场定向控制架构中的异步状态估计及控制制造技术

本发明专利技术涉及场定向控制架构中的异步状态估计及控制。本发明专利技术提供一种马达控制器架构及一种操作马达控制器架构的方法。所述马达控制器相对于估计用于产生用于多相电动马达(M)的多相控制信号(11)的各种状态参数而异步地产生那些控制信号(11)。通过将时间戳与来自传感器的每一输入数据样本存储在一起并且将所述时间戳与来自状态估计的输出数据维持在一起，解决状态估计任务与控制信号产生任务之间的延时。得知时间戳值允许控制任务更新状态估计以补偿输入数据样本与当前采样周期之间的时间差。

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.

【技术实现步骤摘要】
场定向控制架构中的异步状态估计及控制相关申请案的交叉参考不适用。关于联邦政府资助的研究或开发的声明不适用。
本专利技术属于电机控制系统领域。更具体来说，此说明书中描述的实施例涉及电动马达的场定向控制。
技术介绍
场定向控制(“FOC”)在用于AC电动马达的现代控制系统中已变得司空见惯。根据此方法，例如通过脉冲宽度调制以使得最大化马达的转矩/安培性能的方式驱动AC马达的定子绕组。AC马达的场定向控制是一项复杂的任务，这是因为定子中的磁场旋转相对于转子的旋转磁场可为异步的，使得AC马达的操作特性描述涉及具有时变系数的一组微分方程式。已广泛采用现代高速可编程微控制器以执行准确的场定向控制所需的复杂计算。许多AC马达控制算法是基于众所周知的“帕克(Park)”变换，其将可适用的具有角相依系数的一组微分方程式变换成独立于马达角的一组微分方程式。特定来说，帕克变换根据旋转二维(d、q)坐标系考虑马达操作，其中轴d与场磁链分量(即，转子磁通)对准，且正交轴q与转矩分量对准。通过分离场磁链与转矩分量，可控制马达转矩而不影响场磁通。此解耦使得能够使用例如动态转矩控制及速度控制的技术，所述动态转矩控制或速度控制中任一者可针对实际控制器实例化运用比例和积分(PI)控制算法及类似物。图1a说明用于控制AC马达的操作的常规FOC控制器架构。在此架构中，速度控制器功能10是从速度/位置估计器18接收所期望的马达速度输入信号wd[n]以及反馈转子速率估计的控制功能。速度控制器10通常将例如比例积分控制函数的函数应用到马达速度输入信号wd[n]与速率估计信号之间的差(即，误差信号)，以产生用于施加于误差产生器2q的所期望的正交相位参考电流信号Iqd。误差产生器2q从正交相位参考电流信号Iqd减去正交相位反馈电流Iq，以产生施加于比例积分(PI)控制器4q的误差信号εq。类似地，误差产生器2d接收所期望的直接相位参考电流Idd及直接相位反馈电流Id，并产生施加于比例积分(PI)控制器4d的误差信号εd。PI控制器4q、4d各自将例如比例及积分函数的组合的常规控制函数分别应用到误差信号εq、εd，以产生对应的相应直接相位控制信号Vd及正交相位控制信号Vq，这两者都被施加于逆帕克变换功能5。逆帕克变换功能5将d相位控制信号Vd及q相位控制信号Vq变换成空间固定的α相位控制信号Vα及β相位控制信号Vβ，并将那些信号施加于空间向量产生器7，空间向量产生器7又产生表达对应马达相位的工作循环(即，脉冲宽度)的三相数据信号Ta、Tb、Tc；将这些数据信号施加于PWM驱动器8，PWM驱动器8产生经由电力驱动器9及逆变器11施加于马达M的定子绕组的脉冲。PWM驱动器8通常包含计时器，其响应于数据信号Ta、Tb、Tc控制每一驱动脉冲的开始及停止时间。此架构中的控制环路的反馈侧从多个源接收反馈信号，全部此类源都基于马达M处的感测器及对应感测电路13。反馈信号的一个源是由ADC14a基于来自感测电路13的输出产生的一组电流样本流Iabc，且所述电流样本流表示由马达M的转子随着其旋转在定子绕组中感生的电流。另一组反馈信号是对应于在定子绕组中的每一者处感测到的电压的电压样本流Vabc，由ADC14b将其数字化。另外，此架构中的ADC14c从电压供应源接收信号，并产生对应于参考总线的电压电平的电压样本流Vbus。在所属领域中典型地，将来自ADC14a的电流样本流Iabc施加于克拉克(Clarke)变换功能16a，以产生空间固定的α及β相位反馈信号Iαβ，从而将微分方程式的三相时变系统变换成两坐标时变系统。将这些变换的反馈信号Iαβ输入到帕克变换功能17a，帕克变换功能17a又分别产生直接相位反馈电流Id及正交相位反馈电流Iq。类似地，将来自ADC26b的电压样本流Vabc输入到克拉克变换功能16b以产生空间固定的α及β相位反馈信号Vαβ，又将α及β相位反馈信号Vαβ输入到帕克变换功能17b，帕克变换功能17b产生直接相位反馈电压Vd及正交相位反馈电压Vq。将这些直接相位反馈电流Id及正交相位反馈电流Iq，及对应的直接相位反馈电压Vd及正交相位反馈电压Vq施加于速度/位置估计器功能18，速度/位置估计器功能18产生对应于由ADC14a到14c在样本周期n(即，在时刻n·Ts处，其中Ts是ADC14的样本周期)中获取的测量值的转子位置估计及转子速率估计将此当前转子速率估计施加于如上文提及的速度控制器功能10。如所属领域中已知，帕克变换计算要求已知转子位置，即，转子角度，以便将d轴对准到转子磁通。因而，在图1a的此常规架构中，由速度/位置估计器18产生样本周期n的当前转子位置的估计且将其施加于反馈环路中的帕克变换功能17a。逆帕克变换功能5也要求转子位置的某一估计，但因为其涉及下一时间间隔(即，样本时间(n+1)·Ts处)的相位驱动信号的产生，所以此常规架构中的速度/位置估计器18针对那个下一时间间隔n+1产生转子位置估计且将那个估计施加于逆帕克变换功能5。常规地，速度/位置估计器18通过将当前转子速率估计乘以样本周期(Ts)，并将转子位置的那个增量加入到当前转子位置估计以预测样本时间(n+1)·Ts处的转子位置而产生此前瞻性转子位置估计现代马达控制架构(例如，图1a中所展示的马达控制架构)通常针对驱动相位中的每一者递送呈脉冲宽度调制信号形式的驱动命令。图1b说明马达M的三个相位的脉冲宽度调制驱动信号PWMa到PWMc的对准的实例。如图1b中所展示，信号PWMa到PWMc中的每一者的中点在样本周期n(即，时间nTs与(n+1)Ts之间)与n+1(时间(n+1)Ts与(n+2)Ts之间)中的每一者内的中点时间Ts/2处对准。常规数字FOC架构(例如，图1a中所展示的数字FOC架构)以对应于周期Ts(即，ADC14的样本周期)的采样频率fs在离散的时间域中进行操作。在这些常规架构中，速度/位置估计器18操作的频率也是那个相同频率fs，使得针对在反馈环路中对输入数据进行采样的每一时间间隔产生转子位置及速率的估计，且因此针对在控制环路中将产生脉冲宽度调制信号的每一时间间隔产生转子位置及速率的估计。因而，在每一周期Ts中，图1a的控制器的反馈环路确定当前转子速率估计前瞻性转子位置估计及反馈电流Id、Iq的控制信号，且控制环路确定将由PWM驱动器8产生的PWM信号。然而，已观测到速度/位置估计器18用于产生转子位置及速率的估计所需的计算时间通常是可控制马达的频率的限制因素。举例来说，即使是针对现代高性能微控制器，计算转子位置及速率估计所需的最小时间通常是大约50μsec，其将控制频率限制为不快于大约20kHz。因此，不得不牺牲速度追踪性能的准确性或利用更复杂(例如，多处理器)架构以便达到现代快速响应马达所期望的更高带宽马达控制。通过另一背景，与本案一起受让且通过此引用并入本文中的2015年3月31日申请的共同待决的序列号为14/675,196号美国申请案描述马达控制器架构，所述马达控制器架构包含用于选择将在转子位置的估计(针对其，脉冲宽度调制驱动信号将施加于多相电动马达)中应用的分数延迟补偿值的功能，以补偿通过将样本周期内的多相PWM信号相互对准而必要的半周期延迟(如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制多相AC电动马达的操作的方法，其包括：周期性地感测对应于所述马达的旋转的电气参数；将对应于所述感测到的电气参数的输入数据与对应于采样周期的时间戳相关联地存储于存储器中；及在多个采样周期中的每一者内，执行包括以下各者的多个操作：执行包括以下操作的状态估计任务：从所述存储器检索用于采样周期的输入数据；执行状态估计算法以从所述检索到的输入数据估计至少一个马达状态；及将对应于所述估计的至少一个马达状态的估计器输出数据与所述检索到的输入数据的所述时间戳相关联地存储于所述存储器中。

【技术特征摘要】
2015.10.09 US 14/880,0081.一种控制多相AC电动马达的操作的方法，其包括：周期性地感测对应于所述马达的旋转的电气参数；将对应于所述感测到的电气参数的输入数据与对应于采样周期的时间戳相关联地存储于存储器中；及在多个采样周期中的每一者内，执行包括以下各者的多个操作：执行包括以下操作的状态估计任务：从所述存储器检索用于采样周期的输入数据；执行状态估计算法以从所述检索到的输入数据估计至少一个马达状态；及将对应于所述估计的至少一个马达状态的估计器输出数据与所述检索到的输入数据的所述时间戳相关联地存储于所述存储器中。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多个采样周期中的每一者内执行的所述多个操作进一步包括：执行包括以下操作的控制任务：从所述存储器检索指示所述马达在先前采样周期处的至少一个状态的最近的估计器输出数据；及从所述最近的估计器输出数据更新所述马达在下一采样周期处的转子位置及转子速率；且其中响应于在采样周期内执行所述控制任务的完成，实施执行所述状态估计功能的所述步骤。3.根据权利要求2所述的方法，其中在多个采样周期中的每一者内执行的所述多个操作进一步包括。执行包括以下操作的命令任务：接收命令；响应于在采样周期内执行所述控制任务的完成，响应于所述接收到的命令执行命令序列；其中响应于在采样周期内所述控制任务的所述执行及所述命令任务的所述执行两者的完成，实施执行所述状态估计功能的所述操作。4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：在所述多个采样周期中的每一者内且响应于所述更新的转子位置及转子速率，产生用于施加于所述马达的多相驱动信号。5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：将所述感测到的电气参数变换成直接及正交相位反馈信号，所述存储的输入数据包括对应于所述直接及正交相位反馈信号的数据；其中产生用于施加于所述马达的多相驱动信号的所述步骤包括：响应于所述直接及正交相位反馈信号与参考信号的比较并响应于所述更新的转子位置及转子速率，产生直接及正交相位控制信号；及响应于所述直接及正交相位控制信号产生所述多相驱动信号。6.根据权利要求2所述的方法，其中所述更新操作包括：确定当前采样周期与由所述检索到的最近的估计器输出数据中的所述时间戳指示的所述采样周期之间的经过时间；从所述确定的经过时间及所述检索到的最近的估计器输出数据中的角速率估计计算更新的角速率估计；及从所述更新的角速率估计及所述检索到的最近的估计器输出数据中的角位置估计计算更新的角位置估计。7.根据权利要求6所述的方法，其中与所述输入数据及估计器输出数据相关联地存储的所述时间戳包括计数器在所述采样周期中的存储所述输入数据的时间处的内容；且其中确定所述经过时间的所述步骤包括：比较所述计数器在所述当前采样周期中的时间处的当前内容与所述检索到的最近的估计器输出数据中的所述时间戳；响应于所述计数器的所述当前内容指示比所述时间戳更晚的计数，从所述计数器的所述当前内容与所述时间戳之间的差值计算计数值；及响应于所述计数器的所述当前内容指示比所述时间戳更早的计数，从所述计数器的所述当前内容与所述时间戳之间的所述差值加所述计数器的最大计数值计算计数值。8.一种用于多相电动马达的控制器，其包括：控制电路，其用于响应于至少一个输入信号及转子速率估计信号产生直接相位控制信号及正交相位控制信号；变换功能，其用于响应于所述直接相位及正交相位控制信号及转子位置估计信号产生用于所述马达的多个相位的输出驱动信号；反馈电路，其用于响应于从所述马达处的至少一个感测器接收的电气值产生用于第一样本周期的所述直接及正交相位度量信号；数据存储器；及速度/位置估计器功能，其用于通过执行程序指令产生所述转子速率估计信号及所述转子位置估计信号，所述程序指令在被执行时致使处理器在多个采样周期中的每一者内执行包括以下各者的多个操作：将对应于从所述至少一个传感器接收到的所述电气值的输入数据样本与对应于所述采样周期的时间戳相关联地存储于所述数据存储器中；执行包括以下操作的控制任务：从所述数据存储器检索指示所述马达在先前采样周期处的至少一个状态的最近的估计器输出数据；及从所述最近的估计器输出数据更新所述马达在下一采样周期处的转子位置及转子速率；且响应于在采样周期内执行所述控制任务的完成，执行包括以下操作的状态估计任务：从所述数据存储器检索用于采样周期的...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·帕特里克·马吉，乔治·桑巴达，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US