CN112886881A - 多相永磁直流马达驱动器的前馈控制 - Google Patents

多相永磁直流马达驱动器的前馈控制 Download PDF

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Abstract

本申请公开了多相永磁直流马达驱动器的前馈控制。用于控制永磁直流(PMDC)机器的输出转矩的系统和方法包括PMDC马达和控制器，该PMDC马达包括多组绕组。PMDC马达被配置为生成输出转矩。该控制器被配置为：对于PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和该第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；对于PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号来确定第二电压命令；以及根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制PMDC马达。

Description

多相永磁直流马达驱动器的前馈控制
技术领域
本公开涉及促进多相永磁直流马达的前馈转矩和电流控制。
背景技术
永磁直流(PMDC)马达(也称为有刷DC马达)广泛用于运动控制应用，例如被用在电动助力转向(EPS)系统、动力工具等中。已开发出具有多组绕组的PMDC马达，以在EPS应用中提供冗余。尽管这些马达类似于其典型的单绕组对等体(counterpart)，但大多数常用的绕组方案都会导致不同组的绕组之间的感应耦合。这导致这些马达的电流以及由此的转矩、控制行为不同于单绕组马达。因此，现有的控制方案无法扩展到多相PMDC马达。
PMDC马达驱动器的转矩控制通过利用测量的电流反馈的电流调节(通过电流测量电路)来执行。例如，前馈电流和转矩控制是控制PMDC马达驱动器的一种模式。为了实现PMDC马达的前馈控制，需要PMDC马达的准确模型(包括例如电刷电压降(brush dropvoltage)的非线性)。
发明内容
本公开大体上涉及促进多相永磁直流(PMDC)马达的前馈转矩和电流控制。
公开的实施例的一方面包括一种用于控制PMDC机器的输出转矩的系统。该系统包括PMDC马达和控制器，该PMDC马达包括多组绕组。PMDC马达被配置为生成输出转矩。该控制器被配置为：对于PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势(back-EMF)电压降(drop voltage)来确定第一电压命令；对于PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令；以及根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制PMDC马达。
公开的实施例的另一方面包括一种用于控制PMDC马达的输出转矩的控制器。该控制器被配置为：对于多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；对于多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令；以及根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制多相PMDC马达。
公开的实施例的另一方面包括一种用于控制PMDC马达的输出转矩的方法。该方法包括：对于多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令。该方法还包括：对于多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令。该方法还包括：根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制多相PMDC马达。
在以下对实施例、所附权利要求书和附图的详细描述中公开了本公开的这些和其他方面。
附图说明
当结合附图阅读时，通过以下详细描述，本公开被最好地理解。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。
图1大体上示出了根据本公开原理的车辆。
图2大体上示出了根据本公开原理的示例多绕组永磁直流(PMDC)机器。
图3大体上示出了根据本公开原理的使用数学模型的双绕组PMDC机器的框图。
图4大体上示出了根据本公开原理的用于前馈电流和转矩控制的系统的框图。
图5大体上示出了根据本公开原理的用于前馈电流和转矩控制的系统的另一框图。
图6是大体上示出了根据本公开原理的前馈电流和转矩控制方法的流程图。
具体实施方式
以下讨论针对本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅旨在成为该实施例的示例性讨论，而无意于暗示包括权利要求的本公开的范围限于该实施例。
如上所述，永磁直流(PMDC)马达(也称为有刷DC马达)广泛用于运动控制应用，例如被用在电动助力转向(EPS)系统、动力工具等中。已开发出具有多组绕组的PMDC马达，以在EPS应用中提供冗余。尽管这些马达类似于其典型的单绕组对等体，但大多数常用的绕组方案都会导致不同组的绕组之间的感应耦合。这导致这些马达的电流、以及因此转矩、控制行为不同于单绕组马达。因此，现有的控制方案无法扩展到多相PMDC马达
PMDC马达驱动器的转矩控制通过利用测量的电流反馈的电流调节(通过电流测量电路)来执行。例如，前馈电流和转矩控制是控制PMDC马达驱动器的一种模式。前馈控制通常不容易出现不稳定(由于开环性质)，并且无噪声，因为实现前馈控制通常不需要电流传感器。此外，前馈控制系统的噪声传输特性与其他控制系统相比更低。因此，在诸如EPS系统、动力工具等应用中，使用前馈电流控制来操作PMDC马达是有益的。
因此，可能期望提供对PMDC马达驱动器进行前馈控制的系统和方法，例如本文所述的系统和方法。为了实现PMDC马达驱动器的前馈控制，需要PMDC马达的准确的模型(包括非线性，例如电刷电压降)。例如，在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为：通过利用被控对象(或马达)的逆数学模型来确定或计算控制信号(例如，电压命令)。特别地，本文描述的系统和方法基于电流命令(参考)和马达速度信号来实现对多相PMDC马达(例如，具有至少两组绕组)的前馈电流(转矩)控制，该马达速度信号可以由速度传感器估计或测量，或通过对从位置传感器获得的马达位置求微分而被估计或测量。在一些实施例中，基于机器模型的控制器可以基于具有估计的参数的PMDC机器的基本相似的模型。另外地或可替代地，速度参数可以直接从传感器(位置传感器或速度传感器)或观测器输出而获得。在一些实施例中，基于变换的机器模型的控制器可以使用修改的机器模型的逆来计算电压命令。可以对电压命令进行数学变换以应用于PMDC机器终端。
图1大体上示出了根据本公开原理的车辆10。车辆10可以包括任何合适的车辆，例如小汽车、卡车、运动型多用途车、小型货车、跨界车、任何其他乘用车、任何合适的商用车或任何其他合适的车辆。尽管车辆10被图示为具有车轮并且在道路上使用的乘用车，但是本公开的原理可以应用于其他交通工具，例如飞机、轮船、火车、无人机或其他合适的交通工具。
车辆10包括车主体12和发动机罩14。乘客室18至少部分地由车主体12限定。车主体12的另一部分限定引擎室20。发动机罩14可移动地附接至车主体12的一部分，使得当发动机罩14处于第一位置或打开位置时发动机罩14提供对引擎室20的访问，而当发动机罩14处于第二位置或关闭位置时发动机罩14盖住引擎室20。在一些实施例中，引擎室20可以被设置在车辆10的在后面的部分(与通常所示出的相比而言)。
乘客室18可以被设置在引擎室20的后方，但是在引擎室20被设置在车辆10的后面部分的实施例中，乘客室18可以被设置在引擎室20的前方。车辆10可以包括任何合适的推进系统，包括内燃机、一个或多个电动马达(例如，电动车辆)、一个或多个燃料电池、包括内燃机、一个或多个电动马达的组合的混合(例如，混合动力车辆)推进系统和/或任何其他合适的配置(例如，双绕组版本)。
在一些实施例中，车辆10可以包括汽油燃料引擎，诸如火花点火式引擎。在一些实施例中，车辆10可以包括柴油燃料引擎，例如压缩点火式引擎。引擎室20容纳和/或包围车辆10的推进系统的至少一些组件。附加地或可选地，推进控制装置(例如加速器致动器(例如，加速器踏板)、制动致动器(例如，制动踏板)、转向盘和其他此类组件)被设置在车辆10的乘客室18中。推进控制装置可以由车辆10的驾驶员致动或控制，并且可以直接相应地连接至推进系统的对应组件，例如油门、制动器、车轴、车辆变速器(transmission)等。在一些实施例中，推进控制装置可以将信号传达到车辆计算机(例如，线控驾驶)，该车辆计算机进而可以控制推进系统的对应的推进组件。这样，在一些实施例中，车辆10可以是自主车辆。
在一些实施例中，车辆10包括经由飞轮或离合器或液力联轴节与曲轴通信的变速器。在一些实施例中，变速器包括手动变速器。在一些实施例中，变速器包括自动变速器。在内燃机或混合动力车辆的情况下，车辆10可以包括一个或多个活塞，其与曲轴协同运行以生成力，该力通过变速器被传递到一个或多个轴上，进而使车轮22转动。当车辆10包括一个或多个电动马达时，车辆电池和/或燃料电池向电动马达提供能量，以使车轮22转动。
车辆10可以包括自动车辆推进系统，例如巡航控制、自适应巡航控制、自动制动控制、其他自动车辆推进系统或其组合。车辆10可以是自动或半自动车辆，或其他合适类型的车辆。车辆10可以包括与本文一般示出和/或公开的特征相比的附加的特征或更少的特征。
在一些实施例中，车辆10可以包括以太网组件24、控制器局域网(CAN)组件26、面向媒体的系统传输组件(MOST)28、FlexRay组件30(例如线控制动系统等)和本地互连网络组件(LIN)32。在一些实施例中，车辆10被配置用于具有空中编程支持的域控制。例如，如所描述的，车辆10可以经由互联网(例如，或其他合适的网络)接收针对车辆10的任何合适的软件组件的更新。车辆10可以基于该更新来更新或改变软件组件。车辆10可包括比本文一般示出和/或公开的特征更多或更少的特征。
在一些实施例中，车辆10可包括利用PMDC马达的电动助力转向(EPS)系统。PMDC马达可以包括定子、转子和换向器(commutator)。通常，定子包含磁极，而转子是承载绕组的电枢。换向器附接到电刷和滑环，其允许PMDC机器的机械换向。电刷连接到相引线端子，通过该端子可以将电压施加到PMDC机器。术语“机器”在本文中与术语“马达”可互换使用，并且仅指系统(例如，图2-5所示的马达控制系统300)的PMDC马达(例如，图3-5所示的PMDC马达520)。
单缠绕PMDC机器的数学模型由两个控制方程组成，两个控制方程与机器的电压、电流和(电磁)转矩相关，如下所示。
Figure BDA0002808267290000051
eg＝Keωm
Te＝Keia
其中，v、ia和Te分别是机器的输入电压、电流和电磁转矩，Ke、R和L分别代表机器反电动势(和转矩)常数、马达电路电阻和电感，eg代表反电动势电压降，且vb是非线性电刷电压降并且是电流的函数，如下所示。
Figure BDA0002808267290000061
其中，V0和I0是电刷压降参数。通常，所有机器参数都是工作温度和磁饱(由大电流操作引起)的非线性函数。
此外，马达的电气参数(即，反电动势常数或转矩常数Ke、电阻R和电感L)随马达的工作条件而动态地变化。对于给定的磁体温度θm，Ke的变化可表示为：
Ke＝γk(Ken(1+αm(θm-θn)))
其中，γk是考虑到磁饱和的缩放因子并且是马达电流ia的函数，Ken是在温度θn下Ke的标称(不饱和)值，且αm是代表在马达中使用的永磁材料的热系数的常数。
马达的电感可以由以下等式表示：
L＝γlLn
其中，γL是基于马达的磁饱和特性针对电感的缩放因子并且是马达电流ia的函数，且Ln是标称(不饱和)电感值。
此外，马达电路电阻可由以下等式描述：
R＝Rf(1+αf(θf-θn))+Rm(1+αw(θw-θn))
其中，Rf是场效应晶体管(FET)电阻的标称值，αf是代表FET的热系数的常数，θf是FET的温度，θn是测量Rf时的标称温度，Rm是马达电阻的标称值，αw是代表绕组的热系数的常数，θw是绕组的温度，θn是测量Rm时的标称温度。
上面针对电阻的等式提供了马达电路的电阻，而不仅仅是马达绕组的电阻。在一些实施例中，马达参数被实时地或接近实时地连续估计，这可以导致对马达控制系统300所使用的信号的改进的估计。
从控制系统设计的角度来看，PMDC马达520是被控对象，并且如上所述，PMDC马达520的时域模型可以被变换到s域中：
V(s)＝(LS+R)Ia(s(+Eg(s)+VB(s)
PMDC机器的电刷通常容易受到机械磨损。机械磨损会导致马达出现故障，在这之后机器将无法运行。在EPS系统设置中，不使用PMDC马达会导致车辆10的操作员失去辅助。为了解决这一挑战，已经开发了具有多组绕组的PMDC马达以提供系统冗余。
图2大体上示出了根据本公开原理的包括多绕组PMDC机器的马达控制系统300。更具体地，马达控制系统300是“双缠绕PMDC机器”的示例，该“双缠绕PMDC机器”包括四个定子极(即，两个磁极对(N和S))110、两个电刷对(B1-B4)120、彼此对应的十二个换向器板和转子槽(即，转子极之间的间隙)130和换向器片(例如，1.1-1.2、1.3-1.4、2.1-2.2、2.3-2.4、3.1-3.2和3.3-3.4)140，以及具有径节(diametrical pitch)的分布式搭迭绕组150。应当注意，本文描述的技术方案不限于具有图2所示的配置的马达控制系统300。而是，在其他示例中，马达控制系统300可以包括附加的电刷对120和/或磁极对110。可替代地或附加地，在其他示例中，马达控制系统300可以包括不同数量的转子槽130或不同方式的用于换向器片140的绕组。
尽管多绕组PMDC马达类似于其典型的单绕组对等体，但大多数常用的绕组方案都会导致不同组的绕组之间的电感耦合。这导致这些马达的电流、以及由此转矩、控制行为不同于单绕组马达。因此，单绕组PMDC马达的现有控制方案无法扩展到多相PMDC马达。PMDC马达驱动器的转矩控制通过利用测量的电流反馈的电流调节(通过电流测量电路)来执行。例如，前馈电流和转矩控制是控制PMDC马达驱动器的一种模式。为了实现PMDC马达的前馈控制，需要的PMDC马达的准确的模型(包括非线性，如电刷电压降)。
图3大体上示出了根据本公开原理的使用数学模型的双绕组PMDC机器的框图。图3中的马达控制系统300的视图包括控制器510和PMDC马达520，在这种情况下，马达520包括双绕组。控制器510可以包括任何合适的控制器，例如车辆电子控制单元、处理器或任何其他合适的控制器，例如本文所述的那些。控制器510可以与存储器通信。该存储器可以包括任何合适的非易失性或易失性存储器。存储器可以包括存储器阵列、存储器存储装置或任何其他合适的存储器。存储器可以包括指令，该指令在由控制器510执行时使控制器510：至少控制车辆10的系统所采用的PMDC马达。附加地或者可替代地，指令在由控制器510执行时使控制器510执行车辆10的各种其他功能。
对于双绕组PMDC马达520，两个输入电压(V1)530a和(V2)530b可以基于由控制器510(例如，通过功率控制器(未示出))生成的电压命令。应该注意的是，虽然理想情况下控制器510生成的电压命令等于PMDC马达520的输入电压(V1)530a和(V2)530b，但实际上，由于例如功率转换器电路的非线性，这些值可能略有不同。如参考图4和图5更详细地讨论的，控制器510可以基于一个或多个输入转矩命令信号(例如，图4和图5的输入电流命令
Figure BDA0002808267290000081
和
Figure BDA0002808267290000082
)确定电压命令。一个或多个输入转矩命令信号可以基于输入转矩
Figure BDA0002808267290000083
生成。
此外，由于每个相应绕组的反电动势(ωm)而修改该电压命令。反电动势基于马达520的速度。例如，马达520的第一组绕组的第一反电动势电压(ωm)532a基于马达速度和第一组绕组的第一反电动势(和转矩)常数Ke1。类似地，马达520的第二组绕组的第二反电动势电压(ωm)532b基于马达速度和第二组绕组的第二反电动势(和转矩)常数Ke2。
由于每个绕组的电刷电压降(Vbd)而进一步修改该电压命令530a-530b。例如，第一电压(V1)530a与第一绕组的电刷电压降相加，并且第二电压V2与第二绕组的电刷电压降相加。基于每个绕组的电感和电阻，将该电压转换为每个绕组的电流(I1)540a和(I2)540b，并且该电流进一步从马达520产生合成转矩(Te)550。基于每个绕组的相应常数Ke1和Ke2，输出转矩550与电流I1和I2成比例。此外，两个绕组之间的磁耦合(由互感(M)表示)进一步影响电压命令生成的电流。
由于双绕组PMDC机器300的各相之间的附加的磁耦合，机器300的机器模型与单缠绕机器的机器模型有所不同。例如，用于双缠绕PMDC机器300的数学模型被如下给出。
Figure BDA0002808267290000084
Figure BDA0002808267290000085
Te＝Ke1I1+Ke2I2
其中，M12＝M21＝M，表示两相之间的感应耦合。通常，互感项(M12I2和M21I1)随机器电流I1和I2非线性变化。
该模型可以扩展到n相PMDC机器，其中，n表示所使用的绕组的数量(或单个PMDC机器中包括的冗余机器的数量)。n相机器的一般模型可以如下表示。
Figure BDA0002808267290000091
Figure BDA0002808267290000092
Figure BDA0002808267290000096
Figure BDA0002808267290000093
Te＝Ke1I1+Ke2I2+…+KenIn
其中，一般情况下，互感被指定为不同。两组绕组(例如说，组a和组b)的互感是相等的(例如，Mab＝Mba)。
为简单起见，其余说明针对双绕组机器，其可以扩展到一般的n相机器。双缠绕机器的电压-电流方程可以用传递矩阵(transfer matrix)形式表示如下。
Figure BDA0002808267290000094
Figure BDA0002808267290000095
其中，假设两个电刷压降项与电流无关，以便生成PMDC机器的传递矩阵表示(因为，传递矩阵的频域表示需要时域中的线性时不变模型)。因此，可以根据输入电压来如下表示输出电流。
Figure BDA0002808267290000101
Δ(s)＝(L1s+R1)(L2s+R2)-s2M2＝(L1L2-M2)s2+(L1R2+L2R1)s+R1R2
当绕组布置对称并且两个电刷对相似时，可以简化上述模型，以假定半机器相同(例如，自感、电阻、电压常数和电刷压降参数相等)。
因此，在双绕组PMDC机器300中，控制器510通过生成促使产生电压530a-530b的电压命令使得获得的电流导致输出转矩550，来同时使用两个绕组生成输出转矩550。控制器510基于将由马达520生成的输出转矩550来生成电压命令530a-530b。在一个绕组(例如第一绕组)发生故障的情况下，第二电压命令530b使第二绕组继续生成对应的电流540b，从而至少导致部分输出转矩550。
替代地或另外地，控制器510仅生成单个电压命令以引起输入电压(例如第一电压530a)，从而仅使用第一绕组生成输出转矩。在第一绕组发生故障的情况下，控制器510随后使用第二绕组来生成引起第二输入电压(V2)530b的第二电压命令，从而生成输出转矩550。
上述模型可扩展到n绕组PMDC机器(而不仅仅是双绕组)，其中，控制器510使用对于n个绕组的n个(n大于2)电压命令V1-Vn，每个电压命令生成对应的电流I1-In，并且它们共同导致马达生成输出转矩550。
应当注意，本文描述的用于多相PMDC马达的前馈控制的实施例可适用于使用PMDC马达的任何应用，例如船只、动力工具、转子泵以及任何其他此类应用。PMDC马达驱动器在工业中广泛用于低成本应用。通常，反馈电流控制技术用于PMDC机器的电流和转矩控制。本文描述的技术方案有助于使用前馈控制，并且从而提供若干优点。例如，当位置传感器或速度传感器可用时，使用前馈控制不需要电流传感器，从而节省了成本。此外，由于马达控制系统的开环特性，前馈控制减少了不稳定性。此外，前馈控制提供了基于PMDC的驱动系统的容错控制操作。本领域技术人员将容易理解其他优点。本文描述的技术方案提供了可用于不同应用的PMDC马达的前馈控制的不同配置。
前馈电流控制使用马达速度进行电流控制。虽然马达速度可以使用速度传感器来测量，或者通过对由位置传感器测量的位置信号求微分来获得，但是也可以使用观测器来估计马达速度。
图4大体上示出了根据本公开原理的用于前馈电流(和转矩)控制的系统的框图。在图4中，马达控制系统300有助于PMDC马达520的前馈控制，并且从而控制PMDC马达520的转矩输出。在一些实施例中，马达控制系统300包括前馈电流控制器510以及其他组件。本公开使用术语“马达控制系统”来指代前馈电流控制器510和PMDC马达520。在一些实施例中，控制器510通过以下方式来控制PMDC马达520的转矩输出550：使用具有估计的参数和命令的电流的PMDC马达520的机器模型的逆来计算电压。图4中示出的具有波浪号的任何参数表示可以估计这些参数。可通过利用PMDC马达520不同部分的温度和磁饱和特性来实时估计这些参数。
如图所示，电压命令530a基于输入电流命令
Figure BDA0002808267290000111
402a、估计的电刷电压降
Figure BDA0002808267290000112
404a和估计的反EMF电压降
Figure BDA0002808267290000113
406a来确定。电压命令530b基于输入电流命令
Figure BDA0002808267290000114
402b、估计的电刷电压降
Figure BDA0002808267290000115
404b和估计的反EMF电压降
Figure BDA0002808267290000116
406b来确定。
控制器510使用以下表达式生成估计的电刷电压降404a和404b：
Figure BDA0002808267290000117
Figure BDA0002808267290000118
其中，
Figure BDA0002808267290000119
和
Figure BDA00028082672900001110
是预定的电刷压降参数，且
Figure BDA00028082672900001111
和
Figure BDA00028082672900001112
是电流命令。虽然电刷压降估计被示出为电流命令的函数，但如果马达电流测量结果可用则该电刷压降估计也可以通过将电流命令替换为测量的马达电流来进行估计。
此外，控制器510基于马达电路的电阻
Figure BDA00028082672900001113
值和电感
Figure BDA00028082672900001114
值的估计，为输入电流命令
Figure BDA0002808267290000121
402a和
Figure BDA0002808267290000122
402b生成530a和530b。马达电路的电阻值和电感值是预定值或估计的值。导数项
Figure BDA00028082672900001212
的近似可以是其标准形式，例如
Figure BDA0002808267290000123
然后可以使用不同的技术(例如，后向微分、双线性变换等)对导数项
Figure BDA0002808267290000124
进行离散化，或者导数项
Figure BDA0002808267290000125
可以是具有非常有针对性的增益和相位响应的直接数字导数设计，以获得期望的精度、复杂度和噪声传输特性。
如所描绘的，控制器510基于预定的反EMF常数值和估计的马达速度
Figure BDA0002808267290000126
生成估计的反EMF电压降
Figure BDA0002808267290000127
406a。马达速度信号可以使用速度传感器来测量，或者通过对从位置传感器获得的马达位置求微分来获得。例如，速度感测电路可以监测马达速度并将检测到的速度作为输入提供给控制器510。速度感测电路可以具有表示速度传感器动力学的传递函数。在一些实施例中，低通滤波器可以使用取决于马达速度的预定截止频率。
在一些实施例中，前馈控制可以利用由位置传感器测量的速度。位置感测电路可以监测马达的位置并将检测到的位置作为输入提供给控制器510。在一些实施例中，控制器510包括马达速度模块，该马达速度模块基于马达位置信号来计算估计的马达速度。例如，马达速度模块可以通过对马达位置信号求微分来计算马达速度。马达位置信号可以提供马达轴的角位置。用于从马达位置信号获得估计的马达速度的导数实现
Figure BDA0002808267290000128
可以具有诸如
Figure BDA0002808267290000129
的形式，然后可以使用不同的技术(例如，后向微分或双线性变换)该导数实现
Figure BDA00028082672900001210
进行离散化，或者该导数实现
Figure BDA00028082672900001211
可以是具有非常有针对性的增益和相位响应的直接数字导数设计，以获得期望的精度、复杂度和噪声传输特性。应当注意，在其他示例中，表示位置传感器动力学的传递函数可能与图中所示的取决于特定传感器特性的第一阶传递函数不同。
在一些实施例中，可以从马达控制系统300中省略电刷压降参数，以试图从控制器510中进行简化。通过扩展与互感相关的电压项以包括多相机器的所有组的绕组之间的交叉耦合，马达控制系统300可以扩展到具有多于两组绕组的任何多相机器。
图5大体上示出了根据一个或多个实施例的用于前馈电流(和转矩)控制的马达控制系统300的另一示例性框图。该控制回路是使用图5中大体所示的多缠绕机器的替代数学模型来实现的，如下所示。
Figure BDA0002808267290000131
V+＝V1+V2 V-＝V1-V2
I+＝V1+V2 V-＝V1-V2
Te＝KeI+
如图5中大体上所示，控制逻辑是基于作为各个电流命令的函数的电流和命令以及差命令来实现的。控制回路确定电压和命令和电压差命令，然后在410处将其变换回各个电压命令并施加到PMDC机器。电流和控制回路包括对马达电路电阻
Figure BDA0002808267290000132
值、自感
Figure BDA0002808267290000133
值和互感
Figure BDA0002808267290000134
值的前馈估计，以及(修改的)反电动势
Figure BDA0002808267290000135
和电刷压降参数
Figure BDA0002808267290000136
而电流差回路不包括后两项。此替代数学模型允许简化多相PMDC机器的控制逻辑实现。
图6是大体上示出根据本公开原理的用于控制多相PMDC马达的方法600的流程图。在602处，方法600对于多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令。例如，控制器510对于多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令。在604处，方法600对于多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令。例如，控制器510对于多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令。在606处，方法600根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制多相PMDC马达。例如，控制器510根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制多相PMDC马达。
在一些实施例中，一种用于控制永磁直流(PMDC)机器的输出转矩的系统包括：被配置为生成输出转矩的PMDC马达，该PMDC马达包括多组绕组；以及控制器，其被配置为：对于PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；对于PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令；以及根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制PMDC马达。
在一些实施例中，控制器还被配置为基于第一组绕组的电刷电压降来确定第一电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为使用第二组绕组的电刷电压降和反电动势电压降来确定第二电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为基于PMDC马达的电路的电感和PMDC马达的电路的电阻来确定第一电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为基于PMDC马达的电路的电感和PMDC马达的电路的电阻来确定第二电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为：基于第一输入转矩命令信号、PMDC马达的电路的电感和PMDC马达的电路的电阻来确定电压值；以及计算第一组绕组的电压值和反电动势电压降的和。
在一些实施例中，控制器还被配置为基于电压值和电压值、第一组绕组的电刷电压降和第一组绕组的反电动势电压降的和来确定第一电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为使用马达速度信号估计来确定第一组绕组的反电动势电压降。
在一些实施例中，控制器还被配置为：对第一组绕组施加第一电压命令，该第一组绕组响应于第一电压命令而生成第一电流；以及对第二组绕组施加第二电压命令，该第二组绕组响应于第二电压命令而生成第二电流；其中，PMDC马达响应于第一电流和第二电流生成输出转矩。
在一些实施例中，控制器还被配置为使用数学变换来确定第一电压命令和第二电压命令。
在一些实施例中，一种用于控制多相永磁直流(PMDC)马达的输出转矩的控制器被配置为：对于多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；对于多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令；以及根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制多相PMDC马达。
在一些实施例中，控制器还被配置为基于第一组绕组的电刷电压降来确定第一电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为使用第二组绕组的电刷电压降和反电动势电压降来确定第二电压命令。
在一些实施例中，控制器还被配置为基于多相PMDC马达的电路的电感和多相PMDC马达的电路的电阻来确定第一电压命令。
在一些实施例中，一种用于控制多相永磁直流(PMDC)马达的输出转矩的方法包括：对于多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；对于多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令；以及根据第一电压命令和第二电压命令选择性地控制多相PMDC马达。
在一些实施例中，该方法还包括基于第一组绕组的电刷电压降来确定第一电压命令。
在一些实施例中，该方法还包括使用第二组绕组的电刷电压降和反电动势电压降来确定第二电压命令。
在一些实施例中，该方法还包括基于多相PMDC马达的电路的电感和多相PMDC马达的电路的电阻来确定第一电压命令。
在一些实施例中，该方法还包括使用马达速度信号估计来确定第一组绕组的反电动势电压降。
在一些实施例中，该方法还包括：对第一组绕组施加第一电压命令，该第一组绕组响应于第一电压命令而生成第一电流；以及对第二组绕组施加第二电压命令，该第二组绕组响应于第二电压命令而生成第二电流；其中，多相PMDC马达响应于第一电流和第二电流生成输出转矩。
以上讨论意在说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了上述公开，许多变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。意图将以下权利要求解释为包含所有这样的变化和修改。
词语“示例”在本文中用来表示用作示例、例子或说明。本文中被描述为“示例”的任何方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更优选或有利。相反，使用“示例”一词旨在以具体方式呈现概念。如在本申请中使用的，术语“或”旨在表示包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文可以清楚地看出，“X包括A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X包含A；X包括B；或X包括A和B二者，则在任何前述情况下均满足“X包括A或B”。另外，在本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一(a/an)”通常应被解释为意指“一个或多个”，除非另有说明或从上下文清楚地指向单数形式。此外，除非如此描述，否则贯穿全文使用术语“实施方式”或“一个实施方式”并不旨在表示相同的实施例或实施方式。
本文描述的系统、算法、方法以及命令等的实现可以以硬件、软件或其任何组合来实现。硬件可以包括，例如，计算机、知识产权(IP)内核、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、光学处理器、可编程逻辑控制器、微代码、微控制器、服务器、微处理器、数字信号处理器或任何其他合适的电路。在权利要求中，术语“处理器”应被理解为单独地或组合地包括任何前述硬件。术语“信号”和“数据”可互换使用。
如在此使用的，术语模块可以包括被设计为与其他组件一起使用的封装的功能硬件单元、控制器(例如，执行软件或固件的处理器)可执行的一组命令、被配置为执行特定功能的处理电路以及与大型系统接合的自含式硬件或软件组件。例如，模块可以包括专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电路、数字逻辑电路、模拟电路、分立电路的组合、门电路和其他类型硬件或者它们的组合。在其他实施例中，模块可以包括存储器，该存储器存储控制器可执行以实现模块的特征的命令。
此外，在一方面，例如，本文描述的系统可以使用具有计算机程序的通用计算机或通用处理器来实现，该计算机程序在被执行时实行本文描述的任何对应的方法、算法和/或命令。附加地或可选地，例如，可以利用专用计算机/处理器，其可以包含用于实行本文描述的任何方法、算法或命令的其他硬件。
此外，本公开的全部或部分实现方式可以采取可从例如计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式。计算机可用或计算机可读介质可以是例如可以有形地包含、存储、传达或传输程序以供任何处理器使用或与其结合使用的任何装置。介质可以是例如电的、磁的、光学的、电磁的装置或半导体装置。也可以使用其他合适的介质。
已经描述了上述实施例、实施方式和方面，以允许容易地理解本发明并且不限制本公开。相反，本发明旨在覆盖所附权利要求的范围内所包括的各种修改和等效布置，该范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖法律允许的所有此类修改和等效结构。

Claims (20)

1.一种用于控制永磁直流PMDC机器的输出转矩的系统，包括：
PMDC马达，其被配置为生成所述输出转矩，所述PMDC马达包括多组绕组；以及
控制器，其被配置为：
对于所述PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和所述第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；
对于所述PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号来确定第二电压命令；以及
根据所述第一电压命令和所述第二电压命令选择性地控制所述PMDC马达。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述第一组绕组的电刷电压降来确定所述第一电压命令。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用第二组绕组的电刷电压降和反电动势电压降来确定所述第二电压命令。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述PMDC马达的电路的电感和所述PMDC马达的电路的电阻来确定所述第一电压命令。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述PMDC马达的电路的电感和所述PMDC马达的电路的电阻来确定所述第二电压命令。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
基于所述第一输入转矩命令信号、所述PMDC马达的电路的电感和所述PMDC马达的电路的电阻来确定电压值；以及
计算所述第一组绕组的反电动势电压降和所述电压值的和。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述电压值以及所述电压值、所述第一组绕组的电刷电压降和所述第一组绕组的反电动势电压降的和来确定所述第一电压命令。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用马达速度信号估计来确定所述第一组绕组的反电动势电压降。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
对所述第一组绕组施加所述第一电压命令，所述第一组绕组响应于所述第一电压命令而生成第一电流；以及
对所述第二组绕组施加所述第二电压命令，所述第二组绕组响应于所述第二电压命令而生成第二电流；其中，所述PMDC马达响应于所述第一电流和所述第二电流生成输出转矩。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用数学变换来确定所述第一电压命令和所述第二电压命令。
11.一种用于控制多相永磁直流PMDC马达的输出转矩的控制器，所述控制器配置为：
对于所述多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和所述第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；
对于所述多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号来确定第二电压命令；以及
根据所述第一电压命令和所述第二电压命令选择性地控制所述多相PMDC马达。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述控制器还被配置为基于所述第一组绕组的电刷电压降来确定所述第一电压命令。
13.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述控制器还被配置为使用所述第二组绕组的电刷电压降和反电动势电压降来确定所述第二电压命令。
14.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述控制器还被配置为基于所述多相PMDC马达的电路的电感和所述多相PMDC马达的电路的电阻来确定所述第一电压命令。
15.一种用于控制多相永磁直流PMDC马达的输出转矩的方法，所述方法包括：
对于所述多相PMDC马达的第一组绕组，基于第一输入转矩命令信号和所述第一组绕组的反电动势电压降来确定第一电压命令；
对于所述多相PMDC马达的第二组绕组，基于第二输入转矩命令信号确定第二电压命令；以及
根据所述第一电压命令和所述第二电压命令选择性地控制所述多相PMDC马达。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括基于所述第一组绕组的电刷电压降来确定所述第一电压命令。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括使用所述第二组绕组的电刷电压降和反电动势电压降来确定所述第二电压命令。
18.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：基于所述多相PMDC马达的电路的电感和所述多相PMDC马达的电路的电阻来确定所述第一电压命令。
19.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：使用马达速度信号估计来确定所述第一组绕组的反电动势电压降。
20.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：
对所述第一组绕组施加所述第一电压命令，所述第一组绕组响应于所述第一电压命令而生成第一电流；以及
对所述第二组绕组施加所述第二电压命令，所述第二组绕组响应于所述第二电压命令而生成第二电流；其中，所述多相PMDC马达响应于第一电流和第二电流生成输出转矩。
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