場定向控制架構中的異步狀態估計及控制制造技術

本發明專利技術涉及場定向控制架構中的異步狀態估計及控制。本發明專利技術提供一種馬達控制器架構及一種操作馬達控制器架構的方法。所述馬達控制器相對于估計用于產生用于多相電動馬達(M)的多相控制信號(11)的各種狀態參數而異步地產生那些控制信號(11)。通過將時間戳與來自傳感器的每一輸入數據樣本存儲在一起并且將所述時間戳與來自狀態估計的輸出數據維持在一起，解決狀態估計任務與控制信號產生任務之間的延時。得知時間戳值允許控制任務更新狀態估計以補償輸入數據樣本與當前采樣周期之間的時間差。

Asynchronous state estimation and control in field oriented control architectures

The present invention relates to asynchronous state estimation and control in field oriented control architectures. The present invention provides a motor controller architecture and a method of operating a motor controller architecture. The motor controller asynchronously generates the control signals (11) relative to various state parameters that are estimated for generating multi-phase control signals (11) for a polyphase electric motor (M). The time stamp from the sensor and each input sample data stored together and the timestamp and the output data from the state estimation to stay together, to solve the state estimation task and control signal generation task delay between. Knowing that the timestamp value allows the control task to update the state estimate to compensate for the time difference between the input data sample and the current sampling period.

【技術實現步驟摘要】
場定向控制架構中的異步狀態估計及控制相關申請案的交叉參考不適用。關于聯邦政府資助的研究或開發的聲明不適用。
本專利技術屬于電機控制系統領域。更具體來說，此說明書中描述的實施例涉及電動馬達的場定向控制。
技術介紹
場定向控制(“FOC”)在用于AC電動馬達的現代控制系統中已變得司空見慣。根據此方法，例如通過脈沖寬度調制以使得最大化馬達的轉矩/安培性能的方式驅動AC馬達的定子繞組。AC馬達的場定向控制是一項復雜的任務，這是因為定子中的磁場旋轉相對于轉子的旋轉磁場可為異步的，使得AC馬達的操作特性描述涉及具有時變系數的一組微分方程式。已廣泛采用現代高速可編程微控制器以執行準確的場定向控制所需的復雜計算。許多AC馬達控制算法是基于眾所周知的“帕克(Park)”變換，其將可適用的具有角相依系數的一組微分方程式變換成獨立于馬達角的一組微分方程式。特定來說，帕克變換根據旋轉二維(d、q)坐標系考慮馬達操作，其中軸d與場磁鏈分量(即，轉子磁通)對準，且正交軸q與轉矩分量對準。通過分離場磁鏈與轉矩分量，可控制馬達轉矩而不影響場磁通。此解耦使得能夠使用例如動態轉矩控制及速度控制的技術，所述動態轉矩控制或速度控制中任一者可針對實際控制器實例化運用比例和積分(PI)控制算法及類似物。圖1a說明用于控制AC馬達的操作的常規FOC控制器架構。在此架構中，速度控制器功能10是從速度/位置估計器18接收所期望的馬達速度輸入信號wd[n]以及反饋轉子速率估計的控制功能。速度控制器10通常將例如比例積分控制函數的函數應用到馬達速度輸入信號wd[n]與速率估計信號之間的差(即，誤差信號)，以產生用于施加于誤差產生器2q的所期望的正交相位參考電流信號Iqd。誤差產生器2q從正交相位參考電流信號Iqd減去正交相位反饋電流Iq，以產生施加于比例積分(PI)控制器4q的誤差信號εq。類似地，誤差產生器2d接收所期望的直接相位參考電流Idd及直接相位反饋電流Id，并產生施加于比例積分(PI)控制器4d的誤差信號εd。PI控制器4q、4d各自將例如比例及積分函數的組合的常規控制函數分別應用到誤差信號εq、εd，以產生對應的相應直接相位控制信號Vd及正交相位控制信號Vq，這兩者都被施加于逆帕克變換功能5。逆帕克變換功能5將d相位控制信號Vd及q相位控制信號Vq變換成空間固定的α相位控制信號Vα及β相位控制信號Vβ，并將那些信號施加于空間向量產生器7，空間向量產生器7又產生表達對應馬達相位的工作循環(即，脈沖寬度)的三相數據信號Ta、Tb、Tc；將這些數據信號施加于PWM驅動器8，PWM驅動器8產生經由電力驅動器9及逆變器11施加于馬達M的定子繞組的脈沖。PWM驅動器8通常包含計時器，其響應于數據信號Ta、Tb、Tc控制每一驅動脈沖的開始及停止時間。此架構中的控制環路的反饋側從多個源接收反饋信號，全部此類源都基于馬達M處的感測器及對應感測電路13。反饋信號的一個源是由ADC14a基于來自感測電路13的輸出產生的一組電流樣本流Iabc，且所述電流樣本流表示由馬達M的轉子隨著其旋轉在定子繞組中感生的電流。另一組反饋信號是對應于在定子繞組中的每一者處感測到的電壓的電壓樣本流Vabc，由ADC14b將其數字化。另外，此架構中的ADC14c從電壓供應源接收信號，并產生對應于參考總線的電壓電平的電壓樣本流Vbus。在所屬領域中典型地，將來自ADC14a的電流樣本流Iabc施加于克拉克(Clarke)變換功能16a，以產生空間固定的α及β相位反饋信號Iαβ，從而將微分方程式的三相時變系統變換成兩坐標時變系統。將這些變換的反饋信號Iαβ輸入到帕克變換功能17a，帕克變換功能17a又分別產生直接相位反饋電流Id及正交相位反饋電流Iq。類似地，將來自ADC26b的電壓樣本流Vabc輸入到克拉克變換功能16b以產生空間固定的α及β相位反饋信號Vαβ，又將α及β相位反饋信號Vαβ輸入到帕克變換功能17b，帕克變換功能17b產生直接相位反饋電壓Vd及正交相位反饋電壓Vq。將這些直接相位反饋電流Id及正交相位反饋電流Iq，及對應的直接相位反饋電壓Vd及正交相位反饋電壓Vq施加于速度/位置估計器功能18，速度/位置估計器功能18產生對應于由ADC14a到14c在樣本周期n(即，在時刻n·Ts處，其中Ts是ADC14的樣本周期)中獲取的測量值的轉子位置估計及轉子速率估計將此當前轉子速率估計施加于如上文提及的速度控制器功能10。如所屬領域中已知，帕克變換計算要求已知轉子位置，即，轉子角度，以便將d軸對準到轉子磁通。因而，在圖1a的此常規架構中，由速度/位置估計器18產生樣本周期n的當前轉子位置的估計且將其施加于反饋環路中的帕克變換功能17a。逆帕克變換功能5也要求轉子位置的某一估計，但因為其涉及下一時間間隔(即，樣本時間(n+1)·Ts處)的相位驅動信號的產生，所以此常規架構中的速度/位置估計器18針對那個下一時間間隔n+1產生轉子位置估計且將那個估計施加于逆帕克變換功能5。常規地，速度/位置估計器18通過將當前轉子速率估計乘以樣本周期(Ts)，并將轉子位置的那個增量加入到當前轉子位置估計以預測樣本時間(n+1)·Ts處的轉子位置而產生此前瞻性轉子位置估計現代馬達控制架構(例如，圖1a中所展示的馬達控制架構)通常針對驅動相位中的每一者遞送呈脈沖寬度調制信號形式的驅動命令。圖1b說明馬達M的三個相位的脈沖寬度調制驅動信號PWMa到PWMc的對準的實例。如圖1b中所展示，信號PWMa到PWMc中的每一者的中點在樣本周期n(即，時間nTs與(n+1)Ts之間)與n+1(時間(n+1)Ts與(n+2)Ts之間)中的每一者內的中點時間Ts/2處對準。常規數字FOC架構(例如，圖1a中所展示的數字FOC架構)以對應于周期Ts(即，ADC14的樣本周期)的采樣頻率fs在離散的時間域中進行操作。在這些常規架構中，速度/位置估計器18操作的頻率也是那個相同頻率fs，使得針對在反饋環路中對輸入數據進行采樣的每一時間間隔產生轉子位置及速率的估計，且因此針對在控制環路中將產生脈沖寬度調制信號的每一時間間隔產生轉子位置及速率的估計。因而，在每一周期Ts中，圖1a的控制器的反饋環路確定當前轉子速率估計前瞻性轉子位置估計及反饋電流Id、Iq的控制信號，且控制環路確定將由PWM驅動器8產生的PWM信號。然而，已觀測到速度/位置估計器18用于產生轉子位置及速率的估計所需的計算時間通常是可控制馬達的頻率的限制因素。舉例來說，即使是針對現代高性能微控制器，計算轉子位置及速率估計所需的最小時間通常是大約50μsec，其將控制頻率限制為不快于大約20kHz。因此，不得不犧牲速度追蹤性能的準確性或利用更復雜(例如，多處理器)架構以便達到現代快速響應馬達所期望的更高帶寬馬達控制。通過另一背景，與本案一起受讓且通過此引用并入本文中的2015年3月31日申請的共同待決的序列號為14/675,196號美國申請案描述馬達控制器架構，所述馬達控制器架構包含用于選擇將在轉子位置的估計(針對其，脈沖寬度調制驅動信號將施加于多相電動馬達)中應用的分數延遲補償值的功能，以補償通過將樣本周期內的多相PWM信號相互對準而必要的半周期延遲(如本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種控制多相AC電動馬達的操作的方法，其包括：周期性地感測對應于所述馬達的旋轉的電氣參數；將對應于所述感測到的電氣參數的輸入數據與對應于采樣周期的時間戳相關聯地存儲于存儲器中；及在多個采樣周期中的每一者內，執行包括以下各者的多個操作：執行包括以下操作的狀態估計任務：從所述存儲器檢索用于采樣周期的輸入數據；執行狀態估計算法以從所述檢索到的輸入數據估計至少一個馬達狀態；及將對應于所述估計的至少一個馬達狀態的估計器輸出數據與所述檢索到的輸入數據的所述時間戳相關聯地存儲于所述存儲器中。

【技術特征摘要】
2015.10.09 US 14/880,0081.一種控制多相AC電動馬達的操作的方法，其包括：周期性地感測對應于所述馬達的旋轉的電氣參數；將對應于所述感測到的電氣參數的輸入數據與對應于采樣周期的時間戳相關聯地存儲于存儲器中；及在多個采樣周期中的每一者內，執行包括以下各者的多個操作：執行包括以下操作的狀態估計任務：從所述存儲器檢索用于采樣周期的輸入數據；執行狀態估計算法以從所述檢索到的輸入數據估計至少一個馬達狀態；及將對應于所述估計的至少一個馬達狀態的估計器輸出數據與所述檢索到的輸入數據的所述時間戳相關聯地存儲于所述存儲器中。2.根據權利要求1所述的方法，其中在所述多個采樣周期中的每一者內執行的所述多個操作進一步包括：執行包括以下操作的控制任務：從所述存儲器檢索指示所述馬達在先前采樣周期處的至少一個狀態的最近的估計器輸出數據；及從所述最近的估計器輸出數據更新所述馬達在下一采樣周期處的轉子位置及轉子速率；且其中響應于在采樣周期內執行所述控制任務的完成，實施執行所述狀態估計功能的所述步驟。3.根據權利要求2所述的方法，其中在多個采樣周期中的每一者內執行的所述多個操作進一步包括。執行包括以下操作的命令任務：接收命令；響應于在采樣周期內執行所述控制任務的完成，響應于所述接收到的命令執行命令序列；其中響應于在采樣周期內所述控制任務的所述執行及所述命令任務的所述執行兩者的完成，實施執行所述狀態估計功能的所述操作。4.根據權利要求2所述的方法，其進一步包括：在所述多個采樣周期中的每一者內且響應于所述更新的轉子位置及轉子速率，產生用于施加于所述馬達的多相驅動信號。5.根據權利要求4所述的方法，其進一步包括：將所述感測到的電氣參數變換成直接及正交相位反饋信號，所述存儲的輸入數據包括對應于所述直接及正交相位反饋信號的數據；其中產生用于施加于所述馬達的多相驅動信號的所述步驟包括：響應于所述直接及正交相位反饋信號與參考信號的比較并響應于所述更新的轉子位置及轉子速率，產生直接及正交相位控制信號；及響應于所述直接及正交相位控制信號產生所述多相驅動信號。6.根據權利要求2所述的方法，其中所述更新操作包括：確定當前采樣周期與由所述檢索到的最近的估計器輸出數據中的所述時間戳指示的所述采樣周期之間的經過時間；從所述確定的經過時間及所述檢索到的最近的估計器輸出數據中的角速率估計計算更新的角速率估計；及從所述更新的角速率估計及所述檢索到的最近的估計器輸出數據中的角位置估計計算更新的角位置估計。7.根據權利要求6所述的方法，其中與所述輸入數據及估計器輸出數據相關聯地存儲的所述時間戳包括計數器在所述采樣周期中的存儲所述輸入數據的時間處的內容；且其中確定所述經過時間的所述步驟包括：比較所述計數器在所述當前采樣周期中的時間處的當前內容與所述檢索到的最近的估計器輸出數據中的所述時間戳；響應于所述計數器的所述當前內容指示比所述時間戳更晚的計數，從所述計數器的所述當前內容與所述時間戳之間的差值計算計數值；及響應于所述計數器的所述當前內容指示比所述時間戳更早的計數，從所述計數器的所述當前內容與所述時間戳之間的所述差值加所述計數器的最大計數值計算計數值。8.一種用于多相電動馬達的控制器，其包括：控制電路，其用于響應于至少一個輸入信號及轉子速率估計信號產生直接相位控制信號及正交相位控制信號；變換功能，其用于響應于所述直接相位及正交相位控制信號及轉子位置估計信號產生用于所述馬達的多個相位的輸出驅動信號；反饋電路，其用于響應于從所述馬達處的至少一個感測器接收的電氣值產生用于第一樣本周期的所述直接及正交相位度量信號；數據存儲器；及速度/位置估計器功能，其用于通過執行程序指令產生所述轉子速率估計信號及所述轉子位置估計信號，所述程序指令在被執行時致使處理器在多個采樣周期中的每一者內執行包括以下各者的多個操作：將對應于從所述至少一個傳感器接收到的所述電氣值的輸入數據樣本與對應于所述采樣周期的時間戳相關聯地存儲于所述數據存儲器中；執行包括以下操作的控制任務：從所述數據存儲器檢索指示所述馬達在先前采樣周期處的至少一個狀態的最近的估計器輸出數據；及從所述最近的估計器輸出數據更新所述馬達在下一采樣周期處的轉子位置及轉子速率；且響應于在采樣周期內執行所述控制任務的完成，執行包括以下操作的狀態估計任務：從所述數據存儲器檢索用于采樣周期的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：大衛·帕特里克·馬吉，喬治·桑巴達，
申請(專利權)人：德州儀器公司，
類型：發明
國別省市：美國,US