CN113765448A - 马达控制系统、马达控制方法和电动助力转向系统 - Google Patents

马达控制系统、马达控制方法和电动助力转向系统 Download PDF

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CN113765448A CN202110529095.6A CN202110529095A CN113765448A CN 113765448 A CN113765448 A CN 113765448A CN 202110529095 A CN202110529095 A CN 202110529095A CN 113765448 A CN113765448 A CN 113765448A
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Abstract

提供一种马达控制系统、控制马达的方法以及电动助力转向系统。该马达根据输入电压命令生成输出电流。该方法从马达接收包括直轴部分和正交轴部分的输出电流，该输出电流被接收为反馈电流。该方法通过将第一增益因子和第二增益因子的逆应用于反馈电流来确定补偿电压命令。第一增益因子使补偿电压命令的d轴部分和q轴部分解耦。第二增益因子的逆允许以保持d轴和q轴之间解耦的方式对补偿电压命令进行滤波。该方法通过将第二增益因子应用于补偿电压命令来确定马达的输入电压命令，以使马达生成受马达的运行参数的变化的影响减小的输出电流。

Description

马达控制系统、马达控制方法和电动助力转向系统
背景技术
永磁同步马达(PMSM)(例如，表面永磁(SPM)马达、内嵌式永磁 (IPM)马达等)的输出扭矩可以通过电压命令和相位超前角来确定。例如， PMSM的输出扭矩可以通过以下方式来确定：首先选择特定的正交轴(也称为q轴)参考电流和直轴(也称为d轴)参考电流，然后基于选定的正交轴参考电流和直轴参考电流确定电压命令和相位超前角。
电动助力转向(EPS)系统使用电动马达(例如，PMSM)提供转向辅助。当使用PMSM时，利用磁场定向控制(FOC)，磁场定向控制允许将交流(AC)多相(例如，三相)马达电压和电流信号转换到同步旋转参考坐标系中(通常称为d轴/q轴参考坐标系)，在该同步旋转参考坐标系中，马达电压和电流变为直流(DC)量。使用前馈控制方法或闭环电流反馈控制或它们的某种组合来实现FOC扭矩控制技术。
发明内容
公开的实施例的一方面包括一种马达控制系统，该马达控制系统根据输入电压命令生成输出电流。马达控制系统包括至少一个处理器和存储器，该存储器包括指令，该指令在由至少一个处理器执行时使至少一个处理器：从马达接收包括直轴(d轴)部分和正交轴(q轴)部分的输出电流，该输出电流被接收为反馈电流。至少一个处理器还被配置为：通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于反馈电流来确定补偿电压命令，该第一组增益因子用于解耦补偿电压命令的d轴部分和q轴部分，第二组增益因子的逆用于允许以保持d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对补偿电压命令滤波。至少一个处理器还被配置为：通过将第二组增益因子应用于补偿电压命令来确定马达的输入电压命令，以使马达生成受马达的运行参数集的变化的影响减小的输出电流。
公开的实施例的另一方面包括一种控制马达的方法，该马达根据输入电压命令生成输出电流。该方法包括从马达接收包括直轴(d轴)部分和正交轴(q轴)部分的输出电流，该输出电流被接收为反馈电流。该方法还包括通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于反馈电流来确定补偿电压命令，该第一组增益因子用于解耦补偿电压命令的d轴部分和q轴部分，第二组增益因子的逆用于允许以保持d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对补偿电压命令滤波。该方法还包括通过将第二组增益因子应用于补偿电压命令来确定马达的输入电压命令，以使马达生成受马达的运行参数集的变化的影响减小的输出电流。
公开的实施例的一方面包括电动助力转向(EPS)系统。EPS系统包括处理器和存储器。该存储器包括指令，该指令在由处理器执行时，使处理器：从马达接收包括直轴(d轴)部分和正交轴(q轴)部分的输出电流，该输出电流被接收为反馈电流。该指令在由处理器执行时，还使处理器：通过将成组的增益因子应用于反馈电流来确定电压命令的d轴部分和电压命令的q轴部分。该指令在由处理器执行时，还使处理器：通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于反馈电流来确定补偿电压命令，该第一组增益因子用于解耦补偿电压命令的d轴部分和q轴部分，第二组增益因子的逆用于允许以保持d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对补偿电压命令滤波。指令在由处理器执行时，还使处理器：通过将第二组增益因子应用于补偿电压命令来确定马达的输入电压命令，以使马达生成受马达的运行参数集的变化的影响减小的输出电流。
从以下结合附图进行的描述，这些以及其他的优点和特征将变得更加明显。
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马达控制系统的示意图。
图2大体上示出了根据本公开原理的马达的相量图。
图3A和3B大体上示出了根据本公开原理的使用一个或多个模块进行噪声消除的控制系统的框图。
图4大体上示出了根据本公开原理的使用一个或多个模块进行噪声消除的控制系统的另一框图。
图5大体上示出了根据本公开原理的使用一个或多个模块进行噪声消除的控制系统的另一框图。
图6大体上示出了根据本公开原理的使用一个或多个模块进行噪声消除的控制系统的另一框图。
图7是大体上示出了根据本公开原理的用于控制马达的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下的讨论针对所公开的主题的各种实施例。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，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。
永磁同步马达(PMSM)(表面永磁(SPM)马达、内嵌式永磁(IPM) 马达等)的输出扭矩可以通过电压命令和相位超前角来确定。例如，PMSM 的输出扭矩可以通过以下方式来确定：首先选择特定q轴参考电流和d轴参考电流，然后基于选定的q轴参考电流和d轴参考电流确定电压命令和相位超前角。
电动助力转向(EPS)系统使用电动马达(例如，PMSM)提供转向辅助。当使用PMSM时，利用磁场定向控制(FOC)，磁场定向控制允许将交流(AC)多相(例如，三相)马达电压和电流信号转换到同步旋转参考坐标系中(通常称为d轴/q轴参考坐标系)，在该同步旋转参考坐标系中，马达电压和电流变为直流(DC)量。使用前馈控制方法或闭环电流反馈控制或它们的某种组合来实现FOC扭矩控制技术。
将PMSM的闭环电流控制应用于EPS系统具有超出控制系统跟踪所需的辅助扭矩命令(即，马达扭矩命令)的能力的独特而苛刻的要求。这些要求中的许多要求与扭矩响应行为、马达输入干扰特性、电流测量噪声传递特性以及对估计的电动马达参数估计的准确度的鲁棒性的平衡有关。需要在控制系统的整个运行范围内性能的一致性，包括整个马达速度范围内的运行以及电源电压极限附近的运行。与利用PMSM的高压电源应用不同，可用于车辆的控制系统的电源电压并非不受限制的，并且通常要尽可能高效地设计这些应用中使用的马达的尺寸，以提供稳态功率要求。这要求电流控制以稳定且可预测的方式运行，因为在PMSM运行的峰值功率点附近，控制系统可用的瞬态电压变得更小。因此，控制系统应被配置为根据需要运行，同时需要相对较小的马达(输入)电压命令瞬变。
在某些情况下，通过在控制系统中实施用以使d轴电压和q轴电压解耦的模型来尝试实现一致的高性能。将d轴电压和q轴电压解耦消除了d轴项 (例如，d轴电感、d轴电流等)的变化对q轴电压命令的影响，并消除了q 轴项(例如，q轴电感、q轴电流等)的变化对d轴电压命令的影响。这使得 q轴电流和d轴电流能够被彼此独立地控制。
另外，严格的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)要求可能施加到马达驱动应用(例如，诸如EPS系统内的应用等)。为了解决这个问题，一些电动马达驱动应用使用滤波技术来衰减不同信号路径中不希望的噪声频带。例如，命令的电流和/或测得的电流的路径中的噪声可以通过将滤波技术应用于特定信号路径来衰减。
然而，将滤波技术应用于电压命令会耦合或重新耦合电压命令的d轴部分和q轴部分。耦合或重新耦合导致与NVH相关的干扰，从而对马达用于确定输出电流的电压命令产生负面影响。
因此，期望如下系统和方法(例如，诸如本文描述的系统和方法)：该系统和方法在保持电压命令的d轴部分和q轴部分解耦的同时滤除与NVH 相关的干扰。在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为如下根据输入电压命令控制输出电流：使用转移矩阵滤除与NVH相关的干扰，并且通过在控制系统的状态反馈回路中实现逆转移矩阵，以便保持电压命令的 d轴部分和q轴部分的解耦。本文描述的系统和方法可以被配置为对提供给马达的输入电压命令进行滤波，而不会去除电压命令的d轴部分和q轴部分的解耦。本文描述的系统和方法可以被配置为消除与NVH相关的干扰对马达的运行参数的影响，使得马达能够实现一致的高性能。
图1示出了根据本公开原理的控制系统100。如图所示，马达控制系统 100包括马达20、逆变器22、电压源24和控制模块30(也称为控制器)。电压源24向马达20供应电源电压VB。在一些实施例中，电压源24是12 伏电池。然而，应当理解，也可以使用其他类型的电压源。逆变器22通过标记为“A”、“B”和“C”的多个连接32(例如，三个连接器)连接到马达 20。在一些实施例中，马达20是多相永磁体(PM)无刷马达。在该示例中，马达20是三相PM马达。控制模块30通过逆变器22连接到马达20。例如，控制模块30从诸如转向控制系统的源34接收马达扭矩命令TCMD。控制模块 30包括控制逻辑，其用于通过逆变器22向马达20发送输入电压命令VM。
现在参考图1和图2，运行马达20，使得输入电压命令VM的相位相对于马达20的开发的反电动势(BEMF)电压Eg的相位偏移。在图2中示出了马达20的相量图，其示出了幅值为输入电压命令VM的电压矢量V。BEMF 电压矢量E的幅值为BEMF电压Eg。限定电压矢量V和BEMF电压矢量E 之间的角度，并将其称为相位超前角δ。定子相电流称为I，正交轴(q轴) 上的定子相电流称为Iq，直轴(d轴)上的定子相电流称为Id，相应的d轴上的定子相电抗称为Xd，q轴上的定子相电抗称为Xq，A相或B相或C相的定子相电阻称为R。
在一些实施例中，使用编码器36(图1中示出)测量马达20的转子(图 1中未示出)的角位置θ。马达20的角位置θ用于确定输入相电压Va、Vb和Vc，其中，输入相电压Va对应于连接A，输入相电压Vb对应于连接B，输入相电压Vc对应于连接C。在一些实施例中，控制模块可包括用于确定逆变器22的相应的相臂的占空比的逻辑。例如，可以使用占空比在马达20的端子处施加正弦电压，并且可以使用任何已知的脉冲宽度调制(PWM)技术 (例如，正弦PWM技术、空间矢量PWM技术(例如，连续、不连续等)、使用谐波注入的技术等来确定占空比。在一些实施例中，可以基于开关或 PWM周期将占空比转换成导通时间，并且可以将占空比发送到栅极驱动器，该栅极驱动器将栅极信号施加到逆变器22的相应的开关。
马达20沿顺时针方向和逆时针方向旋转，并且在运行期间还可以生成顺时针方向和逆时针方向的扭矩。
图3A大体上示出了根据本公开原理的使用一个或多个模块的控制系统100的框图。控制模块30可以包括BEMF补偿模块302、减法模块304、补偿和积分模块306、分别为310、312和314的加法模块以及修正模块316。控制模块30可以包括除了本文描述的模块以外的模块，并且另外可以包括比本文大体上示出和描述的那些模块少的模块。图3A还示出了可以使用马达 20实现的频率转换模块P(s)。为了简化图示和描述，在图3A中未示出控制模块30和马达20之间的逆变器22。
马达20可以接收输入电压命令VM，并且可以生成扭矩(例如，汲取或生成电流IP，其可以是结合图1和图2描述的相电流)。马达20可以是由控制模块30控制以便根据输入信号(即，输入电压命令VM)生成频率响应(例如，扭矩或汲取/输出的电流IP)的设备。可以理解，马达20生成的频率响应可以由一组模型方程来控制，这些模型方程限定一个或多个传递函数，以将输入电压命令VM转换为输出电流IP。换句话说，控制模块30可以通过发送基于模型生成的输入电压命令VM来调节输出电流IP。
在一些实施例中，控制模块30可以包括具有闭环的反馈控制器。例如，将干扰电流Idist和噪声电流Inoise与输出电流IP相加(例如，分别使用加法模块312和加法模块314)以确定被提供回控制模块30的反馈电流IM。这使得控制模块30能够使用反馈电流IM来调节随后生成的马达20的输出电流IP。在一些实施例中，电流传感器(未示出)可以测量反馈电流IM并可以将反馈电流IM的电流测量结果提供给控制模块30。
在一些实施例中，修正模块316可以接收反馈电流IM。例如，修正模块 316可以接收来自马达20、加法模块314、传感器等的反馈电流IM。
在一些实施例中，修正模块316可以基于反馈电流IM将输入电压命令 VM的d轴部分Vd和q轴部分Vq解耦，如本文中将进一步描述的。通过解耦输入电压命令VM的d轴部分Vd，修正模块316消除了q轴项的变化对输入电压命令VM的d轴部分的影响，并且消除了d轴项的变化对电压命令的q 轴部分的影响。
在一些实施例中，修正模块316可以生成补偿电压命令VH，该补偿电压命令VH抵消或补偿输入电压命令VM上耦合的电流、电感、定子电阻变化、测量不准确性等的变化。如将要描述的，补偿电压命令VH可用于生成解耦的输入电压命令VM，该解耦的输入电压命令VM在提供给马达20时，使马达20生成不受耦合项(例如，电流、电感等)的变化影响的频率响应(例如，输出电流IP)。
在一些实施例中，减法模块304可以确定差电流IE。例如，减法模块 304可以确定命令的电流IR与测得的电流IM之间的差电流IE。在一些实施例中，减法模块304可以将差电流IE提供给补偿和积分模块306。
在一些实施例中，补偿和积分模块306可以包括比例控制器。附加地或可替代地，补偿和积分模块306可以包括积分控制器。
在一些实施例中，比例控制器可以被配置为辅助马达20生成为一阶类型响应的频率响应。在一些实施例中，比例控制器可以被配置为辅助马达20 生成为更高阶类型响应(例如，二阶响应、三阶响应等)的频率响应。
在一些实施例中，补偿和积分模块306(例如，使用比例补偿子模块CP(s)) 可以根据减法模块304提供的差电流IE生成比例电压命令VP。这允许比例控制器提供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的有益折衷。
在一些实施例中，积分控制器可以接收差电流IE，该积分控制器可以是补偿和积分模块306(例如，在图4-6中示出了其组件)的一部分。在一些实施例中，积分控制器可以确定积分电压命令VI，并且可以将积分电压命令 VI提供给加法模块(例如，其可以包括在补偿和积分模块306中)。在一些实施例中，加法模块可以将比例电压命令VP和积分电压命令VI相加以确定补偿电压命令VC。补偿电压命令VC可以与一个或多个其他的补偿电压命令一起被提供给滤波模块318，如将在本文中进一步描述的。
在一些实施例中，BEMF补偿模块302可以被配置为补偿比马达20的定子相电流的动态慢的BEMF电压的动态(例如，变化)。例如，BEMF补偿模块302可以被配置为接收转子机械速度ωm作为输入，并且生成补偿 BEMF电压的动态的补偿电压命令VF。在一些实施例中，BEMF补偿模块 302可以将补偿电压命令VF提供给加法模块308。
在一些实施例中，加法模块308可以将一个或多个补偿电压相加以生成总的(已知的)补偿电压命令VR。例如，加法模块308可以将补偿电压命令 VH和补偿电压命令VC相加以确定总的(已知的)补偿电压命令VR，该总的(已知的)补偿电压命令VR允许马达20生成不受马达20的电阻的动态和/ 或电阻的任何不准确估计影响的稳定的频率响应。如本文所述，总的(已知的)补偿电压命令VR可以指控制模块30内已知或确定的总的补偿电压命令。类似地，如本文所述，总的补偿电压命令VM可以指包括源自控制模块30外部的未知干扰Vdist的总的补偿电压命令。
图3B大体上示出了控制系统100的框图，该控制系统100使用滤波模块318和逆滤波模块320进行噪声消除。在一些实施例中，加法模块308可以将总的(已知的)补偿电压命令VR提供给滤波模块318。在一些实施例中，滤波模块318可以对总的(已知的)补偿电压命令VR进行滤波(例如，以输出滤波后的补偿电压命令
Figure BDA0003066500710000081
)。例如，滤波模块318可以使用转移矩阵 F(s)对总的(已知的)补偿电压命令VR滤波，如将在本文中进一步示出的。总的(已知的)补偿电压命令VR可以包括d轴部分和q轴部分。
在一些实施例中，滤波模块318可以使用一组低通滤波器来执行滤波。附加地或可替代地，滤波模块318可以使用超前-滞后滤波器来执行滤波。附加地或可替代地，滤波模块318可以使用控制带阻滤波器(陷波器)来执行滤波。本文进一步提供了关于每种相应类型的滤波的附加信息。
在一些实施例中，逆滤波模块320可以用于保持d轴和q轴之间的解耦。例如，逆滤波模块320可以被实现为反馈回路的一部分，以确定可以提供给滤波模块318并由滤波模块318使用的补偿电压命令VH。补偿电压命令VH可以包括补偿d轴分量以及补偿q轴分量。在一些实施例中，逆滤波模块320 可以通过使用用于一个或多个滤波器的转移矩阵对修正模块316的输出应用一组增益因子来确定补偿电压命令VH。本文进一步提供了关于增益因子和滤波的附加信息。
在一些实施例中，加法模块310可以将滤波后的电压命令
Figure BDA0003066500710000082
和未知的干扰Vdist相加以确定总的补偿电压命令VM(在本文中称为输入电压命令VM)，其包括源自控制模块30的外部的未知的干扰(例如，Vdist)。例如，Vdist可以表示控制系统10或利用控制系统10的装置或机器中固有的未知的输入干扰。
在一些实施例中，加法模块310可以将输入电压命令VM提供给马达20。以这种方式，马达20接收输入电压命令VM，其使d轴部分和q轴部分解耦并且不包括已由滤波模块318滤除的与NVH相关的干扰。
图4示出了根据本公开原理的控制模块30的框图。特别地，模块被图示为包括转移矩阵，这些转移矩阵包括用于一个或多个低通滤波器的转移矩阵。要注意的是，模块被图示为包括这些矩阵，以便于有助于理解关于模块被配置用于执行何操作。
在一些实施例中，控制模块30被配置为使用以下相电压方程的马达控制模型来生成输入电压命令VM：
Figure BDA0003066500710000091
Figure BDA0003066500710000092
Figure BDA0003066500710000093
在以上方程中，Vd和Vq分别是d轴马达电压和q轴马达电压(以伏特为单位)，Id和Iq分别是d轴马达电流和q轴马达电流(以安培为单位)， Ld和Lq分别是d轴马达电感和q轴马达电感(以亨利为单位)，R是马达电路(即，马达和控制器)的电阻(以欧姆为单位)，Ke是马达BEMF系数(以伏特/弧度/秒为单位)，ωm是马达的机械速度(以弧度/秒为单位)；Np是马达20的极数，Te是电磁马达扭矩(以牛米为单位)。
应当注意，用于计算电磁马达扭矩Te的方程3是非线性的，并且方程3 表示通过利用来自永磁体的磁场而发生的扭矩与由转子特点(即，Ld和Lq之间的差)以及Id和Iq的期望值而生成的磁阻扭矩的和。在以下文献中描述了用于优化参考电流Id和Iq的选择以用于PMSM控制的参考模型设计：2013 年11月26日提交的题为“Generation of a CurrentReference to Control a Brushless Motor(生成电流参考以控制无刷马达)”的美国专利申请，代理人案号为“N000153(NXT0175US2)”，其全部内容通过引用的方式并入本文。
方程1-3中的参数在马达20的正常运行期间变化很大—R的变化可能超过100％，电感Ld和Lq的变化可能超过5-20％，Ke的变化超过15-20％。 R可能随马达20的构建和温度而变化。Ld和Lq由于饱和而变化(即，为Id和Iq的函数)，而Ke由于饱和而变化(为Iq的函数，且随温度变化)。
本文结合转移矩阵描述了一些实施例。在这些实施例的一个或多个中，转移矩阵可以是动态转移矩阵。即，包括在转移矩阵中的增益(即，项)可以是实时或近实时更新的动态值。为了提供具体示例，转移矩阵H和转移矩阵F-1(s)(本文进一步描述的)可以是作为状态反馈回路的一部分的动态转移矩阵。
在方程1和2中，
Figure BDA0003066500710000101
是马达20的电动马达速度ωe。电动马达速度被假定为缓慢变化的参数。使用BEMF补偿模块302已对BEMF进行了补偿。但是，马达20的BEMF可能表示源自控制模块30外部的未知或固有的干扰 (因此也可能需要被滤波)。由于相对较慢的通量动力学，准静态反电动势 (BEMF)项Ke、ωm可被视为常数，并可使用补偿模块将其补偿为另一种干扰。加法模块将该干扰与输入电压命令VM相加。这两个假设使得马达20的固定速度的方程1和2线性化。因此，方程1和2可以分别重写为以下线性方程4和5：
Figure BDA0003066500710000102
Figure BDA0003066500710000103
此外，方程4和方程5可以使用s域表示简写为：
U＝Pi(s)X (方程6)
Figure BDA0003066500710000104
在以上方程中，U可以是输入电压矩阵
Figure BDA0003066500710000105
Pi(s)可以是复数频率转移矩阵
Figure BDA0003066500710000106
并且X可以是矩阵
Figure BDA0003066500710000107
在方程7中，马达20的输出电流矩阵X经由复数频率转移矩阵Pi(s)被转换成输入电压矩阵U。复数频率转移矩阵Pi(s)是实转移矩阵P(s)的逆(例如，P(s)可以是实际的设备转移矩阵)。该Pi(s)在图4中示出为包括在马达20中。Pi(s)也可以表示为P-1，以表明Pi(s)是P(s)的逆。要注意的是Pi(s)而不是P(s)的元素被示为包括在马达20中，以对应于包括在转移矩阵H中的元素(在本文中进一步描述)。
将输入电压转换为输出电流的实际设备转移矩阵P(s)可以被写为：
X＝P(s)U (方程8)
Figure BDA0003066500710000111
其中，P(s)是
Figure BDA0003066500710000112
(方程9)
在一些实施例中，修正模块316可将方程4和5中的耦合项(或转移矩阵Pi(s)或转移矩阵P(s)中的对应的元素)解耦。例如，修正模块316可以使用转移矩阵H来解耦方程4和5中的耦合项(或转移矩阵Pi(s)或转移矩阵 P(s)中的对应的元素)。具体地，选择转移矩阵H的非对角元素以消除Pi(s) 的非对角元素，其对应于方程4和58的耦合项。H(s)的非对角元素可以如下表示：
Figure BDA0003066500710000113
Figure BDA0003066500710000114
在方程10和11中，
Figure BDA0003066500710000115
是马达20的估计的电动马达速度，
Figure BDA0003066500710000116
是马达20 的估计的q轴电感，
Figure BDA0003066500710000117
是马达20的估计的d轴电感。
修正模块316还可以使马达20对马达运行参数的变化不敏感(即，减小变化的影响)，特别是对马达电阻的变化不敏感，使得马达20生成稳定的频率响应(例如，输出电流)。转移矩阵H的对角元素可以如下表示：
KHdd＝-Rd (方程12)
KHdq＝-Rq (方程13)
在方程12和13中，-Rd和-Rq是虚拟阻抗值(以欧姆为单位)。选择Rd和Rq值，并且具体地被配置为平衡控制系统对于马达参数变化(具体地，电阻变化，其通常随温度波动高达100％)、电压干扰抑制传递函数特性和电流测量噪声灵敏度特性的灵敏度。此外，由于-Rd和-Rq，马达20响应电压命令的时间缩短或减少(即，得到更快的响应时间)。因此，转移矩阵H可以写为：
Figure BDA0003066500710000121
要注意的是，转移矩阵H的这些元素是根据马达参数进行规划(schedule) 的，马达参数是非线性的，并且随着马达的运行条件(例如，温度、电阻等) 而连续地变化。
在一些实施例中，例如，当滤波模块318可用于对与NVH相关的干扰 (如本文中进一步描述的)滤波时，滤波将导致补偿电压命令VM的d轴部分和q轴的耦合(或重新耦合)。例如，滤波模块318可以接收补偿电压命令VH、补偿命令电压VC和/或补偿电压命令VF，这些补偿电压命令可以统称为补偿电压命令VR。
在一些实施例中，滤波模块318可以使用转移矩阵FLP来对补偿电压命令VR中与NVH相关的干扰进行滤波。转移矩阵FLP在图4中如下所示：
Figure BDA0003066500710000122
在一些实施例中，
Figure BDA0003066500710000123
可以等于
Figure BDA0003066500710000124
其中，τ表示低通滤波器时间常数。在一些实施例中，在转移矩阵FLP中，低通滤波器
Figure BDA0003066500710000125
可以应用于补偿电压命令VR的每个部分。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VR的d轴部分的滤波器值可以与施加到补偿电压命令VR的q轴部分的滤波器值相同。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VR的d轴部分的滤波器值可以是与施加到补偿电压命令VR的q轴部分的值不同的滤波器值。
在一些实施例中，逆滤波模块320可以以保持d轴和q轴的解耦的方式确定补偿电压命令VH。补偿电压命令VH可以包括补偿d轴分量和补偿q轴分量。例如，修正模块316可以通过使用第一组增益因子(在本文中其他地方描述)来保持解耦以生成补偿电压命令VH，该补偿电压命令VH抵消或补偿输入电压命令VM上的耦合电流、电感、定子电阻变化、测量不准确性等的变化。为了保持解耦，逆滤波模块320可以通过使用一个或多个低通滤波器的转移矩阵
Figure BDA0003066500710000131
对修正模块316的输出应用第二组增益因子，来确定补偿电压命令VH。转移矩阵
Figure BDA0003066500710000132
例如可以是动态增益转移矩阵。转移矩阵
Figure BDA0003066500710000133
在图4 中如下所示：
Figure BDA0003066500710000134
在方程16所示的转移矩阵
Figure BDA0003066500710000135
中，
Figure BDA0003066500710000136
表示变量s的近似值，其可以在离散时间内实现并且可以表示为
Figure BDA0003066500710000137
τ表示低通滤波器时间常数，
Figure BDA0003066500710000139
表示施加到补偿电压命令VH的d轴部分的低通滤波器截止频率，
Figure BDA00030665007100001310
表示施加到补偿电压命令VH的q轴部分的低通滤波器截止频率。滤波器(例如，低通滤波器、本文描述的另一类型的滤波器或任何其他合适的滤波器)可以表示截止频率、截止幅度、截止相位特性值、截止音调特性值等。
由于干扰和噪声(即，Vdist、Idist和Inoise)，如图4所示(Idist和Inoise通过加法模块312和314与输出电流IP合并)，由控制模块30看到的马达20 的转移矩阵不是P(s)。即，由控制模块30看到的马达20的实际的转移矩阵应考虑所有干扰和噪声。在本公开中，由控制模块30看到的实际的转移矩阵被称为有效转移矩阵Peff。修改后的有效转移矩阵Peff被定义为：
Peff＝(F-1(s)(Pi(s)-H(s)))-1 (方程17)
即，Peff可以被定义为F-1(s)(Pi(s)-H(s))的逆。因此，有效逆转移矩阵Pieff为F-1(s)(Pi(s)-H(s))，可以以矩阵形式写成：
Figure BDA0003066500710000138
Figure BDA0003066500710000141
在一些实施例中，转移矩阵H的对角元素(即，KHdd和KHdq)可以被配置为具有负值，以确保Pieff的对应的对角元素为正。可以理解，Pieff的对角元素(R-KHdd)和(R–KHdq)应大于零(即，正电阻值)，以便在存在电阻变化的情况下保持马达20的稳定性。通过转移矩阵H和转移矩阵
Figure BDA0003066500710000142
中的这些元素，并且通过假设
Figure BDA0003066500710000143
和
Figure BDA0003066500710000144
是准确的估计，有效马达转移矩阵Peff可以被定义为：
Figure BDA0003066500710000145
可以理解，Pieff的对角元素(R–KHdd)和(R–KHdq)应大于零(即，正电阻值)，以便在存在电阻变化的情况下保持马达20的稳定性。
控制模块30可以将补偿电压命令VM的d轴部分与补偿电压命令VM的q 轴部分解耦，使得补偿电压命令VM的d轴部分不影响电流的q轴部分，并且使得补偿电压命令VM的q轴部分不影响电流的d轴部分。此外，通过使用转移矩阵H和转移矩阵
Figure BDA0003066500710000146
以保持电压命令VM的d轴部分和q轴部分的解耦的方式生成补偿电压命令VH，控制模块30相对于次优系统节省资源(例如，处理资源、存储器资源等)，该次优系统仅能够以耦合或再耦合补偿电压命令VM的d轴部分和q轴部分为代价来滤波与NVH相关的干扰。结合图5和图6描述了其他示例滤波器。
图5示出了根据本公开原理的控制模块30的框图。特别地，模块被示出为包括转移矩阵，这些转移矩阵包括用于一个或多个超前-滞后滤波器的转移矩阵。
转移矩阵FLL在图5中如下所示：
Figure BDA0003066500710000147
在转移矩阵FLL中，超前-滞后滤波器
Figure BDA0003066500710000151
可以应用于补偿电压命令VR的每个部分。在一些实施例中，
Figure BDA0003066500710000152
可以等于
Figure BDA0003066500710000153
其中，τ表示低通滤波器时间常数。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VR的d轴部分的滤波器值可以与施加到补偿电压命令VR的q轴部分的滤波器值相同。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VR的d轴部分的滤波器值可以是与施加到补偿电压命令VR的q轴部分的值不同的滤波器值。
转移矩阵
Figure BDA0003066500710000154
在图5中如下所示：
Figure BDA0003066500710000155
在转移矩阵
Figure BDA0003066500710000156
中，逆超前-滞后滤波器
Figure BDA0003066500710000157
可以应用于补偿电压命令VH的每个部分。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VH的 d轴部分的滤波器值可以与施加到补偿电压命令VH的q轴部分的滤波器值相同。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VH的d轴部分的滤波器值可以是与施加到补偿电压命令VH的q轴部分的值不同的滤波器值。
通过在状态反馈回路中实现转移矩阵
Figure BDA0003066500710000158
可以使用转移矩阵FLL对与 NVH相关的干扰滤波，同时允许保持滤波模块318输出的补偿电压命令VM的 d轴部分和q轴部分之间解耦。
图6示出了根据本公开原理的控制模块30的框图。特别地，模块被图示为包括转移矩阵，这些转移矩阵包括用于一个或多个控制带阻滤波器(陷波器)的转移矩阵。要注意的是，模块被图示为包括这些矩阵，以便有助于易于理解模块被配置用于执行何操作。
转移矩阵FN在图6中如下所示：
Figure BDA0003066500710000159
在转移矩阵FN中，可以应用陷波滤波器
Figure BDA0003066500710000161
其中，ζ是阻尼比，ω是可以应用于补偿电压命令VR的每个部分的固有频率。在一些实施例中，
Figure BDA0003066500710000162
可以等于
Figure BDA0003066500710000163
其中，τ表示低通滤波器时间常数。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VR的d轴部分的滤波器值可以与施加到补偿电压命令VR的q轴部分的滤波器值相同。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VR的d 轴部分的滤波器值可以是与施加到补偿电压命令VR的q轴部分的值不同的滤波器值。
转移矩阵
Figure BDA0003066500710000164
在图6中如下所示：
Figure BDA0003066500710000165
在转移矩阵
Figure BDA0003066500710000166
中，逆陷波滤波器
Figure BDA0003066500710000167
可以应用于补偿电压命令VH的每个部分。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VH的d轴部分的滤波器值可以与施加到补偿电压命令VH的q轴部分的滤波器值相同。在一些实施例中，施加到补偿电压命令VH的d轴部分的滤波器值可以是与施加到补偿电压命令VH的q轴部分的值不同的滤波器值。
通过在状态反馈回路中实现转移矩阵
Figure BDA0003066500710000168
可以使用转移矩阵FN对与 NVH相关的干扰滤波，同时允许保持滤波模块318输出的补偿电压命令VM的 d轴部分和q轴部分之间解耦。
图7是根据本公开原理的可由控制系统100(例如，使用控制模块30) 执行的控制方法700的流程图。在一些实施例中，控制模块30可以被实现为马达控制系统的一部分，该马达控制系统根据输入电压命令生成输出电流。在一些实施例中，控制模块30可以被实现为使用处理器和存储器的电动助力转向(EPS)系统的一部分。如根据本公开可以理解的，该方法内的操作顺序不限于如图7所示的顺序执行，而是可以根据本公开的原理以适用的一个或多个变化的顺序来执行。
在710处，方法700从马达20接收包括直轴(d轴)部分和正交轴(q 轴)部分的输出电流，其中，输出电流可以被接收为反馈电流。例如，控制模块30可以从马达20接收包括直轴(d轴)部分和正交轴(q轴)部分的输出电流，其中，输出电流可以被接收为反馈电流。
在720处，方法700通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于反馈电流来确定补偿电压命令。例如，控制模块30可以通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于反馈电流来确定补偿电压命令。第一组增益因子可以使补偿电压命令的d轴部分和q轴部分解耦。第二组增益因子的逆可用于以保持补偿电压命令的d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对补偿电压命令滤波。
在一些实施例中，可以通过由控制模块30使用用于一个或多个低通滤波器的转移矩阵来应用第二组增益因子或第二组增益因子的逆中的至少一个。在一些实施例中，转移矩阵可以是动态增益转移矩阵：
Figure BDA0003066500710000171
在一些实施例中，可以通过由控制模块30使用用于一个或多个超前-滞后滤波器的转移矩阵来应用第二组增益因子或第二组增益因子的逆中的至少一个。在一些实施例中，转移矩阵可以是动态增益转移矩阵：
Figure BDA0003066500710000172
在一些实施例中，可以通过由控制模块30使用用于一个或多个陷波滤波器的转移矩阵来应用第二组增益因子或第二组增益因子的逆中的至少一个。在一些实施例中，转移矩阵可以是动态增益转移矩阵：
Figure BDA0003066500710000173
在一些实施例中，第二组增益因子中的至少一个可由控制模块30使用用于d轴值的第一类型的滤波器和用于q轴值的第二类型的滤波器的转移矩阵来应用。在一些实施例中，第一组增益因子可以包括一个或多个虚拟阻抗。
在730处，方法700通过将第二组增益因子应用于补偿电压命令来确定马达20的输入电压命令，使得马达20生成输出电流，以减小马达20的运行参数集的变化的影响。
以上讨论意在说明本公开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”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。本文结合阈值描述了一些实施方式。
此外，如本文所使用的，术语“集合(组)”旨在包括一个或多个项目 (例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。在仅意图一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。而且，如本文所使用的，术语“具有”等旨在是开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。
如本文所使用的，满足阈值可以指的是值大于阈值、超过阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等。
本文描述的系统、算法、方法以及指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。
如本文所使用的，术语“模块”和“子模块”是指ASIC、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享处理器、专用处理器或处理器组)与存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适的组件。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且存储由处理电路执行的指令以执行方法。此外，本文描述的模块和子模块可以被组合和/或进一步划分。
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)可执行的一组指令、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指令。
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相应的方法、算法和/或指令。附加地或可选地，例如，可以用专用计算机 /处理器，其可以包含用于实行本文描述的任何方法、算法或指令的其他硬件。
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发明。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)

1.一种马达控制系统，其根据输入电压命令生成输出电流，所述马达控制系统包括：
至少一个处理器；以及
存储器，其包括指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器：
从马达接收包括直轴d轴部分和正交轴q轴部分的所述输出电流，所述输出电流被接收为反馈电流；
通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于所述反馈电流来确定补偿电压命令，所述第一组增益因子用于解耦所述补偿电压命令的d轴部分和q轴部分，所述第二组增益因子的逆用于允许以保持所述补偿电压命令的d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对所述补偿电压命令滤波；以及
通过将所述第二组增益因子应用于所述补偿电压命令来确定所述马达的输入电压命令，以使所述马达生成受所述马达的运行参数集的变化的影响减小的输出电流。
2.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述指令还使所述处理器使用用于一个或多个低通滤波器的转移矩阵来应用所述第二组增益因子或所述第二组增益因子的逆中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的马达控制系统，其中，所述转移矩阵包括动态增益转移矩阵：
Figure FDA0003066500700000011
4.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述指令还使所述至少一个处理器使用表示一个或多个超前-滞后滤波器的转移矩阵来应用所述第二组增益因子或所述第二组增益因子的逆中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的马达控制系统，其中，所述转移矩阵包括动态增益矩阵：
Figure FDA0003066500700000021
6.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述指令还使所述至少一个处理器使用用于一个或多个陷波滤波器的转移矩阵来应用所述第二组增益因子或所述第二组增益因子的逆中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的马达控制系统，其中，所述转移矩阵包括动态增益矩阵：
Figure FDA0003066500700000022
8.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中，所述第一组增益因子包括一个或多个虚拟阻抗。
9.一种控制马达的方法，所述马达根据输入电压命令生成输出电流，所述方法包括：
从所述马达接收包括直轴d轴部分和正交轴q轴部分的所述输出电流，所述输出电流被接收为反馈电流；
通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于所述反馈电流来确定补偿电压命令，所述第一组增益因子用于解耦所述补偿电压命令的d轴部分和q轴部分，所述第二组增益因子的逆用于允许以保持所述补偿电压命令的d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对所述补偿电压命令滤波；以及
通过将所述第二组增益因子应用于所述补偿电压命令来确定所述马达的输入电压命令，以使所述马达生成受所述马达的运行参数集的变化的影响减小的输出电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用用于d轴值的第一类型的滤波器和用于q轴值的第二类型的滤波器的转移矩阵，来应用所述第二组增益因子中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，使用作为如下的动态转移矩阵的一部分的一个或多个低通滤波器，来应用所述第二组增益因子或所述第二组增益因子的逆中的至少一个：
Figure FDA0003066500700000031
12.根据权利要求9所述的方法，其中，使用用于一个或多个超前-滞后滤波器的转移矩阵，来应用所述第二组增益因子或所述第二组增益因子的逆中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述转移矩阵是动态增益矩阵：
Figure FDA0003066500700000032
14.根据权利要求9所述的方法，其中，使用用于一个或多个陷波滤波器的转移矩阵，来应用所述第二组增益因子或所述第二组增益因子的逆中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述转移矩阵是动态增益矩阵：
Figure FDA0003066500700000033
16.一种电动助力转向EPS系统，包括：
处理器；以及
存储器，其包括指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器：
从马达接收包括直轴d轴部分和正交轴q轴部分的输出电流，所述输出电流被接收为反馈电流；
通过将第一组增益因子和第二组增益因子的逆应用于所述反馈电流来确定补偿电压命令，所述第一组增益因子用于解耦所述补偿电压命令的d轴部分和q轴部分，所述第二组增益因子的逆用于允许以保持所述补偿电压命令的d轴部分和q轴部分之间的解耦的方式对所述补偿电压命令滤波；
接收所述补偿电压命令；以及
通过将所述第二组增益因子应用于所述补偿电压命令来确定所述马达的输入电压命令，以使所述马达生成受所述马达的运行参数集的变化的影响减小的输出电流。
17.根据权利要求16所述的EPS系统，其中，通过应用所述第二组增益因子的逆来确定所述补偿电压命令使得所述电压命令的d轴部分和所述电压命令的q轴部分在提供给所述马达时保持解耦。
18.根据权利要求16所述的EPS系统，其中，所述指令还使所述处理器使用用于d轴值的第一类型的滤波器和用于q轴值的第二类型的滤波器的转移矩阵来应用所述第二组增益因子中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的EPS系统，其中，所述转移矩阵包括动态增益矩阵：
Figure FDA0003066500700000041
20.根据权利要求16所述的EPS系统，其中，所述第一组增益因子包括一个或多个虚拟阻抗。
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