CN113104096B - 用于估计有刷电动助力转向系统的马达速度的观测器设计 - Google Patents

用于估计有刷电动助力转向系统的马达速度的观测器设计 Download PDF

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Abstract

本申请公开了用于估计有刷电动助力转向系统的马达速度的观测器设计。提供了一种马达的马达控制系统。该系统包括状态估计观测器，该状态估计观测器基于对马达轴的动力学的惯性阻尼响应、转矩命令信号和经补偿的命令信号来计算估计的速度。该经补偿的信号来自比例积分微分(PID)控制器，该控制器确定感测的位置和估计的位置之间的差异。估计的位置由估计的速度和积分器来确定。该控制系统还可以包括基于马达速度的低通滤波器，这将滤波器应用于估计的速度。

Description

用于估计有刷电动助力转向系统的马达速度的观测器设计
相关申请的交叉引用
无
关于联邦资助的研究或开发的声明
无
技术领域
与示例实施例一致的装置和方法涉及电动助力转向(EPS)系统，并且更具体地，涉及EPS系统中的马达速度的估计。
背景技术
在诸如EPS等控制系统中，状态观测器是基于系统的输入和输出的测量值来提供对控制系统内部状态的估计的系统或模块。知道内部系统状态有助于解决与真实系统相关的技术问题，例如，通过使用状态反馈来使真实系统稳定。通常，由于财务考虑和传感器安装的不可行性，EPS的物理内部系统状态无法通过直接测量来确定。而是，借助于更容易测得的系统输出来观测内部状态的间接影响。在这样的情况下，状态观测器模块基于输出测量值来促进内部系统状态的至少一部分的重建。
例如，EPS系统包括马达，该马达有助于在EPS系统的运行期间提供驾驶员辅助，因为该马达有助于EPS系统发挥作用，从而实现更好的转向感。马达速度是控制EPS系统的关键信号。可以使用传感器和/或转速表来直接测量马达速度。然而，这种直接测量需要额外的硬件，这导致额外的成本以及工程设计，特别是对于针对低端客户的具有有刷马达的EPS的设计的工程设计。因此，除了EPS系统工作的其他方面之外，还期望在不会显著降低精度的情况下使用状态观测器模块来估计马达速度信号。
在特定情况下，如果位置信号的差分被用于生成马达速度，则将导致不需要的噪声和延迟。
在其他情况下，可以使用马达的电学行为来对马达系统建模，以使用以下等式来获得马达速度的估计值：
其中，L和R分别是马达系统的电感和电阻；i是有刷马达的电枢电流，di/dt＝0；ke是马达反电动势(BEMF)常数；ω是马达速度；并且Vb和Vp是电刷压降和PWM电桥之后的电压。在大多数情况下，很难获得合适的Vb值，并且进而使得马达速度的估计不准确，从而导致EPS系统的转向控制感觉不佳。当驾驶盘保持在固定位置时，这是一个特别需要关注的问题。在这种情况下，使用上述等式估计的马达速度将具有相对于零的偏移，这是一个问题。
因此，期望获得马达速度的准确估计。
发明内容
从以下结合附图的描述，这些和/或其他优点和特征将变得更加明显。
示例实施例可以至少解决以上问题和/或缺点以及以上未描述的其他缺点。而且，不需要示例实施例克服上述缺点，并且示例实施例可以不克服上述任何问题。
根据示例实施例的一方面，提供了一种马达的马达控制系统，该马达控制系统包括状态观测器模块。状态观测器模块包括：状态估计观测器/模型系统，该系统基于马达转矩来模拟马达轴动力学；以及补偿器。该补偿器可以计算跟踪命令信号，其被用来使估计的位置信号收敛于测得的位置信号。补偿器可以包括比例积分微分(PID)控制器电路，并且可以被配置为：接收误差e(t)，该误差e(t)是感测的位置与估计的位置之间的差；以及基于PID控制器电路的调节参数和误差e(t)来输出经补偿的命令信号。PID控制器还可以包括：用于导数项的低通滤波器模块，其用于防止高频信号的影响；以及用于对积分项进行抗饱和(anti-windup)的饱和模块。状态观测器模块还包括状态估计观测器/模型系统，该状态估计观测器/模型系统基于其减小的惯性阻尼系统来模拟马达轴动力学。该状态估计观测器/模型系统被配置为：接收马达命令信号，从补偿器接收经补偿的命令信号，基于来自补偿器电路的经补偿的命令信号和马达命令信号来将估计的速度计算为马达控制系统的被控对象模型(plant model)的测得的状态，以及输出要由积分器转换成估计的位置的估计的速度。
马达控制系统还可以包括基于马达速度的低通滤波器模块。状态估计观测器/模型系统被配置为将估计的速度输出到基于马达速度的低通滤波器模块，其中，低通滤波器模块的截止频率可以取决于先前估计的马达速度。
状态估计观测器/模型系统可以通过将经补偿的命令信号添加到马达命令信号来计算估计的速度。在此，马达命令信号用作马达控制系统的前馈命令。
马达可以是有刷马达。
根据另一示例实施例的一方面，提供了一种电动助力转向(EPS)系统，其包括马达和状态观测器模块。
根据另一示例实施例的一方面，提供了一种用于确定马达的估计的马达速度的方法，该方法由马达控制系统的控制模块来实施。该方法包括：接收感测的位置和估计的位置，确定感测的位置与估计的位置之间的误差e(t)，基于该误差e(t)和补偿器电路的调节参数来生成经补偿的命令信号，以及基于马达命令信号、误差e(t)和经补偿的命令信号来将估计的速度计算为马达控制系统的被控对象模型的测得的状态。可以使用状态估计观测器/模型系统、包括PID控制器的补偿器和积分器来计算估计的位置。
该方法还可以包括基于感测的位置来确定估计的马达速度。
估计的速度可以通过基于马达速度的低通滤波器来传输。
马达可以是有刷马达。
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声明了被视为本发明的一个或多个方面的主题。从以下结合附图的详细描述，示例实施例的前述和/或其他特征及优点将变得显而易见，其中：
图1示出了根据示例实施例的包括转向系统的车辆；
图2示出了根据示例实施例的包括状态观测器模块和低通滤波器模块的马达控制系统；
图3示出了根据示例实施例的使用惯性阻尼简化的转向系统的马达的被控对象模型；
图4是示出了相对于零的马达速度偏移的说明性示图。
图5示出了根据示例实施例的状态观测器模块的数据流；以及
图6示出了根据示例实施例的基于马达速度的低通滤波器500。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的示例实施例，其中，相似的附图标记始终表示相似的元件。就这一点而言，示例实施例可以具有不同的形式，并且可以不被解释为限于在此阐述的描述。
将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，该术语指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
将进一步理解的是，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分可能不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和所有组合。当诸如“…中的至少一个”等表述被放在元件列表之后时，该表述会修改元件的整个列表但不会修改列表的各个元件。另外，说明书中描述的诸如“单元”、“-器”和“模块”之类的术语指代用于执行至少一个功能或操作的元件，并且可以以硬件、软件、或硬件和软件的组合来实现。
各种术语用于指代特定的系统组件。不同的公司可能使用不同的名称来指代组件–本文献无意区分名称不同但功能相同的组件。
对于这些示例实施例所属的技术领域的普通技术人员来说显而易见的示例实施例的内容在此不进行详细描述。
现在参考附图，将描述示例实施例而不是对其进行限制。
在配备有永磁直流(PMDC)马达的EPS系统中，使用绝对或相对位置传感器。因此，通常，这种EPS系统的观测器模块通过使用针对EPS的预定被控对象模型来估计EPS系统的马达的马达速度信号。
例如，可以通过估计速度信号并将估计的速度信号用于诸如功率管理、电流调节器增益调度和前馈干扰补偿等多个目的，来提高马达控制系统的控制性能。此外，EPS系统可以将估计的速度信号用于增强EPS系统的稳定性和转向感的其他功能之中的诸如阻尼、惯性补偿和磁滞补偿等其他功能。
虽然本文在EPS系统的背景下描述了技术方案的技术特征，但应注意的是，如本领域技术人员将理解的那样，该技术方案可适用于其中使用了具有可比控制系统的DC电机的其他环境，例如工业装配线、飞机控制器等。
典型的观测器模块使用开环，并如上所述利用电气方程对马达动力学进行建模来估计有刷马达的马达速度，对马达动力学进行建模需要有刷马达的准确模型(即电阻、电刷压降等准确参数)，但这是很难获得的。因此，从动态和稳态两者的角度来看，马达速度估计对马达参数估计误差高度敏感，因为马达参数会随着运行条件而非线性地变化，并且难以准确估计。例如，在具有PMDC马达的EPS系统中，少量的参数估计误差(建模不准确)会导致零速度附近和静止时(马达速度等于零)的速度估计不正确。此外，取决于不准确的特定参数估计，结果所得的速度估计可能具有不期望的相位滞后或超前(从动态角度来看)。此外，观测器模块的开环性质导致低带宽信号估计。换句话说，开环观测器通常会产生估计信号，该估计信号有时会明显滞后于实际信号，并且随着信号频率的增加而具有较低的幅度。可选地，在无刷马达的情况下，典型的观测器模块通过对从马达的位置传感器接收到的位置信号求微分来估计马达速度，这通常是较高的带宽估计，因为它是从位置的实际测量值产生的。然而，上述噪声和时间延迟仍然是与该方法相关的问题。
因此，当采用低带宽信号估计时，典型的动态控制系统在控制性能以及噪声两方面均表现不佳。例如，典型的基于PMDC的EPS系统使用PMDC机器的静态模型来生成速度估计信号。这样的估计的速度信号具有较低的带宽，并且因此不足以增强控制性能。例如，当估计的速度信号用于补偿EPS系统的马达的反电动势(BEMF)时，闭环系统变得不稳定。此外，由于低带宽性质，利用估计的速度信号作为控制变量的系统级功能也表现出劣化的性能。当在EPS系统中使用此类控制系统时，许多功能都需要马达速度作为输入。然而，当马达速度具有低带宽或不准确时，负面地影响了提供给驾驶员的转向感。本文描述的一个或多个示例实施例可以解决这样的技术挑战。
本文描述的一个或多个示例实施例可以促进使用观测器模块的对EPS的马达的马达速度的准确估计，并且可以不需要将额外的传感器用于估计。EPS系统可以将估计的马达速度用于诸如阻尼、惯性补偿、磁滞补偿等功能，以及用于马达的有源功率管理和电流控制。
图1示出了根据示例实施例的包括转向系统12的车辆10。转向系统12包括耦合到转向轴系统16的驾驶盘14，该转向轴系统16包括转向柱、中间轴和必要的接头(joint)。转向系统12可以是EPS系统，其还包括转向辅助单元18，该转向辅助单元18耦合到转向系统12的转向轴系统16，并且耦合到车辆10的拉杆20和22。转向辅助单元18可以包括例如蜗杆传动装置形式的辅助机构(未示出)，其被耦合到转向轴系统16、转向致动器马达19以及传动装置。在操作过程中，随着操作者转动驾驶盘14，转向执行器马达19提供帮助来移动拉杆20和22，所述拉杆20和22分别移动耦合到路面车轮28和30的转向节24和26。
如图1所示，车辆10还包括检测和测量转向系统12和/或车辆10的可观测条件的各种传感器31和32。传感器31和32基于可观测条件来生成传感器信号。传感器31可以是转矩传感器，其感测由车辆10的操作者施加到驾驶盘14上的驾驶员驾驶盘转矩。转矩传感器然后可以基于其来生成驾驶员转矩信号。传感器32可以是感测辅助机构的旋转角度的位置传感器。传感器32然后可以基于其来生成辅助机构位置信号。
控制模块40从传感器31和32接收一个或多个传感器信号作为输入，并且可以接收诸如车辆速度信号34之类的其他输入。控制模块40基于一个或多个输入并且还基于根据本文描述的一个或多个示例实施例的转向控制系统和方法来生成控制转向系统12的转向致动器马达19的命令信号。
图2示出了根据示例实施例的马达速度估计系统。该系统包括状态观测器模块300，该状态观测器模块300接收EPS马达的测得的位置(基于机械结构其与辅助机构的位置成比例)和马达命令信号，并输出EPS马达的估计的速度。低通滤波器模块500接收估计的速度并提供基于速度的经低通滤波的信号。在图3至图6中更详细地示出状态观测器模块300和低通滤波器模块500、以及其元件。
图3示出了根据示例实施例的状态估计观测器/模型系统315。该系统315使用以下等式模拟马达轴动力学并使用惯性阻尼进行简化：
其中，J是马达轴系统的惯性；B是该系统的阻尼；θ是马达轴的估计的位置；T是马达转矩命令和来自PID控制器/补偿器400的经补偿的命令的和。该系统315的输出是估计的速度。
图4是示出具有相对于零的偏移的马达速度的示图，其中，时间在x轴上示出，马达速度(Rte_MotVel_MotVelMrf_Val)以rad/s为单位在左侧y轴上示出，并且驾驶盘的位置(Rte_HwAgArbn_HwAg_Val)在右侧y轴上示出。如本领域技术人员将理解的，可以根据上述方法或另一种方法来收集该数据。这种方法的优点包括更新速度快和独立校准(即，相对于马达本身进行校准的参数)。然而，不利的是，在驾驶盘不移动的情况下，EPS输出信号指示马达速度仍然相对于零偏移，如图4所示。考虑到EPS系统的机械结构，当驾驶盘保持静止时，马达轴也是静止的。于是，如上面关于现有技术所讨论的，图4所示的该偏移是不想要的偏移的示例。因此，该现有技术的精度高度依赖于测得的参数的精度。但是，考虑到EPS系统的大量生产，测量系统所有部分的参数是昂贵的。另外，电刷压降受工作温度的影响，并且与电枢电流呈非线性关系。这两个问题都会导致测得的电刷压降与其实际值的偏差更大。相反，根据本文描述的示例性实施例的马达速度的估计对参数变化不敏感。更确切地说，通过适当调节的补偿器使估计的位置收敛于测得的位置。因此，估计的马达速度也收敛于实际速度。
非零马达速度的这种不准确的指示可能会对系统动态响应产生负面影响，并可能导致系统在保持时生成更多的噪声。
此外，在某些状况下，当驾驶员继续施加转矩以转动驾驶盘时，车辆的一个或多个车轮可能会被阻挡。在这种情况下，EPS必须检测到这种情况并降低其辅助，以防止马达烧毁。但是，如果EPS系统读取非零马达速度的信息，则不会检测到该阻挡，并且马达可能会因电枢电流发热而被损坏，在这种情况下，认为该电流应该被减小。EPS也可能受到负面影响，因为它必须根据马达速度来判断马达的失速状况，并且驾驶盘保持静止时的非零速度可能会导致不起作用的失速状况的检测。
本文所述的一个或多个示例实施例可以通过利用物理系统以及电气系统的状态来提高有刷马达速度估计的性能，特别是关于慢速移动或停止的驾驶盘位置的有刷马达速度估计的性能。
根据基于龙伯格(Luenberger)观测器技术的示例实施例，观测器被用来模拟物理系统并跟踪其估计的位置信息，以达到确定估计的速度的目的。输入信号可以包括：Position，其是根据EPS位置传感器的辅助单元18的辅助机构的按弧度计的位置(所述EPS位置传感器测量EPS的辅助机构的位置)；以及马达辅助命令MotorCommand，或者电流反馈和估计的Ke，如下所述。
辅助机构的位置被跟踪并且与马达轴位置成比例。特定比例比(proportionalratio)是辅助机构的齿轮比，该齿轮比是基于机械结构而确定的固定值。包括比例-积分-微分(PID)控制器的补偿器400是采用反馈的控制回路机构，该反馈被用于补偿由EPS位置传感器测得的位置与辅助机构的估计的位置之间的误差。因此，PID控制器为状态估计观测器/模型系统315提供补偿。可以单独调节PID控制器以实现最佳动态性能。测得的位置是通过采用角度传感器的EPS位置传感器而获得的，并且估计的位置是估计的角度，因此，可以将误差跟踪应用于具有绝对或相对角度传感器的系统。
马达转子的动力学被用于对物理系统进行建模。将马达命令应用于状态估计观测器/模型系统，以便生成马达的等效动态响应。备选地，可以相对于实际转矩马达来使用电流反馈和估计的Ke。实际转矩马达考虑了马达电流跟踪的滞后并且还可以以快速更新速率来运行，并且因此，可以提高位置跟踪性能。
图5示出了根据示例实施例的包括补偿器400和状态估计观测器/模型系统315的状态观测器模块300的数据流，该补偿器400包括PID控制器。状态观测器模块300从EPS位置传感器接收测得的位置信号Position，并将其与估计的位置进行比较，并且计算误差信号e(t)，该误差信号e(t)是测得的位置与估计的位置之间的误差的测量值。包括PID控制器的补偿器400接收误差信号e(t)。
通常，PID控制器根据以下等式来操作：
其中，u(t)是控制器输出(即，仲裁信号-在本文为经补偿的命令信号)；e(t)是误差值(此处被定义为测得的位置与估计的位置之间的差)；Kp、Ki和Kd是PID控制器的调节参数，即，比例增益(Kp)、积分增益(Ki)和微分增益(Kd)。增益可以被不同地加权。例如，可以用0.005来对Kd进行加权，可以用50来对Ki进行加权，并且可以用20来对Kp进行加权。控制器可以使用与上述示例中的那些不同的调节参数进行操作，或者可以使用例如一个或多个开关(未示出)来省略这些示例调节参数中的一个或多个。例如，在一些应用中，可能存在与这些参数中的一个或多个相关联的过多噪声，并且可以通过开关从PID控制器计算中将其忽略。调节参数可以是在运行期间调节的预定值和/或可配置值。PID控制器的输出是输出u(t)，在这里其是经补偿的命令信号。如图5所示，补偿器的PID包括在导数项408之前的低通滤波器405，用于噪声衰减，并且包括饱和块406以消除由积分项407引起的饱和。
状态观测器模块的状态估计观测器/模型系统315接收输入马达辅助命令MotorCommand_Motor、和来自PID控制器的控制器输出u(t)(在此为经补偿的命令信号)。
由积分器322从估计的速度转换的估计的位置被输出到补偿器400。
图6示出了根据示例实施例的基于马达速度的低通滤波器模块500。低通滤波器模块500包括基于马达速度的低通滤波器510和针对低通滤波器510的截止频率的查找表520。
可以看出，在该系统中，该命令通过前馈控制来操作，这导致更快的跟踪，但是没有考虑系统输出的最终值(即，反馈)。另外，关于马达惯性和马达阻尼的参数，这些可以通过测量结果来获得。但是，由于PID调节是基于估计的位置和测得的位置的收敛来进行的，因此这些参数的准确性不是特别重要。如果测得的信号被很好地跟踪，则与测得的信号相比，估计的信号将是准确的。
示例实施例使用感测到的物理动力学和物理马达的特性来作为龙伯格模型的输入，以便对马达响应进行建模。
可以理解的是，本文描述的示例实施例可以仅在描述性意义上考虑，而不是出于限制的目的。每个示例实施例内的特征或方面的描述可以被认为可用于其他示例实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已经参考附图描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (14)

1.一种马达的控制系统，所述控制系统包括：
状态观测器模块，其包括：
马达的马达轴的动力学的模型，所述模型接收马达转矩命令信号和经补偿的命令信号，并基于马达轴的惯性、马达轴的阻尼以及所述马达转矩命令信号与所述经补偿的命令信号的和来计算估计的马达速度；
补偿器电路，其包括比例积分微分PID控制器，所述补偿器电路接收指示马达的感测的位置与马达的估计的位置之间的误差的误差信号，并输出基于误差信号和PID控制器的调节参数而计算的经补偿的命令信号。
2.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：
基于马达速度的低通滤波器，其中，所述模型被配置为将估计的马达速度输出到基于马达速度的低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：
积分器，所述积分器从所述模型接收估计的马达速度并输出马达的估计的位置；以及
加法器，所述加法器接收马达的感测的位置和马达的估计的位置，并将误差信号输出到补偿器电路。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述PID控制器包括：
比例控制器、微分控制器和积分控制器；
低通滤波器，当误差信号被传输到微分控制器时所述低通滤波器对该误差信号进行滤波；以及
饱和模块，所述饱和模块使积分控制器的输出饱和。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述马达是有刷马达。
6.一种电动助力转向EPS系统，包括：
马达；以及
状态观测器模块，其包括：
马达的马达轴的动力学的模型，所述模型接收马达转矩命令信号和经补偿的命令信号，并基于马达轴的惯性、马达轴的阻尼以及所述马达转矩命令信号与所述经补偿的命令信号的和来计算估计的马达速度；
补偿器电路，其包括比例积分微分PID控制器，所述补偿器电路接收指示马达的感测的位置与马达的估计的位置之间的误差的误差信号，并输出基于误差信号和PID控制器的调节参数而计算的经补偿的命令信号。
7.根据权利要求6所述的EPS系统，还包括：
基于马达速度的低通滤波器，其中，所述模型被配置为将估计的马达速度输出到基于马达速度的低通滤波器。
8.根据权利要求6所述的EPS系统，其中，所述状态观测器模块还包括：
积分器，所述积分器从所述模型接收估计的马达速度并输出马达的估计的位置；以及
加法器，所述加法器接收马达的感测的位置和马达的估计的位置，并将误差信号输出到补偿器电路。
9.根据权利要求6所述的EPS系统，其中，所述PID控制器包括：
比例控制器、微分控制器和积分控制器；
低通滤波器，当误差信号被传输到微分控制器时所述低通滤波器对该误差信号进行滤波；以及
饱和模块，所述饱和模块使积分控制器的输出饱和。
10.根据权利要求6所述的EPS系统，其中，所述马达是有刷马达。
11.一种用于确定马达的估计的马达速度的方法，所述方法由马达控制系统的控制模块来实现，所述方法包括：
基于马达的马达轴的惯性、马达轴的阻尼以及马达转矩命令信号与经补偿的命令信号的和来自动计算估计的马达速度；
比例积分微分PID控制器基于误差信号和PID控制器的调节参数来生成经补偿的命令信号，所述误差信号指示马达的感测的位置与马达的估计的位置之间的误差。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过基于速度的低通滤波器来传输估计的马达速度。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：将估计的马达速度转换为估计的位置，并将估计的位置传输至PID控制器。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述马达是有刷马达。
CN202011527314.9A 2020-01-10 2020-12-22 用于估计有刷电动助力转向系统的马达速度的观测器设计 Active CN113104096B (zh)

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US16/740,164 2020-01-10

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