本發(fā)明涉及用于馬達(dá)控制系統(tǒng)的相電流測量中的偏移誤差(offseterror)的檢測。
背景技術(shù):
電動助力轉(zhuǎn)向(eps)系統(tǒng)需要使用扭矩控制的方法操作用以提供轉(zhuǎn)向輔助的電動馬達(dá)。當(dāng)使用永磁同步機(jī)(pmsm)時,可以利用磁場定向控制(foc)。foc將靜止參考坐標(biāo)系中的ac相馬達(dá)電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系,通常被稱為d/q軸參考坐標(biāo)系,其中馬達(dá)電壓和電流變?yōu)橹绷鳎╠c)量。通常通過閉環(huán)電流控制方法實現(xiàn)foc扭矩控制,其中所述方法采用電流調(diào)節(jié)器以使命令電流和測量電流之間的誤差最小化,以實現(xiàn)完美的電流跟蹤。因此,電流控制需要測量馬達(dá)電流,這可以通過測量電機(jī)的相電流來實現(xiàn),然后電機(jī)的相電流經(jīng)由派克變換(parktransform)被變換于同步坐標(biāo)系中以在同步參考坐標(biāo)系中執(zhí)行控制。
當(dāng)在相電流測量中出現(xiàn)給定大小的偏移誤差時,在同步參考坐標(biāo)系中操作的閉環(huán)電流控制調(diào)整馬達(dá)電壓,使得馬達(dá)電流的測量與命令匹配。由于測量是不正確的,因此實際馬達(dá)電流也不正確。失效模式導(dǎo)致取決于馬達(dá)位置的馬達(dá)扭矩和電流誤差,其可作為在馬達(dá)軸處的大的扭矩波動而被感知,并且潛在地大于額定馬達(dá)電流(對于硬件設(shè)計而言)。當(dāng)由相電流測量偏移誤差引起的扭矩波動超過某個閾值時,偏移誤差能夠產(chǎn)生沿與馬達(dá)扭矩命令相對的方向的馬達(dá)扭矩。當(dāng)用在eps系統(tǒng)中時,產(chǎn)生沿與期望的馬達(dá)扭矩命令相對的方向的扭矩的失效導(dǎo)致超過來自駕駛員的手動(manual)的努力。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
一種用于檢測動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電流測量偏移誤差的系統(tǒng)包括可編程高通濾波器模塊,其被配置為對最終電壓命令進(jìn)行濾波并生成包括正弦分量的濾波的最終電壓命令;增益和相位補(bǔ)償模塊,其被配置成在濾波的最終電壓命令上執(zhí)行增益補(bǔ)償和相位補(bǔ)償,以生成補(bǔ)償?shù)淖罱K電壓命令;以及誤差檢測模塊,其被配置為確定在定子參考坐標(biāo)系中補(bǔ)償?shù)淖罱K電壓命令的偏移。
在本發(fā)明的另一實施例中,一種用于檢測動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電流測量偏移誤差的方法包括確定在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中參考電壓命令和最終電壓命令的電壓差異,所述電壓差異包括常數(shù)分量和正弦分量;對所述電壓差異進(jìn)行濾波以生成包括所述正弦分量的濾波電壓差異;在濾波的電壓差異上執(zhí)行增益補(bǔ)償和相位補(bǔ)償以生成補(bǔ)償?shù)碾妷翰町?;以及確定補(bǔ)償?shù)碾妷翰町愒诙ㄗ訁⒖甲鴺?biāo)系中的偏移。
在本發(fā)明的另一個實施例中,一種用于檢測動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電流測量偏移誤差的系統(tǒng)包括電壓差異計算模塊,其被配置為確定轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中參考電壓命令和最終電壓命令的電壓差異,所述電壓差異包括常數(shù)分量和正弦分量;可編程高通濾波器模塊,其配置成對電壓差異進(jìn)行濾波并生成包括所述正弦分量的濾波的電壓差異;增益和相位補(bǔ)償模塊,其被配置為在濾波的電壓差異上執(zhí)行增益補(bǔ)償和相位補(bǔ)償,以生成補(bǔ)償?shù)碾妷翰町?;以及誤差檢測模塊,其被配置為確定定子參考坐標(biāo)系中補(bǔ)償?shù)碾妷翰町惖钠啤?/p>
結(jié)合附圖根據(jù)以下描述,這些和其它優(yōu)點和特征將變得更加顯而易見。
附圖說明
在說明書結(jié)尾處的權(quán)利要求中具體地指出并明確地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。結(jié)合附圖從以下詳細(xì)描述中顯而易見到本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點,附圖中:
圖1是根據(jù)一個實施例的馬達(dá)控制系統(tǒng)的示例性示意圖;
圖2圖示根據(jù)一些實施例的相電流測量診斷模塊的示意圖;
圖3圖示根據(jù)另一實施例的相電流測量診斷模塊的示意圖;
圖4描繪圖示根據(jù)一些實施例的處理結(jié)果的圖表;和
圖5圖示根據(jù)一個實施例的確定偏移誤差的方法。
具體實施方式
現(xiàn)在參考附圖,其中將參照具體實施例描述本發(fā)明,而不限制本發(fā)明。圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的在電流控制反饋回路中利用相電流測量的多相永磁同步電機(jī)(pmsm)的扭矩控制模塊100的框圖。如圖所示,扭矩控制模塊100包括馬達(dá)參考電流生成器102、電流調(diào)節(jié)器模塊104和電流測量診斷模塊106。圖1還描繪電流測量模塊108和馬達(dá)110。
如本文所使用的,術(shù)語“模塊”或“子模塊”是指專用集成電路(asic)、電子電路、執(zhí)行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共享的、專用的或成組的)和存儲器、組合邏輯電路,和/或提供所描述的功能的其它合適的部件。當(dāng)在軟件中實現(xiàn)時,模塊或子模塊能夠在存儲器中體現(xiàn)為非暫時性機(jī)器可讀儲存介質(zhì),其可由處理電路讀取并儲存用于由處理電路執(zhí)行以便實施方法的指令。此外,可以被組合和/或進(jìn)一步劃分圖中所示的模塊和子模塊。
馬達(dá)參考電流生成器102基于輸入信號(包括馬達(dá)扭矩命令114、馬達(dá)速度116、源電壓信號118和馬達(dá)參數(shù)112)生成前饋電壓命令120和電流命令122。馬達(dá)扭矩命令114表示命令扭矩值,并且可以從另一個扭矩控制模塊(未示出)得到,或者可以對應(yīng)于由操作者生成的扭矩值。馬達(dá)速度116是由速度傳感器(未示出)測得的馬達(dá)110的角速度。速度傳感器可以包括例如編碼器和用于基于由編碼器接收到的信號計算馬達(dá)110的轉(zhuǎn)子的角速度的速度計算電路。源電壓信號118表示來自dc電源(未示出)的橋電壓。
馬達(dá)參數(shù)112是馬達(dá)110的估計值,包括例如馬達(dá)常數(shù)ke(volt/rad/s)、馬達(dá)電路電阻r(ohm)、直軸電感ld(henry)和交軸電感lq(henry)。
在一些實施例中,由馬達(dá)參考電流生成器102生成的電流命令122包括基于馬達(dá)扭矩命令114、源電壓信號118和角速度的參考d軸電流命令和參考q軸電流命令。馬達(dá)參考電流生成器102還計算前饋電壓命令120,其可以包括前饋d軸電壓命令和前饋q軸電壓命令。前饋電壓命令120和電流命令122滿足馬達(dá)扭矩命令114。
電流調(diào)節(jié)器模塊104基于前饋電壓命令120、電流命令122和測得的馬達(dá)電流124確定最終電壓命令126。測得的馬達(dá)電流124包括測得的d軸電流和測得的q軸電流,其在定子參考坐標(biāo)系中從電流測量信號變換而來。
對于不同類型的電流調(diào)節(jié)器設(shè)計,前饋電壓命令通常是不同的。應(yīng)當(dāng)理解的是,用于電流測量偏移診斷實現(xiàn)的前饋電壓項可以與用于使用純靜態(tài)前饋控制的馬達(dá)控制的前饋電壓項相似或等同。此外,最終電壓命令可以是電流調(diào)節(jié)器的輸出。然而,如果這些電壓的測量是可用的,則也可以代替最終電壓命令使用由逆變器施加于馬達(dá)的實際電壓,或任何其它合適的電壓。
電流調(diào)節(jié)器模塊104向馬達(dá)110發(fā)送最終電壓命令126以控制馬達(dá)。具體地,在一些實施例中,極性轉(zhuǎn)換控制器(未示出)接收d軸電壓命令和q軸電壓命令作為輸入。基于該輸入,極性轉(zhuǎn)換控制器確定電壓命令和相位超前角。pwm逆變器控制器(未示出)然后接收來自極性轉(zhuǎn)換控制器的電壓命令和相位超前角作為輸入信號。pwm逆變器控制器還接收由馬達(dá)位置傳感器(未示出)測得的馬達(dá)110的轉(zhuǎn)子角度值。在一些實施例中,pwm逆變器控制器可以包括過調(diào)制空間矢量pwm單元,其生成三個相應(yīng)的占空比值。占空比值被用于驅(qū)動激勵馬達(dá)110的相的逆變器(未示出)的柵極驅(qū)動電路(gatedrivecircuit)。
出于反饋控制的目的,電流測量模塊108基于來自馬達(dá)110的實際電流128生成測得的馬達(dá)電流124。在一些實施例中,電流測量模塊108包括電流測量傳感器,其根據(jù)傳送到馬達(dá)110的實際電流128生成測得的馬達(dá)電流124。因此,測量的馬達(dá)電流124表示由電流測量模塊108測得的相電流(例如,兩相、三相)的值。在一些實施例中,電流測量模塊108將ac相電流的測得值轉(zhuǎn)換為等效的測得的dc電流分量,其是在d/q參考坐標(biāo)系(轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系)中的測得的d軸電流和測得的q軸電流。
在操作中,實際電流128可以在靜止參考坐標(biāo)系中具有偏移誤差。測得的實際電流,包括在αβ坐標(biāo)系中的偏移誤差,其中αβ坐標(biāo)系也是靜止坐標(biāo)系并且表示相電流。靜止參考坐標(biāo)系可以根據(jù)以下等式表達(dá):
其中
當(dāng)變換到同步參考坐標(biāo)系中時,測得的馬達(dá)電流處于旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中,并且能夠被表示為:
其中
在操作中,測得的馬達(dá)電流124可以變得等于電流命令122,從而導(dǎo)致實際電流128的失真(distortion)。該失真通過扭矩控制模塊100傳播,從而引起同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中前饋電壓命令120和最終電壓命令126之間的d/q偏移誤差。在準(zhǔn)確的參數(shù)估計的假設(shè)下的d/q偏移誤差(旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系偏移誤差)能夠被表達(dá)為:
其中
在靜止參考坐標(biāo)系中,電壓偏移信號可以表達(dá)為
d/q電壓偏移除了由于參數(shù)誤差引起的正弦項之外還包含常數(shù)項,當(dāng)變換到靜止坐標(biāo)系中時,其變換成正弦分量。此外,取決于具體參數(shù),這些項可以是同步頻率的函數(shù),并且隨著速度增加而在大小上變大。
電流測量診斷模塊106去除d/q電壓偏移的常數(shù)分量,以提高在變換到靜止參考坐標(biāo)系中之后的誤差狀態(tài)檢測的準(zhǔn)確性。
具體地,電流測量診斷模塊106確定由電流測量模塊108生成的測得的馬達(dá)電流124是否表示正確的測量值。也就是說,電流測量診斷模塊106通過分析靜止參考坐標(biāo)系電壓偏移
電流測量診斷模塊106將最終電壓命令126與前饋電壓命令120相比較,以確定相電流測量是否具有足夠大以指示傳感器故障或失效的靜止參考坐標(biāo)系偏移誤差。在一些實施例中,電流測量診斷模塊106確定接收到的電壓命令指示電流測量中沒有偏移誤差。例如當(dāng)電流測量中的靜止參考坐標(biāo)系偏移誤差超過閾值時,電流測量診斷模塊106生成診斷標(biāo)示130。診斷缺陷可以在相電流測量中引入偏移誤差。下文描述的系統(tǒng)和方法增加了診斷的魯棒性。
圖2更詳細(xì)地圖示一些實施例的電流測量診斷模塊106。如圖所示,電流測量診斷模塊106包括可編程高通濾波器模塊204、增益和相位補(bǔ)償模塊206、變換模塊208和誤差檢測模塊210。
可編程高通濾波器模塊204接收最終電壓命令126??删幊谈咄V波器模塊204被配置為對最終電壓命令126進(jìn)行濾波,從而導(dǎo)致從最終電壓命令126去除常數(shù)分量。因此,可編程高通濾波器模塊204被配置為生成包括最終電壓命令126的正弦分量而沒有常數(shù)分量的濾波的最終電壓命令214。因此,可編程高通濾波器模塊204可以具有與馬達(dá)110(圖1)的同步頻率ωe成比例的截止頻率??删幊谈咄V波器模塊204可以基于可校準(zhǔn)的常數(shù)值被編程。該可校準(zhǔn)的常數(shù)值可以被調(diào)諧以減小正弦電壓分量中的增益和相位誤差??删幊谈咄V波器模塊204的傳遞函數(shù)可以寫作如下:
其中,k是可校準(zhǔn)常數(shù),其可以被調(diào)諧以減小正弦分量中的增益和相位誤差??删幊谈咄V波器模塊204可以利用同步頻率ωe,并且由濾波器引入的增益和相位誤差是靜態(tài)的。而且,用可編程高通濾波器模塊204,可以獨立地調(diào)諧可校準(zhǔn)常數(shù)k以確保輸入信號的最小失真??删幊谈咄V波器模塊204不限于上述實施例。比如,只要可編程濾波器去除最終電壓命令126的常數(shù)分量,就可以使用更高階的濾波器。
濾波的最終電壓命令214被發(fā)送到增益和相位補(bǔ)償模塊206??删幊谈咄V波器模塊204可以將大小和相位誤差引入濾波的最終電壓命令214,從而需要由增益和相位補(bǔ)償模塊206執(zhí)行補(bǔ)償。在一些實施例中,增益和相位補(bǔ)償模塊206包括用以下傳遞函數(shù)的一階單位增益可編程低通濾波器(plpf):
一階單位增益可編程低通濾波器可以補(bǔ)償濾波的最終電壓命令214以恢復(fù)最終電壓命令126的增益和相位??梢愿鶕?jù)寫作下式的約束等式來執(zhí)行補(bǔ)償:
在其它實施例中,增益和相位補(bǔ)償模塊206可以利用用以下示出的傳遞函數(shù)的二階低通濾波器。
上文示出的二階低通濾波器可以通過使用兩個調(diào)諧參數(shù)k’和ζ來允許更具體的瞬態(tài)響應(yīng)。增益和相位補(bǔ)償將分別需要不同的k’和ζ以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)(steadystatespecification),其必須用上文呈示的方法適當(dāng)?shù)赜嬎恪?/p>
增益和相位補(bǔ)償模塊206生成補(bǔ)償?shù)淖罱K電壓命令216,其被發(fā)送到變換模塊208以便處理。具體地,變換模塊208通常利用逆派克變換或類似的數(shù)學(xué)變換來將dc坐標(biāo)系(轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系或d/q參考坐標(biāo)系)中的測得的相位電流轉(zhuǎn)換為ac坐標(biāo)系(定子參考坐標(biāo)系),從而簡化誤差確定的分析。變換模塊208的輸出作為變換的電壓偏移(在定子坐標(biāo)系中表示)被發(fā)送到誤差檢測模塊210。誤差檢測模塊210例如在定子參考坐標(biāo)系中確定相比于閾值的變換的電壓偏移的大小,并且確定是否存在電流測量偏移誤差。
電流測量診斷模塊106為高同步頻率以及全頻譜的同步頻率提供診斷魯棒性。
可編程高通濾波器模塊204以及增益和相位補(bǔ)償模塊206可以被數(shù)字地實現(xiàn)以減輕連續(xù)時間濾波器的大小和相位的差異。可編程高通濾波器模塊204以及增益和相位補(bǔ)償模塊206的數(shù)字實施方案可以基于同步頻率,而且在離散域中實現(xiàn),如以下等式中所示,其中
雖然可編程高通濾波器模塊204在圖2中是一階濾波器,但是進(jìn)一步預(yù)期和理解的是,可編程高通濾波器模塊204可以是更高階的,例如二階濾波器。
圖3更詳細(xì)地圖示另一個實施例的相電流測量診斷模塊。如圖所示,相電流測量診斷模塊106a包括電壓差異計算模塊302、可編程高通濾波器模塊304、增益和相位補(bǔ)償模塊306、變換模塊308和誤差檢測模塊310。
電壓差異計算模塊302基于前饋電壓命令120和最終電壓命令126計算電壓差異312。在一些實施例中,通過確定前饋電壓命令120和最終電壓命令126,電壓差異312在d/q域中被表示為d/q偏移。電壓差異312可以具有常數(shù)分量和正弦分量,這兩者均在d/q參考坐標(biāo)系中表示。
可編程高通濾波器模塊304接收電壓差異312。可編程高通濾波器模塊304被配置為對電壓差異312進(jìn)行濾波,從而導(dǎo)致去除常數(shù)分量。因此,可編程高通濾波器模塊304被配置為生成包括電壓差異312的正弦分量而沒有常數(shù)分量的濾波的電壓差異314。因此,可編程高通濾波器模塊304可以具有與馬達(dá)110(圖1)的同步頻率ωe成比例的截止頻率。可編程高通濾波器模塊304可以基于可校準(zhǔn)的常數(shù)值被編程。該可校準(zhǔn)的常數(shù)值可以被調(diào)諧以減小正弦電壓分量中的增益和相位誤差??删幊谈咄V波器模塊304的傳遞函數(shù)可以被寫作如下:
其中,k是可校準(zhǔn)常數(shù),其可以被調(diào)諧以減小正弦分量中的增益和相位誤差??删幊谈咄V波器模塊304可以利用同步頻率ωe,并且由濾波器引入的增益和相位誤差是靜態(tài)的。而且,用可編程高通濾波器模塊304,可以獨立地調(diào)諧可校準(zhǔn)常數(shù)k以確保輸入信號的最小失真。可編程高通濾波器模塊304不限于上述實施例。比如,只要可編程濾波器去除電壓差異312的常數(shù)分量,就可以使用更高階的濾波器。
濾波的電壓差異314被發(fā)送到增益和相位補(bǔ)償模塊306??删幊谈咄V波器模塊304可以將大小和相位誤差引入濾波的電壓差異314,從而需要由增益和相位補(bǔ)償模塊306執(zhí)行補(bǔ)償。在一些實施例中,增益和相位補(bǔ)償模塊306包括用以下傳遞函數(shù)的一階單位增益可編程低通濾波器(plpf):
一階單位增益可編程低通濾波器可以補(bǔ)償濾波的電壓差異314以恢復(fù)電壓差異312的增益和相位。可以根據(jù)寫作下式的約束等式來執(zhí)行補(bǔ)償:
在其它實施例中,增益和相位補(bǔ)償模塊306可以利用用以下示出的傳遞函數(shù)的二階低通濾波器。
上文所示的二階低通濾波器可以通過使用兩個調(diào)諧參數(shù)k'和ζ來允許更具體的瞬態(tài)響應(yīng)。增益和相位補(bǔ)償將分別需要不同的ζ和k'以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)指標(biāo),其必須用上文呈示的方法適當(dāng)?shù)赜嬎恪?/p>
增益和相位補(bǔ)償模塊306生成被發(fā)送到變換模塊308以便處理的補(bǔ)償電壓差異316。具體地,變換模塊308通常利用逆派克變換或類似的數(shù)學(xué)變換將dc坐標(biāo)系(轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系,或d/q參考坐標(biāo)系)中測得的相電流轉(zhuǎn)換為ac坐標(biāo)系(定子參考坐標(biāo)系),從而簡化誤差確定的分析。變換模塊308的輸出作為在定子坐標(biāo)系中表示的變換的電壓偏移被發(fā)送到誤差確定模塊310。誤差檢測模塊310例如在定子參考坐標(biāo)系中確定相比于一定閾值的變換的電壓偏移的大小。誤差檢測模塊310可基于變換的電壓偏移來確定是否存在電流測量偏移誤差。
相電流測量診斷模塊106a為高同步頻率以及全頻譜的同步頻率提供診斷魯棒性。
可編程高通濾波器模塊304以及增益和相位補(bǔ)償模塊306可以數(shù)字地實現(xiàn)以減輕連續(xù)時間濾波器的大小和相位的差異。可編程高通濾波器模塊304以及增益和相位補(bǔ)償模塊306的數(shù)字實施方案可以基于同步頻率,而且在離散域中實現(xiàn),如以下等式中所示:
圖4示出兩幅圖表,第一圖表402圖示在存在電流測量偏移誤差的情況下的vd和vq。第二圖表404處示出由電流測量診斷模塊106(例如,圖3)進(jìn)行的處理的結(jié)果。如能夠認(rèn)識到的那樣,相電流偏移作為vα和vβ中的電壓偏移出現(xiàn)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的能夠由扭矩控制模塊100(圖1)執(zhí)行的控制方法的流程圖。
如根據(jù)本公開能夠認(rèn)識到的那樣,該方法內(nèi)的操作順序不限于如圖5中所示的順序執(zhí)行,而且可以根據(jù)適用和根據(jù)本公開以一種或多種變化的次序執(zhí)行。
在框510處,扭矩控制模塊100確定轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中的參考電壓命令和最終電壓命令的電壓差異。最終電壓差異包括常數(shù)分量和正弦分量。在框520處,扭矩控制模塊100對最終電壓差異進(jìn)行濾波,以生成包括正弦分量的濾波的最終電壓差異。
在框530處,扭矩控制模塊100在濾波的最終電壓差異上執(zhí)行增益補(bǔ)償和相位補(bǔ)償,以生成補(bǔ)償?shù)淖罱K電壓差異。相位補(bǔ)償可以例如用一階濾波器或二階濾波器恢復(fù)電壓差異的增益和相位。
在框540處,扭矩控制模塊100確定定子參考坐標(biāo)系中補(bǔ)償?shù)淖罱K電壓差異的偏移。扭矩控制模塊100還可以將直軸電壓信號和交軸電壓信號發(fā)送到馬達(dá)以控制該馬達(dá)。在一些實施例中,扭矩控制模塊100引起顯示指示電流測量的正確性或不正確性的狀態(tài)。比如,扭矩控制模塊100向操作者或技術(shù)人員輸出該狀態(tài)以便診斷馬達(dá)電流傳感器的功能。
雖然僅結(jié)合有限數(shù)量的實施例詳細(xì)描述了本發(fā)明,但應(yīng)當(dāng)容易地理解,本發(fā)明不限于這些公開的實施例。而且,能夠修改本發(fā)明以并入任何數(shù)量的先前未描述、但與本發(fā)明的精神和范圍相當(dāng)?shù)淖冃汀⒏?、替代或等效布置。另外,雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施例,但是應(yīng)當(dāng)理解的是,本發(fā)明的方面可以僅包括所描述的實施例中的一些。因此,本發(fā)明不被視為受到前述描述的限制。