專利名稱：用于高速電動機(jī)的速度控制的速度測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速電動機(jī)的速度控制，并且尤其涉及用于測量高速AC電動才幾的速度的系統(tǒng)和方法。
技術(shù)背景在用于控制電動機(jī)速度的反饋控制系統(tǒng)中，所述電動機(jī)的速度被 測量并反饋到控制系統(tǒng)。圖1示出了用于控制AC電動機(jī)22的速度的 典型系統(tǒng)20。諸如解算器(resolver) 24或編碼器(未示出)之類的 轉(zhuǎn)子位置傳感器和信號處理模塊26測量轉(zhuǎn)子角度6^。速度測量模塊 28根據(jù)轉(zhuǎn)子角度來確定電動機(jī)速度a^。比較器模塊30確定在所測量 速度co im和命令速度co J之間的差異co i6 。所述差異被饋送到速度控 制器模塊32，用于產(chǎn)生用來使所述差異最小化的轉(zhuǎn)矩命令T人根據(jù)轉(zhuǎn) 矩命令，轉(zhuǎn)矩到電流映射模塊34產(chǎn)生命令電流U'和I4/'。電流傳感器(未示出)測量靜止相位電動機(jī)電流Ias、 L和I。s。靜 止到同步相位變換器模塊36把電流Ias、 I"和U轉(zhuǎn)換為d和q軸同步相位電流D I二比較器模塊38確定在電流U'和IJ之間的差異。另一比較器才莫塊40確定在電流Iq/'和1^之間的差異。根據(jù)電流中的差異，電流控制器模塊42產(chǎn)生同步相位命令電壓VJ'和Vqss'。同步到靜止相位變換器模塊44把電壓VJ'和Vq/'轉(zhuǎn)換為靜止相位命令電壓Va'、Vb'和V人根據(jù)所述命令電壓，逆變器模塊46產(chǎn)生用于以命令速度來驅(qū)動電動才幾的三相電壓。應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地測量電動機(jī)速度，這是因為在所測量的速度中的誤差 -故反饋到控制系統(tǒng)并且可能導(dǎo)致速度波動、系統(tǒng)不穩(wěn)定以及電動機(jī)發(fā) 熱。由于諸如位置傳感器的偏心率、電氣模塊的不準(zhǔn)確性等因素，轉(zhuǎn) 子角度一般具有周期性誤差，如圖2所示。從而，根據(jù)轉(zhuǎn)子角度所計算的電動機(jī)速度具有被稱作波紋的波動誤差，如圖3所示。所述波紋 被反饋到速度控制器模塊并且使命令電流失真，如圖4所示。命令電 流中的波紋隨后使用于驅(qū)動電動機(jī)的命令電壓失真。結(jié)果，電動機(jī)速度波動。從而，；敗測量并反饋到控制系統(tǒng)的電動機(jī)電流包含波紋，如 圖4所示。這使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。電動機(jī)速度中的波紋還由于諧 波而導(dǎo)致發(fā)熱和損失。值得注意地是，波紋的幅度與電動機(jī)速度成正 比。因此，電動才幾速度波動、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定性和電動才幾發(fā)熱在高電 動機(jī)速度時4艮高。傳統(tǒng)上，通過使用低通濾波器來使波紋最小化，如圖5所示。然 而濾波器的截止頻率無法被設(shè)置為低到完全消除波紋，這是因為低截 止頻率會在反饋回路中導(dǎo)致延遲。另一方面，還可以通過降低速度控 制器、電流控制和速度觀察器的控制帶寬來使波紋最小化。然而此方 法犧牲了控制動態(tài)性，并且因此不足以用于高速電動機(jī)的速度控制。發(fā)明內(nèi)容據(jù)此，本發(fā)明提供了一種用于測量高速電動機(jī)的速度的系統(tǒng)。依照另一特征，位置傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信號。依照另一特征，信號處理模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號來確定轉(zhuǎn)子角度。依照另一特征，速度觀察器模塊計算原始的電動機(jī)速度。依照另 一特征，濾波器模塊根據(jù)原始的電動機(jī)速度有選擇地產(chǎn)生 過濾的電動才幾速度。依照另 一特征，頻率到周期的變換器模塊根據(jù)原始的電動機(jī)速度 和過濾的電動機(jī)速度之一來計算轉(zhuǎn)子周期。依照又一特征，除法器模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子周期來計算移動平均值中的 點數(shù)目。依照又一特征，移動平均濾波器模塊使移動平均值的窗口大小適 應(yīng)轉(zhuǎn)子周期。依照另 一特征，移動平均濾波器從原始的電動機(jī)速度中移除波紋 和波紋的諧波。根據(jù)以下所提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步適用范圍將變得更 加清楚。應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì)描述和具體例子雖然表明本發(fā)明的優(yōu)選實施 例，不過只意在用于圖示目的并且不意在限制本發(fā)明的范圍。


根據(jù)以下詳細(xì)描述和附圖，將更加完全理解本發(fā)明，其中圖l是用于圖示用來控制電動機(jī)速度的典型控制系統(tǒng)的功能框圖； 圖2是用于圖示使用位置傳感器所測量的轉(zhuǎn)子角度中的示例性誤 差的圖表；圖3是用于圖示根據(jù)轉(zhuǎn)子角度所計算的電動機(jī)速度的示例性波紋 分量的圖表；圖4是用于圖示使用具有波紋的速度所產(chǎn)生的示例性電流波形的 圖表；圖5是用于圖示使用通過使用低通濾波器所獲得的速度信息所產(chǎn) 生的示例性電流波形的圖表；圖6是用于圖示用于使用本發(fā)明來控制高速AC電動機(jī)速度的控制 系統(tǒng)的功能框圖；圖7是用于圖示用于使用本發(fā)明來測量高速AC電動機(jī)速度的系統(tǒng) 的功能框圖；圖8是用于圖示在用于依照本發(fā)明測量高速電動機(jī)系統(tǒng)的速度的 方法中所執(zhí)行的步驟的流程圖；圖9是用于圖示移動平均濾波器的頻率響應(yīng)的圖表；圖10是用于圖示在移動平均濾波器的窗口大小和轉(zhuǎn)子速度之間的 示例性關(guān)系的圖表；圖11A是用于圖示在低轉(zhuǎn)子速度時的移動平均濾波器的窗口大小 和波紋之間的示例性關(guān)系的圖表；圖11B是用于圖示在高轉(zhuǎn)子速度時的移動平均濾波器的窗口大小 和波紋之間的示例性關(guān)系的圖表；圖12是用于圖示本發(fā)明的速度測量方法的示例性性能的圖表；圖13是用于圖示在移動平均濾波器和低通濾波器的頻率響應(yīng)之間 的示例性比較的圖表；圖14是用于圖示使用本發(fā)明的速度測量方法所獲得的示例性電流 波形的圖表。
具體實施方式
明、其應(yīng)用或s用:i^i楚起見，在附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)識類似的元素。如這里所用，術(shù)語模塊、控制器和/或設(shè)備指的是專用集成模塊(ASIC)、電子模塊、用于執(zhí)行一個或多個軟件或固件程 序的處理器(共享、專用或群組)和存儲器、組合邏輯模塊和/或提供 所描述功能的其它適當(dāng)組件。
現(xiàn)在參照圖6，電動機(jī)速度控制系統(tǒng)100包括電動機(jī)22。諸如解 算器24或編碼器(未示出)之類的位置傳感器和信號處理模塊26測 量轉(zhuǎn)子角度e^。速度測量模塊llO根據(jù)轉(zhuǎn)子角度來確定電動機(jī)速度w _比較器模塊30確定在所測量速度(o^和命令速度cOr/之間的差異。 差異0)_ 被饋送到速度控制器模塊32，所述速度控制器模塊32產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩命令TV來使速度差異最小化。根據(jù)轉(zhuǎn)矩命令，轉(zhuǎn)矩到電流映射模 塊34產(chǎn)生d和q軸命令電流Id,和V。
電流傳感器(未示出)測量靜止相位電動機(jī)電流Ias、 Ibs和I。s。靜 止到同步相位變換器模塊36把電流Ias、 L和1。s轉(zhuǎn)換為d和q軸同步 相位電流1〃和Iqs6。比較器模塊38確定在電流U'和Id/之間的差異。 另一比較器模塊40確定在電流IJ'和Iq/之間的差異。根據(jù)電流中的 差異，電流控制器模塊42產(chǎn)生同步相位命令電壓VJ'和VJ'。
同步到靜止相位變換器模塊44把電壓VJ'和Vy轉(zhuǎn)換為靜止相位 命令電壓Va'、 Vb'和V人根據(jù)所述命令電壓，逆變器模塊"產(chǎn)生用于 以命令速度來驅(qū)動電動才幾的三相電壓。
現(xiàn)在參照圖7，將詳細(xì)描述用于測量電動機(jī)速度的系統(tǒng)。速度測量 模塊110包括速度觀察器112。速度觀察器112根據(jù)轉(zhuǎn)子角度6 rm來計 算原始的轉(zhuǎn)子速度coru.w。如果代替解算器24使用編碼器(未示出)， 那么可以使用信號處理模塊26根據(jù)脈沖列數(shù)據(jù)來計算原始的轉(zhuǎn)子速 度。
轉(zhuǎn)子角度由于諸如傳感器的偏心率、電氣模塊的不準(zhǔn)確性等因素 而具有周期性誤差。結(jié)果，原始的轉(zhuǎn)子速度COi^具有稱作波紋的波動 誤差。低通濾波器模塊114減少原始的轉(zhuǎn)子速度中的波紋并且產(chǎn)生過 濾的轉(zhuǎn)子速度w"PF。頻率到周期的變換器模塊116使用以下方程式根 據(jù)轉(zhuǎn)子的速度來計算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期T:
對于控制系統(tǒng)執(zhí)行控制的每個采樣時間Ts來說，除法器模塊118 通過把轉(zhuǎn)子的周期T除以采樣時間Ts來計算移動平均值中的點數(shù)目M。通過把移動平均值中的點數(shù)目M乘以給定采樣時間Ts來獲得移動 平均濾波器(MAF)的窗口大小。從而，給定了采樣時間Ts，具有M個 點的MAF的窗口大小為ML。然而，通常窗口大小可以簡單地由M來表示。
MAF才莫塊12(M吏MAF的窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子周期T。 MAF從原始的轉(zhuǎn) 子速度中移除波紋以及所述波紋的所有諧波，并且使用以下方程式來 產(chǎn)生電動機(jī)速度co^:
<formula>formula see original document page 7</formula>
現(xiàn)在參照圖8，將進(jìn)一步詳細(xì)描述用于測量電動機(jī)速度的方法。方 法150在步驟152在采樣時間T3開始。在步驟154，使用解算器24或 編碼器(未示出)和信號處理模塊26來測量轉(zhuǎn)子角度6 _在步驟156, 速度觀察器模塊112根據(jù)轉(zhuǎn)子角度來確定原始的轉(zhuǎn)子速度(0_, 。在步 驟158，低通濾波器114從原始的轉(zhuǎn)子速度中移除一些波紋并且產(chǎn)生速
在步驟160，頻率到周期的變換器模塊116把2丌除以c0r"PF以便 獲得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期T。在步驟162，除法器模塊118把周期T除以采 樣時間Ts以便獲得移動平均值中的點數(shù)目M。在步驟164，MAF模塊120 使MAF的窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子的周期T。在步驟166, MAF才莫塊120從w r"PF移除波紋以及所述波紋的所有諧波，并且產(chǎn)生電動機(jī)速度cc^在 步驟168，速度o^被反饋到速度控制系統(tǒng)100,并且所述方法在另一 采樣時間L重復(fù)。
MAF通過平均來自輸入信號的多個點來操作以便生成輸出信號中 的每個點。這可以依照方程式形式^L表示為
其中x[]是輸入信號，y[]是輸出信號，并且M是平均值中的點數(shù)目。 從而，在7點MAF中，例如，輸出信號中的點10由下式給出
<formula>formula see original document page 7</formula>
可以借助以下方程式來表達(dá)MAF的頻率響應(yīng)
7<formula>formula see original document page 8</formula>
其中f是用赫茲表示的輸入信號的頻率，Ts是用秒表示的采樣周期， 并且M是平均值中的點數(shù)目。
MAF的頻率響應(yīng)是如此以致它具有在頻率上的無限衰減，并^f吏周期
等于濾波器的窗口大小ML及其第n個諧波。從而，對于頻率/ =」 _來
說，其中n是正整數(shù)(n = 1， 2， 3,
可以依照方程式形式來表示<formula>formula see original document page 8</formula>
<formula>formula see original document page 8</formula>
從而，如圖9所示，MAF的頻率響應(yīng)在頻率(1,1，1,1,…,」L)為
<formula>formula see original document page 8</formula>
因此，如果使MAF的窗口大小適應(yīng)波紋的基本周期，那么所述MAF 完全地移除所述波紋以及所述波紋的所有諧波。由于波紋的基本周期 等于轉(zhuǎn)子的周期T，所以使MAF的窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子的周期T以便從轉(zhuǎn) 子的速度中完全地移除波紋以及所述波紋的所有諧波。
然而窗口大小具有上下限。從而，當(dāng)測量在特定的最小值以下以 及在特定的最大值以上的電動機(jī)速度時無法完全地移除波紋。如圖10 所示，窗口大小與轉(zhuǎn)子的速度成反比。在非常低的速度，窗口大小變 得非常大，MAF的阻帶頻率變得非常低，并且速度控制系統(tǒng)的性能降級。 因此，窗口大小具有最大限制MMAX,并且其值確定了在沒有波紋的情況 下可以測量的最低轉(zhuǎn)子速度。類似地，窗口大小具有最小值M,，并且 其值確定了在沒有波紋的情況下可以測量的最高轉(zhuǎn)子速度。圖11A進(jìn) 一步圖示了在低轉(zhuǎn)子速度時的MAF的窗口大小和波紋之間的示例性關(guān) 系。類似地，圖11B圖示了在高轉(zhuǎn)子速度時的MAF的窗口大小和波紋 之間的示例性關(guān)系。
值得注意地是，MAF的窗口大小由于在原始的轉(zhuǎn)子速度中所存在的 波紋而出現(xiàn)波動。如果窗口大小波動，那么在原始的轉(zhuǎn)子速度中的波 紋被減少而不是被完全移除。使用低通濾波器來移除在原始的轉(zhuǎn)子速 度中的一些波紋減少了 MAF的窗口大小中的波動。從而，當(dāng)使用低通 濾波器來計算MAF的窗口大小時，所述MAF更有效地減弱在原始的轉(zhuǎn)子速度中所存在的波紋。
如圖12所示，當(dāng)MAF的窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子的周期T時，速度(Om 不包含任何波紋。這是因為如圖13所示，當(dāng)其窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子的周 期時，MAF的衰減是無窮大的。
從而，當(dāng)在MAF的窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子周期的情況下使用所述MAF 來測量電動機(jī)速度co^時，從C0i^中顯著地消除波紋，如圖M所示。 結(jié)果，顯著地減少了命令電流和實際電動機(jī)電流中的周期性波動。電 動機(jī)電流中的殘留波動是由于諸如所使用的傳感器數(shù)目、電動機(jī)的漏 電感等因素所引起的電流測量誤差。圖14還示出了當(dāng)使用MAF時電動 機(jī)電流波形基本上是正弦曲線的并且包含很少的諧波。電動機(jī)電流中 的此低失真還減少了由諧波所引起的發(fā)熱和損失。
那些本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在根據(jù)上述描述應(yīng)當(dāng)理解，可以依照各種 形式來實現(xiàn)本發(fā)明的廣闊教導(dǎo)。因此，雖然已經(jīng)結(jié)合其特定例子描述 了本發(fā)明，然而本發(fā)明的真正范圍不應(yīng)當(dāng)被這樣限制，這是因為當(dāng)學(xué) 習(xí)附圖、說明書和隨后的權(quán)利要求之后其它修改對技術(shù)人員來說是顯 而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于測量高速電動機(jī)的速度的方法，包括產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信號；根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置信號來確定轉(zhuǎn)子角度；根據(jù)所述轉(zhuǎn)子角度來計算原始的電動機(jī)速度；根據(jù)所述原始的電動機(jī)速度來有選擇地產(chǎn)生過濾的電動機(jī)速度；根據(jù)原始的電動機(jī)速度和過濾的電動機(jī)速度之一來計算轉(zhuǎn)子周期；并且根據(jù)所述轉(zhuǎn)子周期來計算移動平均值中的點數(shù)目。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括使所述移動平均值的窗 口大小適應(yīng)所述轉(zhuǎn)子周期。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括從原始的電動機(jī)速度中 移除波紋和所述波紋的諧波。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括從原始的電動機(jī)速度中 移除所述波紋的諧波。
5.—種用于測量高速電動才幾的速度的系統(tǒng)，包括 位置傳感器，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信號；信號處理模塊，用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置信號來確定轉(zhuǎn)子角度； 速度觀察器模塊，用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)子角度來計算原始的電動機(jī)速度；濾波器模塊，用于根據(jù)所述原始的電動機(jī)速度來有選擇地產(chǎn)生過 濾的電動才幾速度；頻率到周期的變換器模塊，用于根據(jù)原始的電動機(jī)速度和過濾的 電動機(jī)速度之一來計算轉(zhuǎn)子周期；和除法器模塊，用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)子周期來計算移動平均值中的點數(shù)目。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括移動平均濾波器模塊， 用于使移動平均濾波器的窗口大小適應(yīng)所述轉(zhuǎn)子周期。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括移動平均濾波器，用于 從所述原始的電動機(jī)速度中移除波紋。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述移動平均濾波器從所述原 始的電動機(jī)速度中移除所述波紋的諧波。
全文摘要
一種用于使用移動平均濾波器來測量高速電動機(jī)速度的系統(tǒng)。位置傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信號。信號處理模塊根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置信號來確定轉(zhuǎn)子角度。速度觀察器模塊根據(jù)所述轉(zhuǎn)子角度來計算原始的電動機(jī)速度。濾波器模塊根據(jù)原始的電動機(jī)速度來有選擇地產(chǎn)生過濾的電動機(jī)速度。頻率到周期的變換器模塊根據(jù)原始的電動機(jī)速度和過濾的電動機(jī)速度之一來計算轉(zhuǎn)子周期。除法器模塊根據(jù)所述轉(zhuǎn)子周期來計算移動平均值中的點數(shù)目。移動平均濾波器模塊使移動平均值的窗口大小適應(yīng)轉(zhuǎn)子周期。移動平均濾波器從所述原始的電動機(jī)速度中移除波紋和所述波紋的諧波。
文檔編號G01P5/00GK101292163SQ200680038909
公開日2008年10月22日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者B-H·畢 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司