭矩波动补偿装置的示意性构造的图。扭矩波动补偿装置包括扭矩测量单元110，马达速度测量单元120，控制单元130和扭矩波动补偿单元140。
扭矩测量单元110输出通过MDPS系统的扭矩传感器(未示出)测量的扭矩。
马达速度测量单元120输出通过MDPS马达的位置传感器(未示出)测量的马达速度。
控制单元130基于马达速度信息和测量的扭矩信息分别输出偏移信号和扭矩波动信号。
此时，扭矩波动信号至少包括一次和二次扭矩波动信号。
扭矩波动补偿单元140合成从控制单元130输出的初级或次级扭矩波动信号，并且将扭矩波动补偿信号作为马达控制信号输出至马达，即MDPS马达，扭矩波动补偿信号用于补偿合成的一次或二次扭矩波动信号。
图2是示出了图1中控制单元的详细构造的图。
如图2所示，控制单元130包括波动频率生成单元131，控制周期设置单元132，扭矩信号模型应用单元133，扭矩估计单元134，扭矩差计算单元135，增益设置单元136，增益应用单元137和扭矩波动元件输出单元138。
波动频率生成单元131使用马达速度(参见图3的曲线图)产生波动频率(即，扭矩波动频率)。
扭矩波动频率设置为马达速度的倍数Ni，其中i＝1,2…。这是因为，由马达产生的波动(即扭矩波动)是响应于马达的速度而产生的，因此只要知道马达速度，就能够获取在马达中产生的波动的频率。
此时，在每个指定的控制周期(例如1ms)中产生波动频率(即扭矩波动频率)ωi(k)。
扭矩信号模型应用单元133通过将扭矩信号模型A0应用于扭矩波动频率来产生扭矩波动频率的扭矩波动估计信号
Figure GDA0003614986290000061
扭矩估计单元134从所产生的扭矩波动估计信号
Figure GDA0003614986290000062
来估计扭矩，并输出所估计的扭矩。
扭矩信号模型A0是矩阵模型。因为在建立矩阵模型A0时设定了顺序，所以可以根据该顺序区分偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
扭矩差计算单元135通过比较由扭矩估计单元134估计的波动扭矩
Figure GDA0003614986290000063
和由扭矩测量单元110测量的测量扭矩τ(k)来计算波动扭矩
Figure GDA0003614986290000064
与测量扭矩τ(k)之间的差，并将计算的差乘以增益设置单元136通过增益应用单元137设置的增益L0，并输出相乘结果。扭矩波动元件输出单元138通过将经由增益应用单元137应用了增益的信号应用到估计信号
Figure GDA0003614986290000065
来生成包括所有扭矩波动元件(即，偏移、扭矩波动1和扭矩波动2)的估计信号
Figure GDA0003614986290000066
扭矩波动元件输出单元138通过使用测量扭矩τ(k)校正估计信号
Figure GDA0003614986290000067
来产生校正后的估计信号
Figure GDA0003614986290000068
并且将估计信号
Figure GDA0003614986290000069
反馈到扭矩信号模型应用单元133，从而将校正后的估计信号
Figure GDA00036149862900000610
反映到扭矩波动估计值
Figure GDA00036149862900000611
的计算中。
作为参考，当通过增益应用单元137相乘的增益L0较大时，扭矩波动估计变得较快，而当增益L0较小时，扭矩波动估计变得较慢。
此后，将更详细地描述控制单元130的构造和操作。
在本实施方式中，如以下等式1所示，利用偏移和扭矩波动来对测量扭矩信号τ进行模型化。
[等式1]
τ＝a0+a1sin(N1θm+φ1)+…+ansin(Nnθm+φn)
在等式1中，常数a0表示偏移，三角函数aisin(Niθm+φi)表示扭矩波动，其中i＝1，2，...，n。
扭矩波动模型被表示为相对于马达旋转角θm的谐波分量Niθm，并且ai和φi分别表示扭矩波动的幅度和相位。
此时，由于可以测量马达的旋转角θm，因此可以计算谐波的前进角Niθm，但是需要估计为未知值的：偏移a0、扭矩波动的幅度ai和相位φi。
因此，在本实施方式中，仅状态空间中的扭矩波动的频率
Figure GDA0003614986290000071
可以用于执行偏移分离和扭矩波动补偿。
即，将表示测量扭矩信号τ的状态空间模型的状态变量定义为q0＝a0，qi＝[qisqic]τ。
这里，qis＝aiSin(Niθm+φi)和
Figure GDA0003614986290000072
此外，扭矩波动的频率ωi计算为
Figure GDA0003614986290000073
因此，当使用状态变量q0，qi时，等式1的测量扭矩信号可以表示为以下等式2的状态空间模块。
[等式2]
Figure GDA0003614986290000074
C＝[1 0]
Figure GDA0003614986290000075
τ＝[1 C … C]q
在本实施例中，考虑数字控制来设计扭矩波动估计逻辑。
方程2的连续时间模型可以通过零阶保持方法离散化，如下面的方程3所示。
[等式3]
Figure GDA0003614986290000081
Figure GDA0003614986290000082
q(k)：＝A0q(k)
τ(k)＝[1 C … C]q(k)：＝C0q(k)
在等式3中，T表示控制周期，k表示t＝kT的时间点，其中k＝0,1,2,…,∞。在每个控制周期T中对测量扭矩τ(k)和波动频率ωi(k)进行采样。
在本实施例中，扭矩估计单元134使用以下等式4的估计方法，以便从扭矩信号中分离出偏移并估计扭矩波动。
[等式4]
Figure GDA0003614986290000083
Figure GDA0003614986290000084
Figure GDA0003614986290000085
Figure GDA0003614986290000086
首先，扭矩估计单元134使用扭矩信号模型A0来生成估计信号
Figure GDA0003614986290000087
由于在建立矩阵模型A0时设定了顺序，所以可以根据该顺序来区分偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
然后，扭矩估计单元134通过使用测量扭矩τ(k)来校正估计信号
Figure GDA0003614986290000088
来生成校正后的估计信号
Figure GDA0003614986290000089
然后，扭矩估计单元134从校正后的估计信号
Figure GDA00036149862900000810
来计算扭矩波动估计值
Figure GDA00036149862900000811
此时，扭矩估计单元134的增益L0按以下等式5表示的顺序更新。
[等式5]
Figure GDA0003614986290000091
Figure GDA0003614986290000092
Figure GDA0003614986290000093
在等式5中，矩阵Q和R是用于决定扭矩估计单元134的性能的元素。
此外，矩阵P和
Figure GDA0003614986290000094
是用于计算给定矩阵Q和R的增益L0的元素。此外，矩阵I表示单位矩阵。
图3至图5示出了通过使用根据图1中的本公开的实施方式的扭矩波动补偿装置进行模拟而获得的结果。图3是示出马达速度的曲线图，并且控制单元130的波动频率生成单元131使用马达速度来产生扭矩波动频率。
图4是表示扭矩波动补偿前/后的扭矩数据的曲线图，图5是示出扭矩数据的频率分析结果的图。
图4和图5示出了当比较补偿之前的曲线图(浅色)和补偿之后的曲线图(深色)时，一次扭矩波动和二次扭矩波动显著减小。
在本实施例中，扭矩波动补偿装置和方法可以减小在车辆的MDPS系统的马达被驱动时出现的扭矩波动，并通过扭矩波动补偿来改善低速时的转向感觉。
尽管出于说明性目的已经公开了本公开的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本公开的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。因此，本公开的真实技术范围应由所附权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种扭矩波动补偿装置，包括：
扭矩测量单元，被配置为输出通过MDPS系统的扭矩传感器测量的扭矩，所述MDPS为马达驱动动力转向；
马达速度测量单元，被配置为输出通过MDPS马达的位置传感器测量的马达速度；
控制单元，被配置为基于马达速度信息和测量的扭矩的信息分别输出偏移信号和扭矩波动信号；以及
扭矩波动补偿单元，被配置为合成从所述控制单元输出的多个扭矩波动信号，并且将扭矩波动补偿信号作为马达控制信号输出到所述MDPS马达，所述扭矩波动补偿信号用于补偿合成的扭矩波动信号，
所述控制单元包括：
扭矩波动元件输出单元，被配置为将通过增益应用单元应用了预先设置的增益的信号应用到扭矩波动估计信号，并生成包括所有扭矩波动元件的校正后的扭矩波动估计信号。
2.根据权利要求1所述的扭矩波动补偿装置，其中，所述扭矩波动信号至少包括一次扭矩波动信号和二次扭矩波动信号。
3.根据权利要求1所述的扭矩波动补偿装置，其中，所述控制单元还包括：
波动频率生成单元，被配置为利用所述马达速度产生扭矩波动频率；
扭矩信号模型应用单元，被配置为通过将扭矩信号模型应用于所述扭矩波动频率来生成所述扭矩波动频率的扭矩波动估计信号；
扭矩估计单元，被配置为从所生成的扭矩波动估计信号来估计波动扭矩，并输出波动扭矩；
扭矩差计算单元，被配置为通过比较由所述扭矩估计单元估计的波动扭矩和由所述扭矩测量单元获取的所述测量的扭矩来计算所述波动扭矩和所述测量的扭矩之间的差；以及
增益应用单元，被配置为将由增益设置单元设置的增益与计算出的扭矩差相乘，并输出相乘结果。
4.根据权利要求3所述的扭矩波动补偿装置，其中，在每个指定的控制周期中采样并生成测量的扭矩和所述扭矩波动频率。
5.根据权利要求3所述的扭矩波动补偿装置，其中，所述扭矩信号模型是矩阵模型，并且根据建立所述矩阵模型时设定的顺序来区分偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
6.根据权利要求3所述的扭矩波动补偿装置，其中，所述扭矩波动元件包括偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
7.根据权利要求3所述的扭矩波动补偿装置，其中，所述扭矩波动补偿装置将校正后的扭矩波动估计信号反馈到所述扭矩信号模型应用单元，以便将校正后的扭矩波动估计信号反映到波动扭矩的计算中。
8.一种扭矩波动补偿方法，包括：
输出通过MDPS系统的扭矩传感器测量的扭矩，所述MDPS为马达驱动动力转向；
输出通过MDPS马达的位置传感器测量的马达速度；
通过控制单元基于马达速度信息和测量的扭矩的信息分别输出偏移信号和扭矩波动信号；和
通过扭矩波动补偿单元合成从所述控制单元输出的多个扭矩波动信号，并且将扭矩波动补偿信号作为马达控制信号输出到所述MDPS马达，所述扭矩波动补偿信号用于补偿合成的扭矩波动信号；
所述通过控制单元分别输出偏移信号和扭矩波动信号包括：
所述控制单元将应用了预先设置的增益的信号应用到扭矩波动估计信号，并生成包括所有扭矩波动元件的校正后的扭矩波动估计信号。
9.根据权利要求8所述的扭矩波动补偿方法，其中，所述通过控制单元分别输出偏移信号和扭矩波动信号还包括：
利用所述马达速度产生扭矩波动频率；
通过将扭矩信号模型应用于所述扭矩波动频率来产生所述扭矩波动频率的扭矩波动估计信号；
从产生的扭矩波动估计信号来估计波动扭矩，并输出估计的波动扭矩；
通过比较所述估计的波动扭矩和所述测量的扭矩来计算所述估计的波动扭矩和所述测量的扭矩之间的差；
将预设增益乘以计算出的扭矩差，并输出相乘结果。
10.根据权利要求9所述的扭矩波动补偿方法，其中，所述扭矩信号模型是矩阵模型，并且根据在制作所述矩阵模型时设定的顺序来区分偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
11.根据权利要求9所述的扭矩波动补偿方法，其中，所述扭矩波动元件包括偏移、扭矩波动1和扭矩波动2。
12.根据权利要求9所述的扭矩波动补偿方法，进一步包括反馈所述校正后的扭矩波动估计信号以将所述扭矩信号模型应用于所述扭矩波动频率，以便将所述校正后的扭矩波动估计信号反映到波动扭矩的计算中。
13.根据权利要求9所述的扭矩波动补偿方法，其中，测量的扭矩的信号τ如下等式1所示，用偏移和扭矩波动来模型化：
τ＝a0+a1sin(N1θm+φ1)+…+ansin(Nnθm+φn)……等式1
其中常数a0代表所述偏移，三角函数aisin(Niθm+φi)代表所述扭矩波动，其中i＝1，2，…，n，θm代表马达旋转角，Niθm代表相对于所述马达旋转角的谐波分量，并且ai和φi分别代表所述扭矩波动的幅度和相位。
14.根据权利要求9所述的扭矩波动补偿方法，其中，在每个指定的控制周期中采样并生成测量的扭矩和所述扭矩波动频率。
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