电动马达驱动系统中源电流的动态控制
阅读说明：本技术 电动马达驱动系统中源电流的动态控制 (Dynamic control of source current in electric motor drive system ) 是由 张喆 P·普拉莫德 K·纳姆布利 于 2020-11-16 设计创作，主要内容包括：提供了一种电动马达驱动系统,包括：转子和围绕转子的定子,所述转子具有布置在其中的永磁体；具有布置在其中的开关的逆变器,该开关可操作用于从直流母线中汲取电流,并通过定子的绕组来操作电机,并且还提供了控制器,该控制器关可操作用于接收均与直流母线相关联的源电流限制I-S和源电压限制V-(DC)。当源电流转矩限制小于或等于与源电压相对应的源电压转矩限制时,该逆变器响应于转矩需求以操作逆变器的开关以生成与转矩需求相对应并依据转矩限制的交流电,该转矩限制由与源电压转矩限制相对应的源电流转矩限制限定。(There is provided an electric motor drive system comprising: a rotor and a stator surrounding the rotor, the rotor having permanent magnets arranged therein; an inverter having a switch disposed therein, the switch operable to draw current from the dc bus and operate the electric machine through the windings of the stator, and a controller is also provided, the controllerOff is operable to receive source current limits I each associated with a DC bus S And source voltage limit V DC . The inverter is responsive to the torque demand to operate switches of the inverter to generate alternating current corresponding to the torque demand and subject to a torque limit defined by a source current torque limit corresponding to the source voltage torque limit when the source current torque limit is less than or equal to the source voltage torque limit corresponding to the source voltage.)
技术领域
本公开涉及电动助力转向系统中的源电流的动态控制。
背景技术
电动助力转向使用电机以通过生成辅助转矩来辅助驾驶员转向。辅助转矩命令根据需要从直流母线汲取功率。不对电动助力转向系统限制功率可用性可能降低效率和寿命。
因此，期望限制电动转向功率需求。
发明内容
提供了一种电动马达驱动系统。该电动马达驱动系统包括：转子和围绕转子的定子，所述转子具有布置在其中的永磁体；具有布置在其中的开关的逆变器，该开关可操作用于从直流母线中汲取电流，并通过定子的绕组来操作电机，并且还提供了控制器，该控制器关可操作用于接收均与直流母线相关联的源电流限制IS和源电压限制VDC。当源电流转矩限制小于或等于与源电压相对应的源电压转矩限制时，该逆变器响应于转矩需求操作逆变器的开关以生成与转矩需求相对应并依据转矩限制的交流电，该转矩限制由与源电压转矩限制相对应的源电流转矩限制限定。
提供了一种电动马达驱动系统，其具有布置在其中的永磁体和围绕转子的定子。逆变器具有开关，该开关可操作用于从直流母线中汲取电流，并通过定子的绕组来操作电机。控制器可操作用于接收均与直流母线相关联的源电流限制IS和源电压限制VDC，并且响应于转矩需求，操作逆变器的开关以生成与所述转矩需求相对应并依据转矩限制的交流电，所述转矩限制通过等于第一交轴电流根IqS1的源电流转矩限制限定，IqS1小于基于源电压限制方程的第一交轴电压根IqV1，并且基于所述源功率限制方程的第二交轴电流根IqS2小于基于所述源电压限制方程的第二交轴电压根IqV2，IqS1是所述源功率限制方程在如下情况下的正根：所述源功率限制方程具有在交轴电流分量为零时基于所述源电压限制方程的直轴分量根。
提供了一种控制器可读存储介质，其上具有程序指令。该控制器接收均与直流母线相关联的源电流限制IS和源电压限制VDC，并接收转矩需求，以及当源电流转矩限制小于或等于与源电压相对应的源电压转矩限制时，操作逆变器的开关以生成与转矩需求相对应的并依据转矩限制的交流电，所述转矩限制由与源电流限制相对应的源电流转矩限制限定。
根据结合附图的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
在说明书的结尾处的权利要求中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点是明显的，其中：
图1示出了根据本发明一个方面的具有电流控制的转向系统；
图2示出了与本发明的另一方面相关联的控制器和母线；
图3示出了根据本发明的又一方面的转矩仲裁器；以及
图4图示了根据本发明的再一方面的仲裁块。
具体实施方式
现在参考附图，其中将参考具体实施例描述本发明，而不限制本发明。
参照图1，将参考具体实施例描述本发明，而不限制本发明，图1示出了包括转向系统12的车辆10的示例性实施例。在各个实施例中，转向系统12包括耦接至转向轴16的手轮14。在一个示例性实施例中，转向系统12是电动助力转向(EPS)系统，其还包括转向辅助单元18，该转向辅助单元18耦接至转向系统12的转向轴16和车辆10的连接杆20、22。转向辅助单元18包括例如齿条齿轮转向机构(未示出)，其可通过转向轴16耦接到转向致动器马达和齿轮装置(以下称为转向致动器)。在操作过程中，当车辆操作者转动手轮14时，转向辅助单元18的马达将提供辅助，以移动连接杆20、22，连接杆20、22进而移动转向节24、26，转向节24、26分别耦合到车辆10的相应车轮28、30。尽管在图1中示出并在本文中描述了EPS系统，但是应当理解，本公开的转向系统12可以包括各种受控转向系统，包括但不限于具有液压构造和线控转向构造的转向系统。
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的可观察状况的各种传感器31-33。传感器31-33基于可观察状况生成传感器信号。在各种实施例中，传感器31-33包括例如马达位置传感器。在一个实施例中，马达位置传感器是模拟位置传感器，其生成表示马达轴角的正弦和余弦的信号。马达位置传感器将信号发送给控制器40。
在各种实施例中，控制器40基于一个或多个传感器信号并且还基于误差检测系统和本公开方法来控制转向系统12和/或车辆10的操作。
控制器可以包括处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的任意组合。控制器可以包括易失性和非易失性存储器，其是可操作用于存储来自处理器和其它处理机制的机器指令，以根据需要接收、计算和控制装置。机器指令可以以任何语言或表示形式存储，包括但不限于机器代码、汇编指令、C、C++、C#、PASCAL、COBAL、PYTHON、JAVA和RUBY。应当理解，对于来自控制器的任何通信，可以是任何类型的有线或无线配置。可以使用诸如紫蜂(ZIGBEE)、无线保真(WI-FI)、蓝牙或其它任何实现方式的无线协议。可以通过本发明递交时已知或未知的任何协议或媒介来实现通信。
控制器40可包括在存储器中或在存储器中操作的控制器程序产品，该控制器程序产品作为本文所述的教导的实现而分发。控制器40的控制器程序产品可以是可操作用于基于控制系统输入和操作者动作来执行本文所述的特定步骤和动作。例如，操作者在手轮14上的动作可以改变或更改计算机程序产品操作电机18以及相关联的致动器和机构的方式。即，本文的教导改进了转向系统、线控转向和电动助力转向系统的操作。本文的教导还通过提高操作效率和实现提供所描述的操作的方法来改善控制器40的操作。
参照图2，控制器40包括用于驱动逆变器112的开关114以操作电机102的方法。电机102包括缠绕有一相或多相110的定子104。定子104围绕转子106。转子106包括布置在其中的永磁体。应当理解，可以使用任何数量的相、磁体及其配置。电机102可以驱动小齿轮和齿条组件(未示出)。逆变器112可以与直流母线117相关联，该直流母线117包括DC侧电容(link capacitor)116和被配置为驱动直流母线117上的直流电流119的电压源118或电池118。直流母线117可以仅与电池118相关联并从任何数量的源接收能量。例如，直流母线117可以由DC-DC转换器或交流发电机或再生母线提供。无论如何，直流母线117由直流电流(IS)119驱动。控制器40可以包括PWM控制器150的脉冲宽度调制(PWM)输出，以驱动操作开关114的栅极的栅极驱动器。开关114形成向电机102提供独立的相电110的对或相臂。
PWM控制器200的PWM输出受来自电流控制器148和占空比生成器150的相电压请求的控制。电流控制器148经由电流测量块148和位置测量146从位置传感器32和反馈导管122接收来自反馈电流测量结果的估计或测量的直接交轴电流Idq，该反馈电流测量结果来自与电机102相关联的相臂110。电流控制器148的输入来自考虑了直接交轴电流命令144的转换。控制方法124接收电流限制Islim 126和电压限制VDC 128。Islim 126和VDC 128可以与直流母线117相关联。也就是说，直流母线117或其它相关联的组件可以对可用的电流和电压施加限制。例如，根据车辆的运行模式，可以将动态或任意电流限制Islim 126发送到控制器40以限制直流母线117上的电流。如果车辆处于远距离或低功率模式，则可以根据最大操作参数动态地调整Islim 126。给定这样的限制，Islim 126和VDC 128分别具有相应的转矩限制曲线130和132。如下面的(1)-(5)所示的公式或方程所示，给出了直接-正交(dq)参考坐标系中的电压和电流。
Vd＝RId+ωeLqIq (1)
其中，ωe是电机102的电气速度，Lq是电机102的q轴电感，R是电机102的电阻。
Vq＝RIq+Keωm-ωeLdId (2)
其中，Ke是电机102的反电动势常数，ωm是电机102的机械速度，Ld是电机102的d轴电感。
其中，方程(3)是转矩方程，Te是电机102的转矩，Np是电机102的极数。
其中，方程(4)是与电机102相关联的源电压限制约束，方程(5)是与电机102相关联的源功率方程，RDC是DC侧电容116和逆变器的输入之间的母线的电阻。
这些方程的处理提供了相应的电流和电压转矩限制曲线130、132。即，给定源电流限制Islim 126，确定使用方程(5)中的源功率表达式的转矩限制曲线。利用方程(1)和(2)的等效量替换方程(5)中相应的直轴电压Vd和交轴电压Vq以形成方程(6)。
在方程(6)中将Id设置为零得出关于Iq的二次方程。求解Iq得出的根等于与电流限制(Islim)126相关联的正峰值和负峰值源电流转矩限制(Teipk)131。即，转矩限制Teipk是与源电流限制126相对应的源电流转矩限制131。
类似地，VDC 128具有基于电压限制方程(4)的转矩限制曲线。以方程(1)和(2)的等效量替换方程(4)中相应的直轴电压Vd和交轴电压Vq以形成方程(7)。
然后，在峰值转矩仲裁块134中对从源电流限制转矩曲线130和电压限制转矩曲线132导出的最大转矩进行仲裁。仲裁器134提供落入Islim要求和可用电压VDC内的Idq。
参照图3，示出了转矩仲裁器134，用于确定是否使用与方程(4)、方程(5)、其组合相关联的确定的Teipk或等于零的需求转矩。在框152中，通过将交轴电流分量Iq设置为零来求解方程(4)以获得Id，如方程(8)所示，
在只有Id未知的情况下，可以求解得到的二次方程以确定Id。如此，直轴电流分量根Id1 156等于方程的数值较小的根。类似地，通过将交轴电流分量Iq设置为零来求解方程(5)以获得Id，如方程(9)所示。
同样，方程(6)是二次方程，在给定的Islim 126和VDC 128的情况下可以求解方程(6)以获得Id，结果获得等于方程(9)的数值较大的根的直轴分量根Id2 158。
然后，在框160、162、164、166中，仲裁算法134基于电流限制Islim 126和电压限制VDC 128来计算Iq的可接受值。即，在框160中，IqV1被确定为方程(4)在Id1作用下的正根，在框162中，IqS1被确定为方程(5)在Id1作用下的正根。类似地，在框164中，IqV2被确定为方程(4)在Id2作用下的正根，在框166中，IqS2被确定为方程(5)在Id2作用下的正根。如果转矩命令136为正，则将采用正根，而如果转矩命令为负，则将采用负根。
在框176中对得到的值进行仲裁，其中，如果IqS1<IqV1并且IqS2<IqV2，则源电流限制126限制仲裁块134的转矩限制188。如此，转矩限制188由来自框130的由方程(5)-(6)如上确定的源电流转矩限制131限定，使得受方程(6)的约束的基于方程(3)的最大转矩是与电流限制Islim 126相关联的峰值转矩限制Teipk 188。
方程(6)限定了针对给定Islim的dq电流参考坐标系中的曲线。该椭圆上的每个点对应于基于方程(3)的转矩值。所有转矩点中的最大值被限定为与电流限制Islim 126相关联的峰值转矩限制Teipk 131。
此外，如果IqV1<IqS1且IqV2<IqS2，则源电压限制128限制仲裁块134的转矩限制188。如此，转矩限制188由来自框132的在如上方程(7)中确定的源电压转矩限制133限定，使得受方程(7)的约束限制的基于方程(3)的最大转矩是与电压限制VDC128相关联的峰值转矩限制Tevpk188。
公式(7)限定了dq电流参考坐标系中的曲线。该椭圆上的每个点都对应于基于方程(3)的转矩值。所有转矩点中的最大值被限定为与VDC 128相关联的峰值源电压转矩限制Tevpk 133。
此外，如果IqV1<IqS1且IqS2<IqV2，则根据马达102操作的该分半，源电压限制128和源电流限制126限制仲裁块134的转矩限制188。如此，当从Id1到Id2的Id扫描作用于方程(4)-(5)时，转矩限制188由方程(4)-(5)的交集限定。即，当针对相同的Id值，方程(4)的根等于方程(5)的根时，转矩限制188等于那些根。Id值的范围从Id1到Id2。如此，当IqV1<IqS1且IqS2<IqV2时，根据曲线的交点，源电流转矩限制131等于源电压转矩限制133。
最后，如果Id1>Id2，则转矩限制188为零，并且电机102将以零转矩运行。
在框138中，通过将从控制方法的其余部分请求的转矩限制为转矩限制188和转矩需求136中的较小者，控制器40算法继续。即，控制器40将输出与转矩需求136相关联的转矩，除非转矩峰值限制188小于转矩需求136。实际上，逆变器112将生成与转矩需求136相对应且依据转矩限制188的交流电流110，该转矩限制188由与源电流限制126相对应的源电流转矩限制131限定。
再次参考图2，来自框138的转矩请求是最大转矩电流比块140的输入，最大转矩电流比块140用于提供转矩输出，该转矩输出可以通过框142的最小量电流生成，框142是本领域已知的最大转矩电压比。如此，控制方法124将电流命令输出到电流控制块148，电流控制块148向占空比生成器块150提供输入。
参照图4，示出了仲裁块134的曲线图300。曲线图300包括基于第一电流限制的交轴电流根IqS1 306、基于第一电压限制的交轴电流根IqV1 302、基于第二电流限制的交轴电流根IqS2 308和基于第二电压限制的交轴电流根IqV2 304。因此，在曲线图310中示出了IqS1<IqV1和IqS2<IqV2，其中，基于相应的Id1和Id2的值来计算相应的Iq值中的每一个。
曲线图320描绘了IqV1 302<IqS1 306和IqV2 304<IqS2 308，其中，基于相应的Id1和Id2值来计算相应的Iq值中的每一个。
曲线图330描绘了IqV1 302<IqS1 306和IqS2 308<IqV2 304，其中，基于相应的Id1和Id2值来计算相应的Iq值中的每一个。
曲线图340描绘了Id1>Id2，其中，IqV1,IqS1,IqS2,IqV2的关系未被限定，并且转矩命令块138的输出为零。应当理解，命名和变量分配可以互换或被布置为改变算法输出功能。本文列出的方程的命名约定、语法表示和其它布置不旨在进行限制。
本文所述的实施例可以是诸如电动助力转向(EPS)、驾驶员辅助系统和/或车辆控制系统(例如，自主或半自主转向系统)等转向系统的一部分。要注意的是，本文描述的实施例可以与利用电动马达的任何装置或系统结合使用。
尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。而是，可以对本发明进行修改以结合迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化，变更，替代或等效布置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为由前述描述限制。