專利名稱：用于電壓模式電動(dòng)機(jī)控制器的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)控制器，更特別的是涉及減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
汽車是通過(guò)齒輪和連桿的系統(tǒng)來(lái)操縱方向的，所述齒輪和連桿的系統(tǒng)將方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)傳送到前輪。由于汽車設(shè)計(jì)將重量轉(zhuǎn)移到前輪來(lái)改善行駛平順性和車輛操作，因此需要更多的動(dòng)力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)前輪、并提供足夠的扭矩來(lái)克服在前輪和道路之間存在的摩擦。
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成能減少轉(zhuǎn)向力和改善可操縱性。某些車輛使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓傳動(dòng)裝置來(lái)放大由方向盤施加到前輪的扭矩。機(jī)械驅(qū)動(dòng)的或者電驅(qū)動(dòng)的泵將諸如油之類的液壓用液體保持在壓力下。方向盤的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)閥門，該閥門向動(dòng)力缸提供液體或?qū)⒁后w從動(dòng)力缸排盡，這減少了轉(zhuǎn)動(dòng)車輪所需的轉(zhuǎn)向力。
某些車輛經(jīng)由轉(zhuǎn)向齒輪，將電動(dòng)機(jī)機(jī)械地耦合到轉(zhuǎn)向軸?？梢栽谒俣褥`敏控制器基于車輛速度改變所需扭矩來(lái)操作車輛的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)可變力距輔助級(jí)(assist levels)。這種電壓模式控制器系統(tǒng)通常是通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)電路來(lái)控制的，所述脈寬調(diào)制(PWM)電路驅(qū)動(dòng)門電路和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)。然而，電路元件(即，門和FET)中的非線性在控制器中引起電壓振幅脈動(dòng)，特別是當(dāng)控制器以開環(huán)模式工作的時(shí)候。此外，在PWM調(diào)制指數(shù)的低值處，這些電壓振幅變化產(chǎn)生明顯不可接受的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量。例如，在調(diào)制波型的低振幅值處，PWM脈沖是狹窄的，門驅(qū)動(dòng)或者FET中的任何非線性均將引起相當(dāng)大的誤差量。具體來(lái)講，如果PWM脈沖是全值的1％，而切換頻率是20kHz，則脈沖寬度是500ns。50ns的非線性可能在電動(dòng)機(jī)控制器提供的電壓寬度中產(chǎn)生10％的誤差，而處于全值的10％及以上的PWM脈沖上的50ns的非線性往往在電動(dòng)機(jī)控制器提供的電壓寬度中產(chǎn)生1％或者更少的誤差，而這是非常不顯著的。
迄今為止，唯一的仍然是重要問(wèn)題的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量與一階功率級(jí)非線性(稱作第一旋轉(zhuǎn)頻率分量)有關(guān)。與開關(guān)停滯時(shí)間和相阻不平衡相關(guān)的其他轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量(例如二階或三階的非線性，分別被稱作第二旋轉(zhuǎn)頻率或者第三旋轉(zhuǎn)頻率分量)已經(jīng)被減少到它們不再顯著地引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題的程度。
因此，可取的是提供一種減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的系統(tǒng)和方法，其不一定克服之前的所有問(wèn)題，但是可克服之前的大部分問(wèn)題。


將在所附權(quán)利要求書中詳細(xì)闡述本發(fā)明的被認(rèn)為是新穎的特征?？梢酝ㄟ^(guò)以下結(jié)合附圖作出的說(shuō)明，來(lái)更好地理解本發(fā)明及其進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)，在所述多個(gè)附圖中，相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)出相同的元件，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)控制器的方框圖；圖2示出用于在圖1中的電動(dòng)機(jī)控制器中產(chǎn)生相位調(diào)制的理想正弦波的圖形表示；圖3示出圖2中的理想相接地波的圖形表示；圖4示出顯示出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的相接地波的圖形表示；圖5圖示出在由圖6中的過(guò)程模擬的開式回路狀態(tài)期間所測(cè)量得到的相電壓；以及圖6示出斷路和短路狀態(tài)的流程圖模擬。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種用于減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的系統(tǒng)和方法。具體來(lái)講，本發(fā)明解決一階的第一旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量，并且特別適于低振幅時(shí)的電壓模式控制器的開環(huán)工作，在這種情況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)誤差是最顯著的。盡管此處呈現(xiàn)的范例針對(duì)的是電力轉(zhuǎn)向輔助控制器，然而應(yīng)理解的是，本發(fā)明適用于任何多相電動(dòng)機(jī)控制器。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)控制器。在實(shí)踐中，該電動(dòng)機(jī)控制器被用于控制三相電動(dòng)機(jī)17，該三相電動(dòng)機(jī)17輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)21。電動(dòng)機(jī)控制器包括增益補(bǔ)償10，輸入調(diào)制器12，相接地16，PWM發(fā)生器18，門驅(qū)動(dòng)器20，通常由場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)22組成的反相器，電壓檢測(cè)器24，處理器26和存儲(chǔ)器28?？蛇x的是，可以納入相位超前14，來(lái)補(bǔ)償作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)的信號(hào)延遲。
電壓檢測(cè)器電路24在電動(dòng)機(jī)控制器的每一相處，向電動(dòng)機(jī)17的輸出電壓。盡管可以通過(guò)許多應(yīng)用來(lái)測(cè)量三相電壓的振幅和相位，但優(yōu)選的是使用反饋一個(gè)或多個(gè)電壓、電流、速度或者轉(zhuǎn)矩測(cè)量結(jié)果的閉環(huán)系統(tǒng)。因此，在某些數(shù)字的示例性實(shí)施例中，可以從電壓檢測(cè)器24獲得三個(gè)表示瞬間調(diào)制信號(hào)的數(shù)字值。在示出的范例中使用了三相A，B，C。然而，可以在本發(fā)明中使用任意多個(gè)相。電壓檢測(cè)器電路24可以是獨(dú)立的電路，或者可以被并入到其他電路之一中，比如處理器26。例如，電壓檢測(cè)器24可以與電動(dòng)機(jī)控制器的其他點(diǎn)連接。電壓檢測(cè)器24與處理器26耦接。電壓檢測(cè)器24或者處理器26中任一個(gè)均可被用于比較電動(dòng)機(jī)控制器的不同相的輸出電壓，以便確定彼此之間的任何不匹配。
處理器26計(jì)算增益校正，以便校正電動(dòng)機(jī)控制器的輸出處的相位失配，下文中將詳細(xì)說(shuō)明。在本范例中，計(jì)算了三個(gè)增益校正(GaddA，GaddB，GaddC)，并將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器28中，或者存儲(chǔ)在應(yīng)用該增益校正的處理器26或增益補(bǔ)償級(jí)10的寄存器中。優(yōu)選的是，增益補(bǔ)償級(jí)10被并入到處理器26中。在工作中，增益補(bǔ)償級(jí)10輸入原始的增益GorigA、GorigB、GorigC(即，被外部確定以便提供從電動(dòng)機(jī)控制器到電力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的所需扭矩輔助的增益)，并與增益校正系數(shù)GaddA、GaddB、GaddC相加。隨后將補(bǔ)償后的增益應(yīng)用到輸入調(diào)制12。增益級(jí)10包括寄存器，該寄存器可以依據(jù)來(lái)自電壓檢測(cè)器24的調(diào)制信號(hào)的振幅和相位角的變化，而被周期性地重新加載。換言之，隨著增益或者增益補(bǔ)償發(fā)生變化，該寄存器可以被更新。優(yōu)選的是，更新被實(shí)時(shí)地進(jìn)行。盡管每一相的補(bǔ)償增益可以是一常數(shù)，但往往優(yōu)選的是作為相位角的函數(shù)、實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)每一相的增益校正，下文將詳細(xì)說(shuō)明。
輸入調(diào)制器12為電動(dòng)機(jī)控制器的每一相提供正弦曲線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每一正弦曲線相對(duì)于360對(duì)稱地分布。對(duì)于所示出的三相范例，每一相被分隔開120(被顯示為用于三相系的sin(θ)，sin(θ+120)，sin(θ-120))。優(yōu)選的是通過(guò)將每一相位角的正弦(sine)與各自的每一相的補(bǔ)償增益相乘，來(lái)計(jì)算每一相的調(diào)制信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字正弦曲線模板被以查找表15的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器28中或者其他寄存器中，不過(guò)也可以根據(jù)需要計(jì)算這些值。這些模板被應(yīng)用到輸入調(diào)制器12中，并且與補(bǔ)償增益相乘，以提供具有適當(dāng)振幅的校正后的正弦曲線驅(qū)動(dòng)信號(hào)。相接地16被應(yīng)用于正弦信號(hào)，以便減少由反相電路22執(zhí)行的切換量。在實(shí)踐中，處理器26通過(guò)將每一工作相位中的最負(fù)相電壓標(biāo)準(zhǔn)化到負(fù)電源軌，來(lái)提供相接地。下文中將詳細(xì)描述與增益補(bǔ)償有關(guān)的相接地。
處理器26通過(guò)對(duì)來(lái)自PWM發(fā)生器18的PWM信號(hào)進(jìn)行編程，來(lái)建立反相器22的六個(gè)FET功率開關(guān)的切換序列。切換序列建立了電動(dòng)機(jī)控制器的輸出的期望頻率和振幅。PWM發(fā)生器18產(chǎn)生六個(gè)脈沖串(每一相有兩個(gè)互補(bǔ)的脈沖串)，送往門驅(qū)動(dòng)20。然后，門驅(qū)動(dòng)20為每一電力開關(guān)提供六個(gè)數(shù)字脈沖鏈(即三個(gè)互補(bǔ)的數(shù)字波形對(duì))。PWM發(fā)生器18包括專用時(shí)間塊，來(lái)保持門驅(qū)動(dòng)20的調(diào)制頻率、以及反相器22的上、下FET電力開關(guān)之間的定時(shí)間隔。專用的寄存器由于諸如永久磁鐵同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)之類的電動(dòng)機(jī)的電感特質(zhì)，電動(dòng)機(jī)相電流與施加于該相的電壓之間的相位滯后將隨著電動(dòng)機(jī)的速度而變化。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，電動(dòng)機(jī)相電流落后于所施加的相電壓的量不斷增加。然而，如果要產(chǎn)生期望的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)相電流與轉(zhuǎn)角的關(guān)系必須得到保持。因此，相位超前14使用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速19作為反饋信號(hào)，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)在查找表15之前被添加給電動(dòng)機(jī)位置信號(hào)的超前角，來(lái)補(bǔ)償與速度相關(guān)的延遲?？梢越?jīng)由電動(dòng)機(jī)軸光電編碼器或者分相器(resolver)，來(lái)直接地測(cè)量電動(dòng)機(jī)位置和速度反饋19，正如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的。還可以使用獨(dú)立的速度反饋設(shè)備例如速度計(jì)來(lái)確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。替代地，也可以使用實(shí)時(shí)模型估計(jì)來(lái)自于受測(cè)電動(dòng)機(jī)電壓和/或電流(即電動(dòng)力或者磁動(dòng)力)的軸角速度，來(lái)估計(jì)電動(dòng)機(jī)位置和速度19，這也是現(xiàn)有技術(shù)中所公知的。
通常，電動(dòng)機(jī)控制器的輸出是使用開環(huán)過(guò)程導(dǎo)出的，該開環(huán)過(guò)程不對(duì)非平衡輸出電壓或者電流進(jìn)行校正。本發(fā)明通過(guò)在開環(huán)模式期間對(duì)電動(dòng)機(jī)控制器的電壓輸出進(jìn)行平衡來(lái)解決了這一問(wèn)題。當(dāng)然，閉環(huán)系統(tǒng)被用于其他示例性實(shí)施例，其中測(cè)量或者估計(jì)流入每一相的電流，并且在必要時(shí)通過(guò)修改外加電壓來(lái)平衡流入每一相的電流，從而保持平衡電流。也可以在電壓環(huán)路周圍采用閉環(huán)來(lái)確保外加電壓中的失衡得到校正。因此，在開環(huán)模式中，針對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電動(dòng)機(jī)控制器的輸出的振幅和頻率受到電壓檢測(cè)器24和處理器26的監(jiān)控和測(cè)量。
圖2示出以一系列數(shù)字級(jí)的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器28中的表中的理想正弦波。顯示了三個(gè)波形，正弦波A 30(即sin(θ))，正弦波B 32(即sin(θ+120))，和正弦波C 34(即sin(θ-120))。作為基準(zhǔn)，正弦波A具有零度相位處的零點(diǎn)交叉。這些正弦波乘以來(lái)自扭矩輔助算法的電壓振幅增益和來(lái)自處理器的針對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的補(bǔ)償增益。該整體振幅對(duì)應(yīng)于操縱輔助系統(tǒng)方向所需的扭矩輔助量。
進(jìn)一步通過(guò)稱作相接地的公知技術(shù)來(lái)處理可變振幅的正弦波，以便減少切換損耗，如圖3中所示的理想情形。該技術(shù)基于這樣的事實(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)于相間的差動(dòng)電壓、而不是對(duì)于絕對(duì)電壓作出響應(yīng)。因此，在每一瞬間，從每一相中減去相同的電壓，直到最負(fù)電壓到達(dá)負(fù)軌上為止。每一相最負(fù)為120度，并將成為相接地相。示出了三個(gè)波形，相A 31從-30度到+210度為非零，從+210度到-30度為零，相B 33從+90度到-30度為非零，從-30度到+90度為零，相C 35從+210度到+90度為非零，從+90度到+210度為零。應(yīng)被注意的是，將最負(fù)相減少到負(fù)軌所需的電壓隨著時(shí)間和振幅而變化。因而，必須實(shí)時(shí)地計(jì)算相接地相。這一技術(shù)減少了切換損耗，因?yàn)橄虏康娜齻€(gè)開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)在120度內(nèi)持續(xù)處于開的狀態(tài)。否則，如果不使用本發(fā)明，則這一開關(guān)將以PWM頻率來(lái)進(jìn)行切換。在圖3中所示的范例中，沒(méi)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因?yàn)樗胁ㄐ味急黄胶饬恕?br> 一旦構(gòu)造了相接地的波形，則該過(guò)程的下一步驟將產(chǎn)生PWM脈沖鏈，如上詳述。在調(diào)制正弦曲線的低振幅值處，PWM脈沖是狹窄的，并且門驅(qū)動(dòng)或者FET中的任何非線性均將被加上或減去電動(dòng)機(jī)控制器的輸出電壓的寬度。例如，如果為全值增加脈沖的1％，并且切換頻率是20kHz，則脈沖寬度是500ns。50ns的變化將在電動(dòng)機(jī)電流方面、并繼而在扭矩方面產(chǎn)生10％的變化。該50ns可能是門驅(qū)動(dòng)中的任何兩個(gè)通道之間的門驅(qū)動(dòng)傳播失配(propagation mismatch)的結(jié)果，或者可能是FET參數(shù)變化的結(jié)果。該50ns誤差被添加給每一脈沖，無(wú)論其脈沖寬度如何。
僅僅用正弦曲線的振幅(增益)來(lái)作為校正由功率級(jí)(門驅(qū)動(dòng)和FET)引入到相接地波形中的誤差的補(bǔ)償手段。這一限制將平衡相接地波形的需求復(fù)雜化，這是因?yàn)闊o(wú)法直接訪問(wèn)這些波形。圖4中示出了典型誤差，其中相接地波形之一(相A 31)具有通過(guò)比相B或者C更低的振幅來(lái)示出的偏移量，這引起電動(dòng)機(jī)控制器的對(duì)于相A的電壓振幅減少。測(cè)量輸出電壓確定了哪一相是不正確的以及它們不正確的量。由于電動(dòng)機(jī)控制器通過(guò)提供相之間的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行工作，因此可以將相之一作為基準(zhǔn)(即，標(biāo)準(zhǔn)化到該相)，并且最多僅僅需要對(duì)三相之中的兩相進(jìn)行補(bǔ)償。可以看出，結(jié)果產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)36不僅由于振幅方面的變化而引入驅(qū)動(dòng)誤差，而且由于由低振幅波形所引起的零點(diǎn)交叉偏移而引入誤差。換言之，F(xiàn)ET切換在-30度和+210度處存在不連續(xù)性，在所述位置，零點(diǎn)交叉不是相符的，其中在本范例中，相A被用作基準(zhǔn)波形。
由本發(fā)明提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少技術(shù)有兩個(gè)特征i)校正偏移量所需的增益必須是作為角度的函數(shù)來(lái)變化，以及ii)當(dāng)相關(guān)的相接地波形非零并且需要被校正的時(shí)候，受到影響的相的正弦波穿過(guò)零點(diǎn)。由圖3可以看出，當(dāng)以(圖2中的)原始的正弦波為基準(zhǔn)的時(shí)候，相之一(在本范例中為相A)在+210度至-30度間隔(120度)中是接地的。由于硬件配置，可以僅僅通過(guò)改變相應(yīng)的正弦曲線的振幅，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于相接地波形的振幅改變。在本范例中，由于失配問(wèn)題，相A(圖4中的31)顯示出相接地波形中的負(fù)增益偏移量。為了對(duì)其進(jìn)行校正，第一實(shí)施例中的簡(jiǎn)單解決方案是對(duì)原始的正弦曲線波形添加一常數(shù)，來(lái)將該相接地的波形與剩余相(B和C)的波形相平衡。這一正弦曲線(相A)的增益增加位于-30度至+210度間隔中。一旦確定了附加增益(Gadd)，則如果相應(yīng)的正弦波的角度位于該240度間隔之內(nèi)，則將這一值添加給原始的增益(Gorig)。
盡管增加增益將足以提高相接地波形(相A)的振幅來(lái)匹配剩余相(B和C)的波形，并從而將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)矯平50％以上，但未解決零點(diǎn)交叉問(wèn)題，并且由于零交點(diǎn)不連續(xù)性，仍將存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。換言之，對(duì)于任意A而言，由于A*sin(0)＝0和A*sin(180)＝0，在原始的正弦曲線處于或者接近0或者180度的時(shí)候施加增益均不會(huì)影響該點(diǎn)處的波形。因此，第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化解決方案仍伴隨存在著兩個(gè)問(wèn)題i)無(wú)法通過(guò)在正弦波處于/接近零振幅的時(shí)候改變?cè)鲆鎭?lái)獲得所需的偏移量；ii)因?yàn)檎仪€是按照角度的函數(shù)來(lái)改變振幅的，因此需要可變?cè)鲆?。可以將相之一作為基?zhǔn)(即，標(biāo)準(zhǔn)化到該相)，并且最多僅僅需要對(duì)三相之中的兩相進(jìn)行補(bǔ)償?？梢钥闯?，結(jié)果產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)36不僅由于振幅方面的變化而引入驅(qū)動(dòng)誤差，而且由于由低振幅波形所引起的零點(diǎn)交叉偏移而引入誤差。換言之，F(xiàn)ET切換在-30度和+210度處存在不連續(xù)性，在所述位置，零點(diǎn)交叉不是相符的，其中在本范例中，相A被用作基準(zhǔn)波形。
由本發(fā)明提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少技術(shù)有兩個(gè)特征i)校正偏移量所需的增益必須是作為角度的函數(shù)來(lái)變化，以及ii)當(dāng)相關(guān)的相接地波形非零并且需要被校正的時(shí)候，受到影響的相的正弦波穿過(guò)零點(diǎn)。由圖3可以看出，當(dāng)以(圖2中的)原始的正弦波為基準(zhǔn)的時(shí)候，相之一(在本范例中為相A)在+210度至-30度間隔(120度)中是接地的。由于硬件配置，可以僅僅通過(guò)改變相應(yīng)的正弦曲線的振幅，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于相接地波形的振幅改變。在本范例中，由于失配問(wèn)題，相A(圖4中的31)顯示出相接地波形中的負(fù)增益偏移量。為了對(duì)其進(jìn)行校正，第一實(shí)施例中的簡(jiǎn)單解決方案是對(duì)原始的正弦曲線波形添加一常數(shù)，來(lái)將該相接地的波形與剩余相(B和C)的波形相平衡。這一正弦曲線(相A)的增益增加位于-30度至+210度間隔中。一旦確定了附加增益(Gadd)，則如果相應(yīng)的正弦波的角度位于該240度間隔之內(nèi)，則將這一值添加給原始的增益(Gorig)。
盡管增加增益將足以提高相接地波形(相A)的振幅來(lái)匹配剩余相(B和C)的波形，并從而將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)矯平50％以上，但未解決零點(diǎn)交叉問(wèn)題，并且由于零交點(diǎn)不連續(xù)性，仍將存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。換言之，對(duì)于任意A而言，由于A*sin(0)＝0和A*sin(180)＝0，在原始的正弦曲線處于或者接近0或者180度的時(shí)候施加增益均不會(huì)影響該點(diǎn)處的波形。因此，第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化解決方案仍伴隨存在著兩個(gè)問(wèn)題i)無(wú)法通過(guò)在正弦波處于/接近零振幅的時(shí)候改變?cè)鲆鎭?lái)獲得所需的偏移量；ii)因?yàn)檎仪€是按照角度的函數(shù)來(lái)改變振幅的，因此需要可變?cè)鲆妗?br> 本發(fā)明的一最佳實(shí)施例提供了進(jìn)一步改進(jìn)的補(bǔ)償方法，其同時(shí)減少了這兩個(gè)問(wèn)題，如下所述?；剡^(guò)頭來(lái)參看圖3，待校正的相(在本范例中為相A)被劃分為三個(gè)分立的區(qū)域I)-30度至+30度；II)+30度至+150度；和III)+150度至+210度。為了完整性起見，在相A范圍外還示出了第四范圍IV+210度至-30度，在該處相A是接地的。在以下的范例中，所需的偏移量由DA表示，并且它在需要添加正偏移量的時(shí)候?yàn)檎?原始減修正(original minus modified))。
在區(qū)域I和III中，沒(méi)有像第一實(shí)施例中那樣增加相A。代之以，將相B和C減少了所需要的偏移量。以這種方式，避免了在接近0度和180度處存在的問(wèn)題。在區(qū)域I中，相C被用于產(chǎn)生偏移量，因?yàn)樗皇亲钬?fù)相，并且它接近峰值。這也有助于減少使用定點(diǎn)查找表在接近0度處發(fā)生的舍入問(wèn)題。在區(qū)域III，相B被用于產(chǎn)生偏移量。
在所有區(qū)域中，必須按照角度的函數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)增益，以便維持恒定的偏移量。區(qū)域II的偏移量是單獨(dú)通過(guò)相A的角度來(lái)確定的，其被表示為GaddA。然而，在區(qū)域I和III，偏移量是角度B和C的函數(shù)，分別通過(guò)GaddB和GaddC來(lái)表示。
在區(qū)域I中GaddB＝-ΔA/sin(θA+120)其中，sin(qA+120)是正，因此GaddB必須具有與GaddA不同的符號(hào)，并且GaddC＝-ΔA/sin(θA+120)在區(qū)域II中GaddA＝ΔA/sinθA
在區(qū)域III中GaddB＝-ΔA/sin(θA-120)GaddC＝-ΔA/sin(θA-120)表I概括了在待校正的相接地波形的不同區(qū)域中應(yīng)用的總增益加增益補(bǔ)償。
表1增益補(bǔ)償

參考圖5，圖2中的波形依照表I的最佳實(shí)施例得到了校正。特別關(guān)注的是區(qū)域I和III，其中相B的正弦波42和相C的正弦波44被降低，對(duì)相A中在相接地之后在0或者180度附近的任何零交點(diǎn)不連續(xù)性進(jìn)行補(bǔ)償。這減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)中的二階影響。在區(qū)域II中，相A可以由其自己來(lái)補(bǔ)償。區(qū)域IV是不重要的情況，相A將在該處接地。此外，在所有區(qū)域中，按照角度的函數(shù)來(lái)施加增益，從而進(jìn)一步減少一階轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。因而，現(xiàn)在電壓得到了平衡，并且結(jié)果的相接地波形如圖3中的波形那樣。
參看圖6，本發(fā)明還包括一種用于減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。該方法包括測(cè)量電動(dòng)機(jī)控制器的每一相的輸出電壓的第一步驟60。下一步驟61包括確定電動(dòng)機(jī)控制器的相之間的電壓失配。下一步驟62包括將電動(dòng)機(jī)控制器的一相進(jìn)行相接地。在實(shí)踐中，相接地步驟62包括將每一工作相位中的最負(fù)相電壓標(biāo)準(zhǔn)化到負(fù)電源軌。下一步驟63包括計(jì)算相的補(bǔ)償增益以便補(bǔ)償電壓失配。下一步驟64包括在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)相的補(bǔ)償增益。下一步驟65包括構(gòu)造PWM脈沖鏈來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)和控制器被首先連接在一起的時(shí)候，可以在裝配線的末尾來(lái)執(zhí)行步驟60和61?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)試設(shè)備和寫入存儲(chǔ)器28的校正系數(shù)來(lái)獲取相接地的電壓測(cè)量結(jié)果。在一最佳實(shí)施例中，在圖4中的交叉點(diǎn)處，即在對(duì)于總共六個(gè)讀出的-90度(33和35)、30度(31和35)和150度(31和33)處，獲取兩個(gè)電壓測(cè)量結(jié)果。為每一波形31、33和35單獨(dú)地確定平均值，并且還確定總平均值。總平均值與每一獨(dú)立的平均值相比較，以確定哪一波形最接近該總平均值。該最接近的總平均值波形在上面概述的校正方案中保持不變。其他兩個(gè)波形被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，以便所述交叉點(diǎn)沿總平均值交叉點(diǎn)的方向移動(dòng)。寫入存儲(chǔ)器的實(shí)際增益校正項(xiàng)是特定系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)。例如，gain_offset＝1000*(global average-crossover average)(增益偏移量＝1000*(總平均值-交叉平均值))。
在一最佳實(shí)施例中，計(jì)算步驟63包括實(shí)時(shí)地、并作為相位角的函數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)每一相的增益。補(bǔ)償增益可以包括作為角度的函數(shù)的調(diào)節(jié)增益和/或偏移量。更優(yōu)選的是，計(jì)算步驟包括將電動(dòng)機(jī)控制器的工作角度劃分為四個(gè)區(qū)域，其中為每一區(qū)域來(lái)補(bǔ)償增益。這些區(qū)域中的兩個(gè)區(qū)域跨越一個(gè)相的0度和180度工作點(diǎn)。這些區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域包括對(duì)該一個(gè)相的相接地，并且其他區(qū)域包含該一個(gè)相的有效區(qū)域，其中該一個(gè)相得到作為角度的函數(shù)的增益補(bǔ)償。在這兩個(gè)跨越區(qū)域中，剩余相則相對(duì)于兩個(gè)區(qū)域中的該一個(gè)相偏移。
可以通過(guò)優(yōu)選地使用可以從摩托羅拉公司獲得的68HC708MP16微控制器；或者可以從Texas Instrument Inc.(得克薩斯儀器公司)中獲得的TMS320C240數(shù)字信號(hào)處理器；可以從International Rectifier Inc.(國(guó)際整流器公司)中獲得的IR 2130門驅(qū)動(dòng)集成電路；以及可以從International Rectifier(國(guó)際整流器)中獲得的#IRFP048N金氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，來(lái)部分地實(shí)現(xiàn)所述系統(tǒng)和方法。
這里建議的解決方案是一種節(jié)約成本的方法，其通過(guò)消除電壓模式電動(dòng)機(jī)控制器中的電壓不平衡來(lái)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而沒(méi)有添加任何額外的電路，并且仍然滿足在低相電壓振幅時(shí)的非常嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)。其基于表征每一模塊的輸出電壓測(cè)量結(jié)果，并以每一相為基礎(chǔ)來(lái)校正問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本發(fā)明的該校正技術(shù)將第一旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量減少了超過(guò)50％，從而減少了產(chǎn)品中的控制器失步(fallout)。
盡管本發(fā)明詳述了一種電力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)造，然而本發(fā)明也可以另外應(yīng)用于任何多相電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)由電壓電源驅(qū)動(dòng)的許多應(yīng)用中，關(guān)閉電流環(huán)路來(lái)調(diào)節(jié)提供給電動(dòng)機(jī)的相電流。在該情況下，是通過(guò)該電流環(huán)路來(lái)補(bǔ)償相電壓不平衡和結(jié)果電流不平衡的。在不使用閉合電流的應(yīng)用中，常常使用閉合電壓環(huán)路來(lái)確保均勻的相電壓被施加于電動(dòng)機(jī)。在既不使用閉合電流也不使用電壓環(huán)路的應(yīng)用中，可以使用本發(fā)明來(lái)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。盡管已經(jīng)參考其具體實(shí)施例具體地示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可以作出各種改變，以及用等效物替代它的元件，而不會(huì)背離本發(fā)明的完全范圍。此外，可以作出多種改進(jìn)以便將具體情況或者材料適應(yīng)到本發(fā)明的教導(dǎo)，而不脫離其實(shí)質(zhì)范圍。因此，本發(fā)明并不意圖局限于此處公開的具體實(shí)施例，而是意圖涵蓋屬于所附權(quán)利要求書范圍的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含電壓檢測(cè)器，其檢測(cè)電動(dòng)機(jī)控制器的每一相處的輸出電壓；增益級(jí)，可操作地用于為電動(dòng)機(jī)控制器的每一相施加增益補(bǔ)償；PWM驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；以及處理器，其具有與電壓檢測(cè)器耦合的輸入以及與增益級(jí)耦合的輸出，該處理器輸入來(lái)自于傳感器的在電動(dòng)機(jī)控制器的每一相處的電壓，確定相之間的電壓失配；對(duì)電動(dòng)機(jī)控制器的最負(fù)相進(jìn)行相接地，計(jì)算相的電壓增益以便補(bǔ)償彼此之間的電壓失配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該處理器執(zhí)行以下中的至少一個(gè)通過(guò)將每一工作相位中的最負(fù)相電壓標(biāo)準(zhǔn)化到負(fù)電源軌，來(lái)提供相接地；實(shí)時(shí)地、并作為相位角的函數(shù)地調(diào)節(jié)相增益；或者將電動(dòng)機(jī)控制器的工作角度劃分為四個(gè)區(qū)域，其中在每一區(qū)域補(bǔ)償不同相的增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括存儲(chǔ)器，其中所述處理器將相的補(bǔ)償電壓增益存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。
4.一種用于減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，該方法包括以下步驟測(cè)量電動(dòng)機(jī)控制器的每一相處的輸出電壓；確定電動(dòng)機(jī)控制器的相之間的電壓失配。將電動(dòng)機(jī)控制器的一個(gè)相進(jìn)行接地；以及計(jì)算相的補(bǔ)償增益以便補(bǔ)償電壓失配。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)相的補(bǔ)償增益的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中計(jì)算步驟至少包括以下之一實(shí)時(shí)地、并作為相位角的函數(shù)地調(diào)節(jié)每一相的增益；或者將電動(dòng)機(jī)控制器的工作角度劃分為四個(gè)區(qū)域，其中在每一區(qū)域補(bǔ)償不同相的增益。
7.一種用于減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，該方法包括以下步驟測(cè)量電動(dòng)機(jī)控制器的每一相的輸出電壓；確定電動(dòng)機(jī)控制器的相之間的電壓失配。將電動(dòng)機(jī)控制器的最負(fù)相進(jìn)行相接地；作為角度的函數(shù)來(lái)為相計(jì)算補(bǔ)償增益，以補(bǔ)償彼此之間的電壓失配；以及構(gòu)造PWM脈沖鏈來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中計(jì)算步驟至少包括以下之一實(shí)時(shí)地計(jì)算每一相的補(bǔ)償增益；或者將電動(dòng)機(jī)控制器的工作角度劃分為四個(gè)區(qū)域，其中在每一區(qū)域補(bǔ)償不同相的增益。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、6或者8所述的方法，其中所述區(qū)域中的兩個(gè)跨越所述一個(gè)相的0度和180度工作點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的所述方法，其中在所述兩個(gè)區(qū)域中，剩余相則相對(duì)于所述一個(gè)相偏移，并且在非接地區(qū)域中，所述一個(gè)相得到補(bǔ)償。
全文摘要
一種用于減少電動(dòng)機(jī)控制器中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的系統(tǒng)和方法包括測(cè)量在電動(dòng)機(jī)控制器的每一相處的輸出電壓的步驟(60)。下一步驟(61)包括確定相之間的電壓失配。下一步驟(62)包括將電動(dòng)機(jī)的一個(gè)相進(jìn)行相接地。下一步驟(63)包括計(jì)算相的電壓增益以便補(bǔ)償彼此之間的電壓失配。所述補(bǔ)償增益可以包括增益和/或偏移量，它們是作為電動(dòng)機(jī)角度的函數(shù)的方式來(lái)施加的，并且被用于產(chǎn)生以減少的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的PWM信號(hào)。
文檔編號(hào)H02P23/04GK1761147SQ200510109969
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者帕特里克·A·奧戈?duì)柭? 斯科特·W·雷普林格, 丹尼斯·L·斯蒂芬斯 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司