CN112865651A - 电压饱和的马达电流控制下的供应电流管理 - Google Patents

电压饱和的马达电流控制下的供应电流管理 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于改进的抗饱和的系统和方法，该改进的抗饱和最小化在同步马达驱动器的电压饱和的电流控制操作下的供应电流消耗。该系统和方法使用电压限制模块和抗饱和模块，该电压限制模块被配置为在马达控制系统达到配置的阈值时接收限制前电压命令并生成限制后电压命令，该抗饱和模块被配置为确定限制前电压命令和限制后电压命令之间的电压差，并使用电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。补偿增益包括被选择为将马达电流轨迹朝向零马达电流向量移动的值的增益矩阵，并且抗饱和模块将增益矩阵值乘以电压差。然后抗饱和反馈电流和输入电流命令相加并作为输入提供给控制器。

Description

电压饱和的马达电流控制下的供应电流管理
技术领域
本申请大体上涉及马达控制系统，尤其涉及在电压饱和状态下管理马达控制系统中的供应电流，并且更具体地涉及在诸如电动助力转向(EPS)系统等电机中使用的马达控制系统。
背景技术
EPS系统通常使用电动马达驱动器来向驾驶员提供转向辅助转矩。通常，通过调节马达电流来间接地执行使用永磁同步电机(PMSM)的电动马达驱动系统的转矩控制。一般而言，使用反馈控制体系架构来执行电机电流的电流控制，该反馈控制体系架构使用磁场定向控制(FOC)技术，具有同步旋转参考系中的测量的电流。反馈控制通常表现出良好的稳态跟踪性能、快速的动态响应、高带宽和令人满意的干扰抑制。因此，反馈电流控制通常用于控制多相交流电机(例如，PMSM)。
发明内容
根据一个或多个说明性实施例，提供了一种马达控制系统，该马达控制系统用于防止控制器饱和(windup)并在电压饱和状态下管理供应电流。马达控制系统包括：电压限制模块，其被配置为在马达控制系统达到与配置的阈值相对应的选定的电压限制时接收限制前电压命令并生成限制后电压命令，该配置的阈值用于限制施加到由马达控制系统控制的马达的电压；以及抗饱和模块，其被配置为通过从限制前电压命令减去限制后电压命令来确定电压差，并使用电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。
根据一个或多个说明性实施例，还提供了一种用于防止控制器饱和并在电动马达中的电压饱和状态下管理供应电流的方法。例如，该方法包括：在马达控制系统达到与配置的阈值相对应的选定的电压限制时，由马达控制系统中的电压限制模块接收限制前电压命令，并生成限制后电压命令，该配置的阈值用于限制施加到由马达控制系统控制的马达的电压；以及由马达控制系统中的抗饱和模块通过从限制前电压命令减去限制后电压命令来确定电压差，并使用电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。
根据系统和方法的其他说明性方面，补偿增益包括被选择为将马达的马达电流轨迹朝向零马达电流向量移动的值的增益矩阵，并且抗饱和模块将增益矩阵值乘以电压差。
根据系统和方法的另一个说明性方面，抗饱和模块使用包括使用以下增益矩阵来缩放差的计算来计算抗饱和反馈电流：
Figure BDA0002799884770000021
其中，KAdd、KAdq、KAqd和KAqq是抗饱和参数。
根据系统和方法的另一个说明性方面，抗饱和反馈电流被提供为对马达控制系统的输入电流命令的反馈，以将电压差的反馈交叉耦合引入电流误差。
根据系统和方法的另一个说明性方面，抗饱和反馈电流和输入电流命令相加并被提供为积分控制器的输入以生成电压命令。
根据系统和方法的另一个说明性方面，通过与基于电动马达的测量的电流的第二反馈电流相加进一步修改输入电流命令。
根据系统和方法的说明性方面，基于反电动势补偿和基于电动马达的测量的电流的反馈来计算限制前电压命令。
提供了一种示例性的转向系统，该转向系统具有电动马达和控制器，该电动马达生成与限制后电压命令相对应的转矩量，该控制器接收输入电流命令并生成用于马达的电压命令。该控制器包括：电压限制模块，其被配置为在马达控制系统达到与配置的阈值相对应的选定的电压限制时，接收与限制前电压命令相对应的电压命令并生成限制后电压命令，该配置的阈值用于限制施加到马达的电压；以及抗饱和模块，其被配置为通过从限制前电压命令减去限制后电压命令来确定电压差，并使用电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。抗饱和反馈电流修改控制器的输入电流命令，以防止马达控制系统中的控制器饱和，并最小化在电压饱和的电流控制下的供应电流消耗。
根据转向系统的说明性方面，通过缩放限制后电压命令和限制前电压命令之间的差来计算抗饱和反馈电流。例如，使用以下增益矩阵来缩放差：
Figure BDA0002799884770000031
其中，KAdd、KAdq、KAqd和KAqq是抗饱和参数。
根据转向系统的另一个说明性方面，通过基于电动马达的测量的电流的第二反馈电流进一步修改输入电流命令。
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清楚。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并清楚地声明了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及优点将变得显而易见，其中：
图1描绘了根据一个或多个说明性实施例的示例电动助力转向系统；
图2是根据说明性实施例的马达控制系统的示例示意图；
图3是根据说明性实施例的马达的相量图；
图4是根据说明性实施例的包括抗饱和补偿器模块的马达控制系统的示例框图；
图5是根据说明性实施例的抗饱和模块的示例框图；以及
图6是根据说明性实施例的马达控制系统的示例框图，该马达控制系统具有改进的抗饱和补偿器模块，该改进的抗饱和补偿器模块最小化在电压饱和状态下的供应电流。
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、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、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。可以理解的是，下文描述的子模块可以被组合和/或进一步细分。
现参考附图，其中将参照具体实施例描述技术方案，而不是对其进行限制，图1是适于实现所公开实施例的电动助力转向系统(EPS)40的说明性实施例。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)。当转动在下文中表示为方向盘26(例如，手持式方向盘等)的操作者输入时，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。小齿轮的转动移动齿条，齿条移动拉杆38(仅示出一个)，进而移动转向节39(仅示出一个)，其转动可转向轮44(仅示出一个)。
电动助力转向辅助通过通常以标号24表示的控制装置提供，并且包括控制器16和电机19，该电机可以是永磁体同步马达(PMSM)，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速信号14。通过位置传感器32测量转向角，该位置传感器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，并且向控制器16供应位置信号20。可以使用转速计或任意其他装置测量马达速度，并将其作为马达速度信号21传输到控制器16。可以测量或计算表示为ωm的马达速度，或者可以测量并计算表示为ωm的马达速度。例如，马达速度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。可替代地，可以从马达位置导出马达速度作为位置相对于时间的变化率。应当理解，存在许多用于执行导数功能的众所周知的方法。
当转动方向盘26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可包括扭力杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，该可变电阻型传感器向控制器16输出与扭力杆上的扭转量有关的可变转矩信号18。尽管这是一类转矩传感器，但是与已知信号处理技术共同使用的任何其它合适的转矩感测装置也将满足要求。响应于各种输入，控制器向电动马达19发送命令22，该电动马达通过蜗杆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，尽管通过参照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，这些参照仅是说明性的，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，例如阀控制、流体泵等。此外，本文的参照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，本文对电机的参照包括但不限于马达，以下为了简洁和简单起见，将仅对马达进行参照而不进行限制。
在所描绘的控制系统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被设置为与马达控制系统的各种系统和传感器进行通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号，量化接收到的信息，并响应于此提供输出命令信号，在本示例中，例如，提供给马达19。控制器16被设置为从逆变器(未示出)生成相应的电压，该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，生成期望的转矩或位置。在一个或多个示例中，控制系统24以反馈控制模式运转，如同电流调节器，以生成命令22。可替代地，在一个或多个示例中，控制系统24以前馈控制模式运转，以生成命令22。由于这些电压与马达19的位置和速度以及期望的转矩有关，因此确定转子的位置和/或速度以及由操作者施加的转矩。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的角位置的位置信号20，从而输出马达19的角位置。
可以由传输指示施加的转矩的转矩信号18的一个或多个转矩传感器28确定期望的转矩。一个或多个说明性实施例包括这种转矩传感器28并且来自其的转矩信号18，可以响应于柔性扭杆、T形杆、弹簧或被设置为提供指示所施加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19处。优选地，温度传感器23被设置为直接测量马达19的感测部分的温度。温度传感器23将温度信号25传输到控制器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，以生成对应于每个信号的值，得到可用于本文规定的算法中的处理的转子位置值、马达速度值和转矩值。诸如上述的测量信号还根据期望被共同线性化、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。此外，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，以及因此执行计算(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，以及包括至少一种前述的组合。例如，控制器16可包括输入信号处理和滤波，以实现来自通信接口的这种信号的准确采样和转换或获取。在本文稍后详细讨论控制器16的额外特征和其中的某些过程。
图2描绘了根据一个或多个实施例的马达控制系统的框图。马达控制系统100可以是转向系统40的一部分，或者可以是使用马达引起位移、转矩的生成等的任何其他机器。如所描绘的，电源10向马达19提供供应电压VB。在一些实施例中，电源10是12伏电池。然而，应当理解，也可以使用其他类型的电源。在一个或多个示例中，逆变器122通过多个连接132(例如，三个连接器)连接到马达19。在一些实施例中，马达19是多相永磁同步马达(PMSM)。在本文描述的示例中，马达19被认为是三相PMSM，但是应当注意，在其他示例中，马达19可以是多相马达。控制器16通过逆变器连接到马达19。
控制器16从转矩控制系统134(例如，转向控制系统)接收马达转矩命令136。控制器16包括控制逻辑134和38，其用于通过逆变器122向马达19发送基于转矩命令的马达电压命令。
图3继续参考图2，表示马达控制系统的相量图200，其中，根据一个或多个实施例，命令的电压由方向保持电压限制器限制。在图3中，在纵轴上表示直轴(d轴)的电压大小，而在横轴上表示正交轴(q轴)的电压大小。图1和图2中所示的马达19可以运行为使得马达电压命令VR的大小(在图3中以Vorg示出)超过逆变器122的能力。具体地，逆变器122可以具有输入源电压限制Vmax(标记为VDC)，在图3中示出为在直轴(d轴)和正交轴(q轴)之间延伸的弧的大小。
为了在马达19的操作控制期间将马达电压命令VR限制在逆变器122的运行参数之内，可以修改Vorg。如图3所示，马达电压命令VR可以被限制为由小于或等于Vmax的由Vnew表示的大小。因此，Vnew在逆变器122的源能力(sourcing capabilities)之内。电压向量Vorg和Vnew的方向角在图3中也分别表示为角度δorg和δnew。限制电压向量Vorg和Vnew，以便保留Vorg的方向角(即，δorg＝δnew)。
当控制器16计算超过系统的电压限制的电压命令(瞬态或稳态)时，电压命令被限制为最大可用电池电压，并且状态(或具有存储器的控制器的元件)，例如，积分器的状态，变得不正确，因为它们不符合最初计算的非限制或限制前电压命令。如果饱和条件持续很长的时间段，则控制器的状态可能会变得非常不正确。当系统返回线性运行范围时，状态可以在一定时间量后恢复到正确值，这取决于饱和条件持续的时长以及饱和后条件。这种情况(称为控制器饱和)可能产生不良的整体控制系统性能和不稳定。
因此，期望包括抗饱和(AW)装置/组件以改善马达控制系统的性能，并且进而改善使用马达控制系统的EPS系统。
此外，特别是在作为车辆能量网络中的主要电力负载之一的EPS系统40的情况下，期望EPS系统40具备主动地监测和控制供应电流消耗的能力。这种供应电流消耗的监测和控制除其他原因外，还受到保护车辆电气网络，特别是处于健康状况较差的情况下的车辆电气网络的需求的驱动。例如，在突然的电压变化期间(可能由车辆电气网络的内部误差引起)EPS系统40汲取的供应电流中的急剧瞬变会导致电气网络健康进一步恶化。当供应电压突然下降时，EPS控制回路中的马达电流控制系统呈现电压命令饱和，这将激活抗饱和控制装置，其可以实现为管理整个控制系统的动态。
现有的抗饱和装置/技术试图在饱和条件下最大化马达转矩或电流产生。换句话说，现有的抗饱和技术的目标除了管理控制器饱和外，还在于在控制器16进入电压饱和状态时最小化马达电流跟踪误差。转矩或电流最大化的目标直接与最小化供应电流过冲的目标相矛盾，因为最小化供应电流过冲需要将马达转矩和电流最小化。
本文所述的技术方案通过在提供抗饱和功能的同时最小化电压饱和状态下的供应电流消耗来解决这样的技术挑战。本文所述的技术方案使马达电流控制系统遵循在零马达电流向量处结束的电流轨迹或更一般地在两个(例如，全部)方向上朝向较低电流向量大小的状态。这导致最小化电压饱和下的供应电流，因为供应电流会随着马达电流的减小而减小。
图4是根据一个或多个实施例的电动马达驱动系统的框图。描绘的电动马达驱动系统(也可以称为马达控制系统)包括马达控制模块30，该马达控制模块30例如由控制器16实现，并且除了其他子模块之外还包括电压限制模块316、抗饱和模块301，以控制马达19的操作。应该注意的是，尽管分别描绘了模块，但是在一个或多个示例中，所描绘的模块中的一个或多个可以与图示不同地组合或分开。
如图4所示，由控制器16实现的马达控制模块30包括几个其他子模块，例如-反电动势(BEMF)电压补偿模块302、比例积分(PI)控制器365(包括补偿模块306和310、以及积分模块308)、修改模块320、减法模块304和加法模块312、314和610。
图4描绘的马达19示出了由控制器16控制的示例被控对象(plant)。即，马达19接收实际的马达电压命令VM。实际马达电压命令VM基于马达电压命令VR。实际马达电压命令VM可以由限制模块316来限制，这取决于马达电压命令VR是否超过马达19的逆变器122或其他电源的能力。马达19生成转矩和电流(即，汲取或输出电流IA，该电流是上面参考图1至图3所述的实际马达电流)。电动马达驱动系统的瞬时功率消耗方程可如下表示
Figure BDA0002799884770000081
在此，VDC是来自电池10的输入电压，RDC是电动马达驱动系统的电阻，IS是输入到电动马达驱动系统的电流，并且其中，Vd、Vq是d/q马达电压，Id、Iq是d/q马达电流。在一个或多个实施例中，电压值以伏特为单位进行测量，电流值以安培为单位进行测量。
在d/q轴坐标系中限定的以下等式描述了马达20的被控对象的被控对象传递函数(使用线到中性定义(line to neutral definition))：
Figure BDA0002799884770000082
Figure BDA0002799884770000091
Figure BDA0002799884770000092
其中，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(Henries)为单位)，R是马达电路(马达加控制器)的电阻(以欧姆为单位)，Ke是马达BEMF常数(以伏特/rad/s为单位)，ωm是机械马达速度(以rad/s为单位)，Te是电磁电机转矩(以Nm为单位)。
在一些实施例中，限制器模块316是方向保持电压限制器，其在将幅值减小到最大可用电压的同时保持原始相位角。然而，其他电压限制器可以用于限制器模块316，其修改电压命令的大小和角度两者。限制器模块316输出由VM表示的受限制的电压命令。
考虑到多个目标和约束(例如，最小损耗和供应电压限制)，电流命令生成器(图4中未示出)将转矩命令转换为电流命令。在一个或多个示例中，基于转矩等式生成电流命令(IR)。等式(4)中规定的电磁转矩是非线性的，表示通过利用来自永磁体的磁场产生的转矩与转子凸极(rotor saliency)(Ld与Lq之间的差)以及Iq和Id的合适的选择生成的磁阻转矩的和。
此外，被控对象的磁链(flux linkage)可以表示为：
Figure BDA0002799884770000093
λq＝LqIq (等式6)
注意，d轴磁链包括归因于永磁体的磁通λm和归因于d轴马达电流的相对磁通分量(opposing flux component)。就磁链而言，电压等式可重新表述为：
Figure BDA0002799884770000094
Figure BDA0002799884770000095
在稳态下，电压等式可变为
Vd＝ωeλq+IdR (等式9)
Vq＝-ωeλd+IqR (等式10)
马达19与控制器16一起构成具有一定频率响应特性的闭环系统。如可以理解的，闭环系统的频率响应由模型等式的集合控制，这些模型等式限定转移函数，该转移函数将输入电流命令IR转换为输出电流IM。换句话说，控制器16通过发送基于输入电流命令IR生成的实际马达电压命令VM来调节输出电流IM。IM是被测量并且反馈到控制器16的电流。
图4中所示的修改模块320将来自马达19的测量的反馈电流IM获取为输入。基于测量的反馈电流IM，修改模块320将输出电流IA的d轴分量Id与q轴电流分量Iq的变化解耦。
图4中描绘的补偿模块306和310构成矩阵值的(或多维的)PI控制器365，其补偿命令电流IR和测量的电流IM之间的差IE，以控制马达19。补偿模块306从差电流IE(由减法模块304确定)产生比例电压命令VP。补偿模块306与积分模块308一起产生积分电压命令VI。加法模块312组合电压命令VP和VI以产生电压命令VC。比例电压命令VP和积分电压命令VI被确定，以这样的方式使得组合的电压命令VC在施加至马达19时，使至电流传递函数的总电流具有特定的期望顺序。注意，IR、IM、IE、VP、VI和VC中的每一个具有d轴分量和q轴分量。而且，IR、IM、IE、VP、VI和VC表示向量，而不是标量值，每个均由d轴和q轴信号(量)组成。
补偿模块306是比例控制器，补偿模块310是积分控制器，两者一起作为PI控制器365的一部分。比例补偿模块CP除了在马达输入干扰传递函数行为与电流测量噪声传递函数行为之间提供有益的权衡之外，还帮助在需要第一阶类型响应时配置闭环系统的频率响应。当需要更高阶的传递函数(例如，第三阶)时，使用与PI控制器365不同的配置。例如，可仅使用积分器模块308和补偿模块(CI)308，而不使用比例补偿器(CP)306。在这种情况下，PI控制器365的输出仅为VI，其可以由BEMF补偿器302进一步补偿以生成PI控制器输出VR。
如本文所使用的，术语“模块”或“子模块”是指执行一个或多个软件或固件程序、组合逻辑电路的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组的)和存储器和/或提供所描述功能的其他合适的组件。当以软件实现时，模块或子模块可以在存储器中实施为非暂时性机器可读存储介质，该非暂时性机器可读存储介质可由处理电路读取并存储指令，该指令由处理电路执行以执行方法。此外，图4或本文中任何其他图中所示的模块和子模块可以被组合和/或进一步划分。软件可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)编写，并且可以以任何形式进行部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于计算环境的其他单元。
在一些实施例中，控制器16是具有闭环控制逻辑的反馈控制器。即，马达19的输出电流被反馈到控制器16，控制器16使用该反馈来调节马达19的输出。当输出电流IM被反馈到控制器16时，可能产生控制器饱和，其中，马达电压命令VR可能超过实际马达电压命令VM。由于在这种情况下产生的饱和状态，这可能导致马达控制系统不稳定，这是本文所述的技术方案所解决的技术挑战。
控制系统通常被设计为满足线性性能指标的集合，但是控制系统通常使用具有操作限制的致动器(例如，逆变器)。当控制器16产生超出致动器能力的控制信号时，可能发生控制器饱和，从而引起饱和。在饱和条件下，施加到被控对象的控制信号(或状态)是受限制的，并且具有存储器的控制器的每个组件均被错误地更新。这种情况可能导致具有存储器的控制器积累了较大的误差，只有在系统已经脱离饱和并保持这种状态一段时间后，控制器才能恢复正确的值。因此，当发生控制器饱和时，系统可能在饱和状态下保持比所需的时间更长的时间段，最终降低整体性能。本文描述的技术方案通过促进防止控制器饱和发生而解决了这样的技术挑战。
此外，特别是在EPS系统的PMSM驱动系统中，DC总线电压由车辆电池10供应。通常，为了充分利用PMSM的能力，驱动系统以每电压最大转矩(MTPV)模式运行，在该模式中，PMSM可以在给定的电池电压下生成最大转矩。在接近电压限制的操作期间，致动器更容易饱和，特别是在存在参数误差或马达控制系统受到外部干扰或故障的情况下。如图4所示，本文所述的技术方案通过使用抗饱和模块301促进防止控制器饱和发生来解决这样的技术挑战。
如下面更详细地描述的，抗饱和(AW)模块301选择性地检测电压饱和状态，并将实际马达电压命令VM的准确表示提供给马达控制系统的输入，从而改善系统性能。当d轴电流回路和q轴电流回路的电流调节器的输出的向量和在大小上大于可用的DC链路电压VDC时，可能会出现电压饱和状态。电压饱和状态可以根据以下等式表示：
Figure BDA0002799884770000121
继续参考图4，当计算的命令超过逆变器122的操作范围时，AW模块301除了解耦电流控制之外还实现了抗饱和，以确保具有存储器特性(memory characteristics)的控制状态是有界的。典型的抗饱和算法经由线性解耦补偿器(通常是静态的，即不包含动态项)将受限制的控制信号和原始控制信号的差馈送到控制器16的输入。或者，典型的AW算法基于前馈信号和反馈信号之间的差限制补偿模块306和310的输出。根据说明性实施例，本文所述的改进的AW模块301通过在提供抗饱和功能的同时最小化电压饱和状态下的供应电流消耗，来解决本文所述的技术挑战。
从上面的等式可以看出，马达电流Idq和(或者)马达电压Vdq两者都对功耗或供应电流消耗有贡献。因此，一个或多个实施例通过以减小马达电流的方式改变电压向量的轨迹来促进控制总供应电流。
图5描绘了根据一个或多个实施例的抗饱和模块301的细节。抗饱和模块301包括抗饱和模块或“M”模块，用于供应电流最小化(M)，如530处所示。在减法模块525处，从命令的电压VR中减去受限制的电压命令VM，如下所示。
VC＝V′R-V′M 等式(12)
M模块530被配置有最小化供应电流消耗的补偿增益。为了最小化电流消耗，当命令的马达电压(VR)不等于最终(受限制的)电压(VM)时，经由M模块530实现的矩阵使马达电流轨迹朝向零马达电流向量方向移动，或更一般地在所有方向上朝向较低的电流向量幅度的状态移动。
M模块530接收电压差VC并计算抗饱和反馈电流IAW。抗饱和反馈电流与电流命令IE相加，该和被输入到PI控制器365内的积分控制器(308、310)。M模块530使用一个或多个可配置参数基于电压差VC计算抗饱和反馈电流。在一个或多个示例中，参数被配置为与电压差VC相乘的矩阵中的值。
为了进一步解释该操作，接下来描述AW模块301的简化实施例。图6描绘了根据一个或多个实施例的电动马达驱动器的框图。应当注意，图6描绘了来自图4的选择性组件。在所描绘的实施例中，电压限制器316是方向保持电压限制器。通过将缩放的误差(差)通过静态增益矩阵(530)反馈到积分补偿器或积分控制器(366)的输入来执行抗饱和动作。缩放的误差是限制前电压命令(VR)和限制后电压命令(VM)之间的向量差。
为了简单起见，描绘了1自由度电流控制器，但是应当理解，在其他实施例中，该控制器可以具有2、3…n个自由度。在这种情况下，M模块530包括四个增益参数，用于将限制前(VR)和限制后(VM)之间的电压差Vc的反馈交叉耦合引入电流误差(IE)。通过提出的抗饱和方案的电流向量表示如下：
IT＝(CP+H+KI+P-1)-1KIIR+(CP+H+KI+P-1)-1(J+KICA)(VR-VM) 等式(13)
在上述等式(12)中，IT表示真实的马达电流输出。
通过缩放限制前电压命令和限制后电压命令之间的向量差，当激活电压限制器316(或当马达控制系统达到电压限制)时，AW模块301限制积分控制器366的输入和输出。应当注意，仅当来自加法器314的电压命令超过配置的阈值时才激活电压限制器316，该配置的阈值用于限制施加到马达19的电压。当马达控制系统100稳定到稳态时，积分器308的修改的输入为零，而输出保持恒定。因为积分控制器366总是在运行中，所以马达控制系统100以无缝且平滑的方式从不饱和过渡到饱和。
假设经由状态反馈补偿器(320)的准确去耦和使用干扰前馈项的精确的反电动势补偿(302)，则马达电流可以在s域中如下表示。
Figure BDA0002799884770000141
在稳态下，最终修改的电流可写为：
Figure BDA0002799884770000142
因此，根据等式，通过选择抗饱和补偿器增益KAdd、KAdq、KAqd和KAqq，马达电流的稳态值可以在电压误差为非零时(即，在电压饱和操作下)被改变。例如，在所有条件下，KAdq和KAqq的正值导致IAq的负值，因此会导致较低的供应电流消耗。可以类似地选择和调整其他增益，以使马达电流ITq和ITd两者趋向于较低的值，从而反过来在电压饱和操作期间降低供应电流。因此，M模块530的抗饱和补偿器增益KAdd、KAdq、KAqd和KAqq被配置为在电压饱和操作期间减小供应电流。此外，线性增益可以由任何任意数学函数(本质上可以是线性或非线性的)代替，这些数学函数有助于在电压饱和操作下同时减小两个马达电流。
本文所述的技术方案有助于最小化在同步马达驱动器的电压饱和的电流控制操作下的供应电流消耗。本文描述的技术方案解决了与马达控制系统的饱和有关的技术挑战。本文描述的技术方案改进了现有的抗饱和技术，因为现有的方案是使用稳态模型开发的，因此固有地假定不会发生电压饱和(瞬态或稳态)。万一发生电压饱和，现有技术将无法控制供应电流行为，因为抗饱和补偿器主导最终确定供应电流变化的马达电流跟踪行为。因此，本文所述的技术方案通过最小化在同步马达驱动器的电压饱和的电流控制操作下的供应电流消耗来提供改进的抗饱和。
继续参考图6，根据一个或多个实施例，改进的抗饱和操作可以由控制器16执行。如根据本公开可以理解的，该方法内的操作顺序不限于图6所示的顺序执行，而是可以根据本公开以适用的一种或多种变化顺序来执行。
该方法包括使用限制模块316从限制前电压命令(VR)计算限制后电压命令(VM)。限制模块316确定限制前电压命令是否超过将应用到马达19的最大电压命令的预定阈值。如果超过该阈值，则激活抗饱和模块301，并且限制前和限制后电压命令(VR和VM)被输入到抗饱和模块301。
来自抗饱和模块301的得到的值作为反馈电流IAW被反馈，以修改被输入到PI控制器365的电流命令IE，该PI控制器365生成输入到电压限制模块316的电压命令。至少包括上述操作的该过程是连续的。
来自电压限制模块316的得到的电压命令被施加到马达19。基于修改的电流命令生成电压命令。应当注意，来自马达19的输出电流也至少在两个单独的反馈回路中使用-一个回路用于生成限制前电压命令(VR)，另一个回路用于生成输入电流命令(IE)。
尽管仅结合有限数量的实施例对本发明进行了详细的描述，但应容易理解的是，本发明并不受限于所披露的这些实施例。相反，本发明能够被修改为包含此处未描述但与己描述的本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替代或者等同设置。另外，尽管已经描述了本发明的多个实施例，但应理解的是，本发明的多个方案可仅包括所描述的实施例的某一些。因此，本发明不应被视为受前文的描述所限制。

Claims (20)

1.一种马达控制系统，用于防止控制器饱和并在电压饱和状态下管理供应电流，所述马达控制系统包括：
电压限制模块，被配置为在所述马达控制系统达到与配置的阈值相对应的选定的电压限制时，接收限制前电压命令并生成限制后电压命令，所述配置的阈值用于限制施加到由所述马达控制系统控制的马达的电压；以及
抗饱和模块，被配置为通过从所述限制前电压命令减去所述限制后电压命令来确定电压差，并使用所述电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。
2.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述补偿增益包括被选择为将马达的马达电流轨迹朝向零马达电流向量移动的值的增益矩阵，并且所述抗饱和模块将增益矩阵值乘以所述电压差。
3.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述抗饱和模块使用包括使用如下定义的增益矩阵缩放所述电压差的计算来计算所述抗饱和反馈电流：
Figure FDA0002799884760000011
其中，KAdd、KAdq、KAqd和KAqq是抗饱和参数。
4.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述抗饱和反馈电流被提供为对所述马达控制系统的输入电流命令的反馈，以将所述电压差的反馈交叉耦合引入到电流误差。
5.根据权利要求4所述的马达控制系统，其中，所述抗饱和反馈电流和输入电流命令相加并且被提供为积分控制器的输入以生成电压命令。
6.根据权利要求5所述的马达控制系统，其中，通过与基于电动马达的测量的电流的第二反馈电流相加进一步修改所述输入电流命令。
7.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，基于反电动势(BEMF)补偿、以及基于电动马达的测量的电流的反馈，来计算所述限制前电压命令。
8.一种用于防止电动马达中控制器饱和并在电压饱和状态下管理供应电流的方法，所述方法包括：
在马达控制系统达到与配置的阈值相对应的选定的电压限制时，由所述马达控制系统中的电压限制模块接收限制前电压命令并生成限制后电压命令，所述配置的阈值用于限制施加到由所述马达控制系统控制的马达的电压；以及
由所述马达控制系统中的抗饱和模块通过从所述限制前电压命令减去所述限制后电压命令来确定电压差，并使用所述电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述补偿增益包括被选择为将马达的马达电流轨迹朝向零马达电流向量移动的值的增益矩阵，并且还包括由所述抗饱和模块将增益矩阵值乘以所述电压差。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，计算所述抗饱和反馈电流包括：使用包括使用如下定义的增益矩阵缩放所述电压差的计算：
Figure FDA0002799884760000021
其中，KAdd、KAdq、KAqd和KAqq是抗饱和参数。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：将所述抗饱和反馈电流提供为对所述马达控制系统的输入电流命令的反馈，以将所述电压差的反馈交叉耦合引入到电流误差。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：将所述抗饱和反馈电流和所述输入电流命令相加，并且将得到的总电流作为输入提供给积分控制器，以生成马达电压命令。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：通过与基于电动马达的测量的电流的第二反馈电流相加来修改所述输入电流命令。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，基于反电动势(BEMF)补偿、以及基于电动马达的测量的电流的反馈，来计算所述限制前电压命令。
15.一种转向系统，包括：
电动马达，生成与限制后电压命令相对应的转矩量；
控制器，接收输入电流命令并生成用于马达的电压命令，所述控制器包括：
电压限制模块，被配置为在马达控制系统达到与配置的阈值相对应的选定的电压限制时，接收与限制前电压命令相对应的电压命令并生成限制后电压命令，所述配置的阈值用于限制施加到马达的电压；以及
抗饱和模块，被配置为通过从所述限制前电压命令减去所述限制后电压命令来确定电压差，并使用所述电压差和选定为最小化供应电流的补偿增益来计算抗饱和反馈电流。
16.根据权利要求15所述的转向系统，其中，所述补偿增益包括被选择为将马达的马达电流轨迹朝向零马达电流向量移动的值的增益矩阵，并且所述抗饱和模块将增益矩阵值乘以所述电压差。
17.根据权利要求15所述的转向系统，其中，所述抗饱和模块使用包括使用如下定义的增益矩阵缩放所述电压差的计算来计算所述抗饱和反馈电流：
Figure FDA0002799884760000031
其中，KAdd、KAdq、KAqd和KAqq是抗饱和参数。
18.根据权利要求15所述的转向系统，其中，所述抗饱和反馈电流被提供为对所述马达控制系统的输入电流命令的反馈，以将所述电压差的反馈交叉耦合引入到电流误差。
19.根据权利要求18所述的转向系统，其中，所述抗饱和反馈电流、输入电流命令和基于所述马达的测量的电流的第二反馈电流相加，并作为输入提供给积分控制器以生成电压命令。
20.根据权利要求20所述的转向系统，其中，基于反电动势(BEMF)补偿和基于电动马达的测量的电流的反馈来计算所述限制前电压命令。
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