具有電壓諧波整形的電動機控制的制作方法
【專利摘要】一種電動機(10)的控制系統(tǒng)包括電流感測裝置(14)，其被布置為產(chǎn)生指示所述電動機中的電流的電流感測輸出；電流控制裝置(20)，其被布置為接收電流需求和控制施加給電動機的電壓；和校正裝置(26)，所述校正裝置被布置為接收所述電流感測輸出和所述電流需求，并使用所述電流感測輸出和所述電流需求產(chǎn)生校正信號。所述電流控制裝置(20)被布置為接收所述校正信號和用所述校正信號校正施加給所述電動機的電壓。
【專利說明】具有電壓諧波整形的電動機控制
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動機的控制，更特別地，涉及對施加到電動機繞組的電壓中諧波的控制。它能夠用于例如校正由電動機驅(qū)動器輸出的電壓中的諧波誤差，并且把諧波添加到輸入到電動機的電壓以校正該電動機扭矩輸出的諧波變化。
【背景技術(shù)】
[0002]電動致動器的閉環(huán)電流控制器通常采用圖1所示的形式。響應于被請求的目標電流采用矢量控制，電壓被施加到電機的每個相繞組并測量最終產(chǎn)生的電流。然后控制器，通常是PI控制器，使用測出的電流控制被請求的電壓以獲得目標電流。還需要給出電動機的電氣位置的信號，以便能夠在正確的時間以正確的相位施加電壓。在圖1的系統(tǒng)中顯示了位置傳感器，但是本發(fā)明同樣適用于無位置傳感器的系統(tǒng)，其中從其他傳感器測量結(jié)果估算位置信號。
[0003]通常對于3相電機,驅(qū)動器包括6FET電橋,該6FET電橋被布置為以PWM模式對電動機端子施加已知的電壓來實現(xiàn)所期望的閉環(huán)電流。由于應用到電動機以產(chǎn)生所期望電壓的PWM切換模式，可能引入附加的有害諧波頻率形式的驅(qū)動級非線性，如圖2所示。
[0004]我們較早的申請PCT/GB2011/050748公開了一種電動機控制系統(tǒng)，其中測量畸變頻率處的畸變水平，向控制器輸入校正信號，然后該校正信號能校正施加的電壓以補償該畸變。為了改進該畸變的測量，通過應用頻移變換來將畸變頻率變換為DC分量，然后采用低通濾波器濾除基頻分量，將畸變頻率處的電流分量與基頻處的電流分量分離。在高電動機轉(zhuǎn)速，基頻和畸變頻率之間的差足以使得該分離被有效獲得。然而，在低電動機轉(zhuǎn)速，兩個頻率之間的差較小，有效濾波變得更加困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明因此提供了用于電動機的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電流感測裝置，其被布置為產(chǎn)生電流感測輸出，所述電流感測輸出可以指示所述電動機中的電流；所述系統(tǒng)還包括電流控制裝置，其被布置為接收電流需求，和/或被布置為控制施加給電動機的電壓。所述系統(tǒng)還包括校正裝置，所述校正裝置可被布置為接收所述電流感測輸出和所述電流需求。所述校正裝置可被布置為產(chǎn)生校正信號。所述電流控制裝置可被布置為接收所述校正信號和用所述校正信號校正施加給所述電動機的電壓。
[0006]所述校正裝置可被布置為識別畸變頻率。所述校正裝置可被布置為例如從所述電流感測輸出和所述電流需求確定、或測量電動機中畸變頻率的電流分量。
[0007]所述校正信號可被布置為指示畸變頻率分量的幅度。
[0008]所述校正裝置可被布置為從所述電流感測輸出和所述電流需求產(chǎn)生畸變信號。它可被布置為從畸變信號確定或測量畸變頻率分量。例如，所述校正裝置可被布置為執(zhí)行電流感測輸出的至少一個分量和電流需求的至少一個分量之間的比較，從而至少部分地將畸變頻率分量從電動機中電流的基頻分量分離。這個分量，在任一情況下，可以是一小部分。例如所述控制裝置可被布置為從所述電流感測輸出減去所述電流需求的一小部分。該一小部分可以是固定的，或是可變的。如果它是可變的，它可以被布置為例如隨著電動機速度而改變。
[0009]所述電流控制裝置可被布置為輸出指示施加到所述電動機的電壓的電壓需求。所述校正信號可被布置為指示對所述電壓需求的校正。
[0010]所述校正裝置可被布置為轉(zhuǎn)換所述畸變信號的至少一部分，從而被識別的分量變?yōu)镈C分量。所述校正裝置可以被布置為測量所述DC分量的幅度。
[0011]所述校正裝置可被布置為運行在高速模式和低速模式。其可被布置為在所述低速模式采用所述電流需求來產(chǎn)生所述校正信號。在所述高速模式，其可被布置為通過濾波至少部分地將所述畸變頻率分量從所述基頻分量分離?？蛇x擇地，所述校正裝置可以采用所述電流需求來產(chǎn)生高速和低速模式的校正信號。
[0012]所述系統(tǒng)還包括被布置為濾除一定范圍的頻率以執(zhí)行所述濾波的濾波器。所述控制系統(tǒng)可被布置為當基頻在能被所述濾波器濾除的范圍內(nèi)時運行在高速模式。它可以被布置為當基頻不在所述范圍時運行在較低速度的低速模式。
[0013]所述校正裝置可以被布置為產(chǎn)生所述校正信號，以便減小所述被識別的分量，或者它也可以被布置為增大所述被識別的分量?？梢砸钥勺兊牧窟M行所述減小或增大以便校正測出的畸變，或者其也可以以固定的量，例如校正所述系統(tǒng)的已知畸變。例如，它可以被布置為按固定幅度產(chǎn)生所述校正信號以便校正所述電動機的扭矩諧波。
[0014]所述校正裝置可以被布置為將所述校正信號與所述電壓需求結(jié)合以產(chǎn)生所述校正后的電壓需求。
[0015]所述電動機可以具有靜止繞組和相對于所述繞組旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。所述電流感測裝置可以包括電流傳感器和變換裝置，電流傳感器被布置為測量所述電動機繞組中的電流，變換裝置被布置為將所述測出的電流變換到所述轉(zhuǎn)子的參考系中。所述電流感測輸出可以定義在旋轉(zhuǎn)的參考系，例如具有D和Q分量的轉(zhuǎn)子參考系中的電流，也可以定義在固定的、具有α和β分量的參考系中的電流。
[0016]所述電流控制裝置可以被布置為輸出所述電壓需求，以便定義在旋轉(zhuǎn)的參考系，例如具有D和Q分量的轉(zhuǎn)子參考系中的需求的電壓，或者定義在固定的、具有α和β分量的參考系中的需求的電壓。
[0017]所述系統(tǒng)可以被布置為校正多個畸變分量。所述畸變分量可以是具有不同頻率和/或不同正負號的諧波。
[0018]現(xiàn)在將參考附圖僅僅以舉例方式介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0019]圖1是用于電動機的公知閉環(huán)電流控制系統(tǒng)的圖示；
[0020]圖2是顯示了電動機驅(qū)動器中產(chǎn)生的諧波誤差如何影響圖1的系統(tǒng)的圖示；
[0021]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于電動機的閉環(huán)電流控制系統(tǒng)的圖示；
[0022]圖4是形成圖4中系統(tǒng)的一部分的諧波補償系統(tǒng)的圖示；
[0023]圖5是形成圖3中系統(tǒng)的一部分的同步濾波器的圖示；
[0024]圖6是類似于圖5的但是具有另一濾波器組件的濾波器布置的圖示；
[0025]圖7是圖3中系統(tǒng)的校正部分的圖示；
[0026]圖8是顯示測出的電流中的基頻和畸變頻率電流分量的圖；[0027]圖9是顯示變換畸變分量后圖9的分量的圖；
[0028]圖10是顯示系統(tǒng)運行在低速模式時去除基頻分量的圖；
[0029]圖11是顯示隨著降低的電動機速度逐步引入的低速模式的圖；和
[0030]圖12是根據(jù)本發(fā)明進一步實施例的控制系統(tǒng)的圖示。
【具體實施方式】
[0031]參考圖3，電動機10由根據(jù)本發(fā)明實施例的閉環(huán)電動機電流控制系統(tǒng)控制，其包括電流感測系統(tǒng)12和電流控制器20。電流感測系統(tǒng)12包括被布置為測量電動機的三相中的電流iu、iv、iw的電流傳感器14,并且輸出以具有α和β分量的靜止坐標表示電流矢量的信號，電動機包括靜止繞組。電流感測系統(tǒng)進一步包括坐標變換塊16,坐標變換塊16被布置為把來自靜止參考系中α和β分量的電流矢量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子參考系中定義電流矢量的D分量iD和Q分量iQ，轉(zhuǎn)子參考系相對于固定繞組旋轉(zhuǎn)，其中Q軸電流為扭矩產(chǎn)生分量而D軸電流為非扭矩產(chǎn)生分量。比較器18從電流感測系統(tǒng)12接收測出的D和Q電流，并且將其與要求的D和Q電流分量進行比較以產(chǎn)生電流誤差。電流控制器20接收電流誤差并輸出需求的電壓矢量，其形式為計算為減小電流誤差以使得所測出的電流矢量Idq接近需求的電流矢量iDQ *的D和Q軸電壓需求VDQ。另一變換塊22接收來自電流控制器的電壓需求并將其轉(zhuǎn)換為被輸入到PWM驅(qū)動器24的α和β分量Va e，PWM驅(qū)動器24包括6FET電橋并被布置為控制FET開關(guān)以便以PWM模式向電動機的相繞組施加電壓，PWM模式在這些繞組中產(chǎn)生具有與電壓需求矢量對應的幅度和方向的凈電壓。
[0032]在這個系統(tǒng)中的電動機驅(qū)動器24產(chǎn)生了以上介紹的諧波干擾。諧波誤差在由電流控制器20輸出的電壓需求中觀察不到。不過，其可以從電流感測系統(tǒng)12輸出的電流傳感器信號上觀察到。
[0033]所以，控制系統(tǒng)進一步包括被布置為提供諧波補償功能的諧波補償控制器26。為了實現(xiàn)這個目的，諧波補償控制器26被布置為監(jiān)測所測出的電流，在這種情況下通過監(jiān)測Idq，從而測量諧波干擾，并且使用加法器21對電流控制器20輸出的電壓需求施加校正，從而去除所述諧波誤差。在高速模式，諧波補償控制器26測量僅來自所測出的電流的諧波干擾。然而，它還接收和監(jiān)測電流需求iDQ*，并且運行在低速模式時，它被布置為采用這個輸入和所測出的電流來測量諧波干擾。諧波補償控制器26還被布置為接收電動機位置輸入信號Θ，以便使其能夠檢測電動機的位置。
[0034]參考圖4，諧波補償過程能夠被分解為三個步驟，這些步驟被顯示為諧波補償控制器26的功能塊:
[0035]1.分離-分離塊40被布置為監(jiān)測電動機中測出的電流并分離有害的頻率。
[0036]2.控制-控制塊44被布置為使用閉環(huán)電流控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制(取消)信號，該信號指示所需要的諧波校正的電平以便使得有害的諧波被降低至零，或者使得以所需的電平注入其他諧波，正如由分離頻率需求信號ikDQ *所定義的。
[0037]3.校正-校正塊46被布置為根據(jù)控制(取消)信號，對施加到電動機的電壓實施校正。
[0038]分離
[0039]盡管許多技術(shù)可以用于分離有害的諧波，比如運行時快速傅立葉變換(FFT)或陷波濾波器，但是在這個實施例使用的方法是使用被布置為將測出的電流變換到分離頻率參考系的同步濾波器。這就允許有害的諧波簡單地被隔離，在這種情況下假設(shè)其為已知頻率的單諧波。
[0040]圖5顯示了同步濾波器50的一種實現(xiàn)方式，它接收電流傳感器輸出Idq、電動機的電氣位置Θ和(相對于電動機的電頻率)要被分離的諧波k作為輸入。它還接收需求的電流iDQ *作為輸入，但這僅用于低速模式。注意，k可正可負，職決于目標諧波是正的還是負的序列分量(即，其是以與轉(zhuǎn)子相同的方向還是相反的方向行進)。
[0041]由濾波器50執(zhí)行的變換Wk0被定義為:
【權(quán)利要求】
1.一種電動機的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:電流感測裝置，其被布置為產(chǎn)生指示所述電動機中的電流的電流感測輸出；電流控制裝置，其被布置為接收電流需求并控制施加給所述電動機的電壓；和校正裝置，其被布置為接收所述電流感測輸出和所述電流需求，并使用所述電流感測輸出和所述電流需求產(chǎn)生校正信號，其中所述電流控制裝置被布置為接收所述校正信號并使用所述校正信號校正施加給所述電動機的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正裝置被布置為識別畸變頻率，并從所述電流感測輸出和所述電流需求確定所述電動機中在所述畸變頻率的電流分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正信號被布置為指示所述畸變頻率分量的幅度。
4.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正裝置被布置為從所述電流感測輸出和所述電流需求產(chǎn)生畸變信號。
5.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正裝置被布置為執(zhí)行電流感測輸出的至少一個分量和電流需求的至少一個分量之間的比較，從而至少部分地將所述畸變頻率分量從所述電動機中電流的基頻分量分離。
6.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述電流控制裝置被布置為輸出指示施加到所述電動機的電壓的電壓需求，并且所述校正信號被布置為指示對所述電壓需求的校正。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或前面任一根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正裝置被布置為變換所述電流感測輸出或所述畸變信號，從而被識別的分量變?yōu)镈C分量，并且所述校正裝置被布置為測量所述DC分量的幅度。
8.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正裝置被布置為運行在高速模式和低速模式，并且被布置為在所述低速模式使用所述電流需求來產(chǎn)生所述校正信號，并且在所述高速模式通過濾波至少部分地將所述畸變頻率分量從所述基頻分量分離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，還包括被布置為濾除一范圍的頻率以執(zhí)行所述濾波的濾波器，其中所述控制系統(tǒng)被布置為當基頻在將被所述濾波器濾除的范圍內(nèi)時運行在高速模式，以及當基頻不在所述范圍內(nèi)時運行在較低速度的低速模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正裝置被布置為將所述校正信號與所述電壓需求結(jié)合以產(chǎn)生校正后的電壓需求。
11.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，用于具有靜止繞組和相對于所述繞組旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的電動機，其中所述電流感測裝置包括電流傳感器和變換裝置，所述電流傳感器被布置為測量所述電動機繞組中的電流，所述變換裝置被布置為將所測量的電流變換到所述轉(zhuǎn)子的參考系中。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述電流控制裝置被布置為輸出所述電壓需求，以便定義在旋轉(zhuǎn)的參考系中的需求電壓。
13.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被布置為校正多個畸變分量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其中所述畸變分量是具有不同頻率和/或不同正負號的諧波。
15.—種參考任意一個或多個附圖如此處充分描述的控制系統(tǒng)。
【文檔編號】H02P21/05GK103718452SQ201280035042
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月3日
【發(fā)明者】C·D·狄克遜 申請人:Trw有限公司