CN107437909A - Dc电机的电流容量限制 - Google Patents

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Abstract

控制***的实施例包括：电流指令模块，配置为接收转矩指令并且输出用于控制直流(DC)马达的电流指令；以及电流容量限制模块，配置为接收电流指令和指示最大马达电流的电流限制，基于电流限制来限制电流指令，并且基于容量限制值进一步主动地限制电流指令。

Description

DC电机的电流容量限制
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2016年5月25日提交的序列号为62/341,407的美国临 时专利申请的优先权，其通过引用的方式整体并入此处。
技术领域
本发明涉及用于控制或管理DC电机的方法和***，更具体地，涉及用 于限制DC电机的电流容量(capability)的方法和***。
背景技术
电动助力转向(Electrical power steering，EPS)***使用电动马达作为 致动器，以在驾驶员驾驶车辆时提供对驾驶员的帮助和/或提供车辆控制。有 刷DC电机广泛应用于电动转向(EPS)行业，用于低成本应用和平台。使 用这种机器的电力驱动***需要更少的传感器和低成本的电子电路，并且能 够通过整个操作空间实现良好的性能。
有刷DC电机具有经由电刷和滑环连接到绕组的机械换向器。当电流流 过绕组时，会造成与电流和位置相关的电压降，通常称为电刷电压降，其本 质上是高度非线性的。由于出于低成本应用的电机的尺寸，电机的运行常常 接近其容量限制。在马达控制操作期间，操作条件可能有很大的差异，如果 转矩和电流指令没有受到精确限制，则电机总是会引起致动器饱和(即，指 令电压超过母线电压限制)，使得次优指令跟踪、转矩波动和可听噪声这方面 性能不良。
发明内容
控制***的实施例包括：电流指令模块，配置为接收转矩指令并且输出 用于控制直流(DC)马达的电流指令；以及电流容量限制模块，配置为接收 电流指令和指示最大马达电流的电流限制，基于电流限制来对电流指令进行 限制，并且基于容量限制值进一步主动地限制电流指令。
一种直流(DC)马达的控制方法的实施例包括：接收转矩指令并且通过 电流指令模块产生电流指令；在电流容量限制模块处接收电流指令和电流限 制，该电流限制指示最大电流。该方法还包括基于电流限制来对电流指令进 行限制；以及基于容量限制值进一步主动地限制电流指令。
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
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并明确地要求保护被认为是本发 明的主题。根据结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其它特征以及优 点是清楚的，在附图中：
图1是示出根据本发明的实施例的包括转向控制和/或辅助***的车辆的 功能方框图；
图2是示出根据本发明的另一个实施例的DC马达控制***的部件、模 块以及功能的示意图；
图3示出可由图2的马达控制***执行的电流容量限制方法的各个方面；
图4示出可由图2的马达控制***执行的电流容量限制方法的各个方面； 以及
图5示出根据本文描述的实施例的基于DC马达电流控制的模拟结果的 示例。
具体实施方式
以下描述实际上仅是示例性的，并不意图限制本发明、应用或多种用途。 应当理解，整个附图中相应的附图标记表示类似或对应的组件和特征。
现在参照图1，其中参考具体实施例来描述本发明，而不对本发明进行 限制，示出了包括诸如电子动力转向(EPS)和/或驾驶员辅助***等转向系 统12的车辆10的实施例。在各种实施例中，转向***12包括耦接到转向轴 16的方向盘14。在示出的实施例中，转向***12是电子动力转向(EPS) ***，该电子动力转向(EPS)***还包括耦接到转向***12的转向轴16 以及车辆10的连结杆20、22的转向辅助单元18。转向辅助单元18包括例 如转向致动器马达19(例如，电动马达)以及能够经由转向轴16耦接到转 向致动器马达和传动装置的齿条和齿轮转向机构(未示出)。在操作期间，随 着方向盘14由车辆操作员转动，转向辅助单元18的马达提供辅助来移动连 结杆20、22，连结杆20、22转而分别移动分别耦接到车辆10的道路车轮28、 30的转向节24、26。
致动器马达19是直流(DC)电机或马达。在一个实施例中，马达19是 有刷DC马达。有刷DC马达包括定子和转子。定子包括电刷壳体，电刷壳 体具有围绕换向器布置的周向间隔开的多个电刷，每个电刷具有与换向器电 接触的接触面。虽然本文描述的实施例应用于永磁体有刷DC马达，但是它 们不限于此，而是可以应用于任何合适的DC电机。
如图1所示，车辆10还包括检测和测量转向***12和/或车辆10的可 观测条件的各种传感器。这些传感器基于该可观测条件产生传感器信号。在 所示的示例中，传感器31和32是分别感测车轮28和30的转速的车轮速度 传感器。传感器31、32基于该转速产生车轮速度信号。在其他示例中，除了 传感器31和32之外或作为传感器31和32的替代，可以设置其它车轮速度 传感器。其它车轮速度传感器能够感测后车轮34、36的转速并基于该转速产生传感器信号。应当理解，可以使用感测车轮运动的其他车轮传感器(诸如 车轮位置传感器)来代替车轮速度传感器。在这种情况下，可以基于车轮传 感器信号来计算车轮速率和/或车辆速率或速度。在另一个示例中，传感器 33是感测施加在方向盘14上的转矩的转矩传感器。传感器33基于转矩产生 转矩信号。其他传感器包括用于检测转向致动器马达或与转向辅助单元18 相关联的其它马达的位置(马达位置)和转速(马达速率或马达速度)的传感器。
控制模块40基于一个或多个传感器信号并且还基于本发明的转向控制 ***和方法来控制转向***12的操作。控制模块能够用作EPS***的一部 分来提供转向辅助转矩和/或能够用作可以控制车辆的转向的驾驶员辅助系 统(例如，用于停车辅助、紧急转向控制和/或自主或半自主转向控制)。
本文描述的实施例的各个方面可以通过任何合适的控制***和/或处理 设备(诸如马达辅助单元18和/或控制模块40)来执行。在一个实施例中， 控制模块40是自主驾驶***或者作为一部分包括在自主驾驶***中。
诸如控制模块40等处理或控制设备配置为根据控制方法来控制诸如有 刷DC马达等DC马达(例如，马达19)。控制方法的各个方面包括执行基 于诸如***10等控制***的DC马达和/或其它部件的操作条件来主动限制 马达电流的算法。该方法包括使用估计参数确定表示马达的电流限制的容量 限制值(例如，容量曲线)。容量限制值和/或容量曲线可以与外部施加的电 流限制一起使用，以适当地限制指令电流。可以例如在DC马达和/或控制系 统的操作期间在线执行容量限制值的确定。将马达产生的电流限制到本文描 述的马达容量降低了致动器饱和，因此，实现最佳指令跟踪以及降低转矩波 动和可听噪声。另外，该算法计算简单，并且不会为处理设备或其部件(例 如，数字信号处理器(DSP))带来明显负担。
现在参照图2，数据流图示出了用于控制诸如有刷DC马达等DC马达的 控制设备或***50的示例性实施例。在一个实施例中，控制***50是或包 括EPS控制***，诸如图1的控制模块40。在各种实施例中，该控制设备或 ***(例如，模块40)可以包括一个或多个子模块和数据存储器。本文使用 的词语模块和子模块是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路 (ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组)和存储器、组合逻 辑电路和/或提供所描述的功能的其它合适的部件。控制模块40的输入可以 从诸如车辆10(图1)的传感器31、32、33(图1)等传感器生成，可以以 车辆10(图1)内的其他控制模块(未示出)接收，可以进行建模，和/或可 以进行预先定义。
在图2的示例中，控制***50包括各种模块或子模块，例如，电流指令 模块52，电流指令模块52接收转矩指令(Tc)并将电流指令(ir*)输出到 用于控制有刷DC马达54的电流调节器60。电流指令模块52包括将包络转 矩指令(Tenv)输出到电流指令计算模块58的转矩包络限制模块56。电流指 令发送到电流调节器60，电流调节器60基于电流指令将电压施加给DC马 达54。例如，电流调节器使用电流指令产生电压指令(v)，该电压指令(v) 可以经由诸如H-桥等功率转换器转换成发送到DC马达的脉宽调制(PWM) 信号。电流测量模块62测量DC马达54产生的电流，即马达电流(ia)，并 将测量的电流值(im)输出到电流调节器60。
控制***50使用电流指令模块52实现功率限制方案。包络转矩指令(Tenv)用于产生发送到电流调节器60的电流指令。电流调节器60产生电压 指令以施加到DC马达54，从而产生实际电流并因此产生所需的电磁转矩。 在一个实施例中，对于给定马达速率(ωm)、转矩指令Tc和DC母线电压VDC (将DC电流转换为马达电压所使用的DC母线的电压)以及估计的马达参 数，到电流调节器60的电流指令可以使用以下方程来计算：
ir*＝Tc/Ke，
其中Ke是马达电压或转矩常数。
可以基于一些标称操作条件来离线计算转矩包络。然而，当在实时操作 期间这些条件改变时，该电流指令(ir*)可能不能满足电机的电压-电流控制 方程，使得电流调节器60产生超过限制的电压指令，导致不期望的闭合环路 电流控制，因此导致不期望的转矩控制、不期望的性能。
有刷DC电机的控制方程如下所示：
Te＝Keia，
其中Ke是马达电压或转矩常数(单位V/rad/s)，ωm是马达的转速，R是 马达电路的电阻(单位Ohms)，L是马达的电感(单位Henry)。在上述方程 中，电刷电压降(vB)是电流(ia)的非线性函数，并且用数学方程表示如下：
其中V0和I0分别表示电压和电流变量。
图3示出用于执行马达控制方法的马达电流控制算法的实施例的各个方 面以及可用于实现该算法的处理设备或***的各个方面。该处理设备或*** 可以并入或连接到马达控制***。例如，马达控制方法由作为***50的一部 分或连接到***50的电流容量限制器或电流容量限制模块64来执行。
在马达控制方法中，电流容量限制模块64接收外部马达电流限制(ilim) 以及其它信号，并且基于电流限制(ilim)限制包络转矩指令。电流限制模块 64可以连接到或包括将包络电流指令进一步限制到DC马达54的容量限制 的功能。
图4示出电源电流限制模块64的一个实施例。在本实施例中，电流容量 限制模块64从电流指令计算模块58接收电流指令(ir*)并接收外部提供的 限制(ilim)，并且首先将电流限制为方框66所示的第一限制电流值(irext)(例 如，通过作为电流容量限制模块64的一部分或连接到电流容量限制模块64 的电流限制模块)。电流指令可以首先限制为外部提供的限制，其在一些情况 下可以是基于以下逻辑的校准：
限制电流值(irext)然后与马达容量限制值进行比较，并且进一步进行限 制，如方框68所示，以确保控制***基于电机的操作条件确定最佳电流指令。 要注意，稳态电压-电流方程用于容量计算。在一个实施例中，容量限制值包 括最大容量限制值和/或最小容量限制值。容量限制值可以作为表示容量限制 值与马达速度的函数的一个或多个容量曲线来计算。
在一个实施例中，马达具有两个容量曲线，这里称为最大曲线和最小曲 线，分别对应于VDC的正值和负值。可以通过求解满足以下两个方程的电流 来获得最大曲线和最小曲线。
其中icp和icn分别表示正电流值和负电流值。在一个实施例中，由于两 个方程实际上是非线性的，因而使用迭代求解器求解上述方程。例如，二分 法可以用来查找上述方程的根。
在一个实施例中，可以通过使用以下方程来确定存在有根的初始端点 (imin)和(imax)：
其中Vlim和ωmlim分别是VDC和ωm的最大绝对(正)值，k是为了确保收 敛而适当选择的、使端点大于基值的比例因子。要注意，取代上述值，也可 以实现确定初始端点的其它方式。
图5示出使用上述实施例的模拟结果的示例，其示出了马达电流曲线(外 部提供的限制和容量曲线两者的组合)，原始电流指令受到该马达电流曲线的 限制。
在本示例中，如上所述，控制***中的处理设备(诸如电流容量限制模 块64)计算马达容量限制作为电流值(icp)和(icn)。基于该计算的模拟结 果作为待应用于电流指令的马达电流容量限制曲线70和72示出，马达电流 容量限制曲线70和72分别限定最大马达容量值和最小马达容量值。曲线70 和72也受到其它曲线74和76的限制，曲线74和76分别表示外部提供的上 限电流限制和下限电流限制。
虽然仅结合了有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理 解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以修改为包含的任何 数量的变化、改变、替换或迄今为止尚未描述的等同布置，但是它们与本发 明的精神和范围相称。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应 当理解，本发明的各个方面可以只包括描述的实施例中的一些实施例。因此， 本发明不应视为受到前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种控制***，包括：
电流指令模块，配置为接收转矩指令并且输出用于控制直流DC马达的电流指令；以及
电流容量限制模块，配置为接收所述电流指令和指示最大马达电流的电流限制，基于所述电流限制对所述电流指令进行限制，并且基于容量限制值进一步主动地限制所述电流指令。
2.根据权利要求1所述的***，还包括：
电流调节器，配置为基于被限制后的电流指令将电压施加给所述DC马达。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述容量限制值包括将所述容量限制值指定为马达速度的函数的马达容量限制曲线。
4.根据权利要求3所述的***，其中所述容量限制值包括最大马达容量限制曲线和最小马达容量限制曲线。
5.根据权利要求1所述的***，其中基于DC母线电压来计算所述容量限制值。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述容量限制值包括基于所述DC母线电压的正值的最大马达电流值(icp)以及基于所述DC母线电压的负值的最小马达电流值(icn)。
7.根据权利要求6所述的***，其中通过求解以下表示的函数f(icp)来计算最大电流值(icp)：
<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow>
其中R是所述马达的电阻，Ke是马达电压或转矩常数，ωm是所述DC马达的转速，V0是电刷电压降，I0是马达电流，以及VDC是DC母线电压。
8.根据权利要求6所述的***，其中通过求解以下表示的函数f(icn)来计算最小电流值(icn)：
<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow>
其中R是所述马达的电阻，Ke是马达电压或转矩常数，ωm是所述DC马达的转速，V0是电刷电压降，I0是马达电流，以及VDC是DC母线电压。
9.根据权利要求1所述的***，其中所述DC马达是有刷DC马达。
10.根据权利要求1所述的***，其中所述电流容量限制模块连接到车辆的电子动力转向***或是所述车辆的所述电子动力转向***的一部分。
11.一种直流DC马达的控制方法，包括：
接收转矩指令并且通过电流指令模块产生电流指令；
在电流容量限制模块处接收所述电流指令和电流限制，所述电流限制指示最大电流；
基于所述电流限制来对所述电流指令进行限制；以及
基于容量限制值进一步主动地限制所述电流指令。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于被限制后的电流指令将电压施加给所述DC马达。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述容量限制值包括将所述容量限制值指定为马达速度的函数的马达容量限制曲线。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述容量限制值包括最大马达容量限制曲线和最小马达容量限制曲线。
15.根据权利要求11所述的方法，其中基于DC母线电压来计算所述容量限制值。
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