用于電動致動器的電流控制的制作方法
【專利摘要】用于電動致動器的控制器包括參考模型，該參考模型響應位置命令信號而生成位置和速度參考信號，并且采用考慮電動致動器的動態(tài)負荷的前饋模型。前饋模型接收由參考模型所提供的位置和速度參考信號，以及作為響應而生成考慮電動致動器的機械特性的前饋信號。
【專利說明】用于電動致動器的電流控制
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電動致動器，以及具體來說，涉及用于電動致動器的控制器。
【背景技術】
[0002]致動器在多種應用中用于使閥門的開啟和閉合自動化。電動致動器依靠將電能轉換成機械能的電動機來開啟/閉合致動器。例如，永磁電動機常常用于諸如燃料閥致動器之類的應用的線性和旋轉致動器中。控制器接收表示致動器的預期位置的輸入，并且生成控制信號以調節(jié)電動機的操作以及因此實現(xiàn)預期結果。
[0003]例如，在一種現(xiàn)有技術方法中，控制器可利用位置環(huán)路、速度環(huán)路和轉矩環(huán)路來控制電動致動器的操作。位置環(huán)路監(jiān)測預期位置與被監(jiān)測位置之間的差異，并且作為響應而生成提供給速度環(huán)路的速度命令。作為響應，速度環(huán)路生成轉矩命令，轉矩命令被提供給轉矩環(huán)路，轉矩環(huán)路生成用于控制電動致動器的操作的命令指令。但是，這些控制系統(tǒng)沒有考慮諸如由電動致動器的機械方面所造成的那些變化之類的大負荷參數(shù)變化，例如由與電動致動器關聯(lián)的閥門的彈簧輔助閉合所引起的那些變化。

【發(fā)明內容】

[0004]用于電動致動器的控制器包括abc-dq變換塊、參考模型塊、位置速度控制塊、前饋塊、同步電流調節(jié)器塊、dq-abc變換塊以及脈寬調制(PWM)控制塊。該控制器接收表示提供給電動致動器的被監(jiān)測電流的多個輸入、表示電動致動器的被監(jiān)測位置的位置反饋信號以及表示電動致動器的被監(jiān)測速度的速度反饋信號。abc-dq變換塊將被監(jiān)測電流從abc靜止參考系轉換成dq旋轉參考系，以便生成q軸和d軸電流反饋信號。參考模型接收指示電動致動器的預期位置的位置命令信號，并且作為響應而生成位置參考信號和速度參考信號。位置速度控制塊將位置參考信號與位置反饋信號進行比較以及將速度參考信號與速度反饋信號進行比較，以便生成q軸電流參考信號。前饋塊基于由參考模型所提供的速度參考信號和位置參考信號來生成q軸電流前饋信號。同步電流調節(jié)器將q軸電流反饋信號與位置速度控制塊所提供的q軸參考信號進行比較，以便生成通過q軸電流前饋信號來修改的q軸電流誤差信號。同步電流調節(jié)器還將d軸電流反饋信號與d軸參考信號進行比較，以便生成d軸電流誤差信號。同步電流調節(jié)器基于經(jīng)修改的q軸電流誤差信號來生成q軸電壓參考信號以及基于d軸電流誤差信號來生成d軸電壓參考。dq-abc變換塊把來自dq參考系的q軸電壓參考信號和d軸電壓參考信號轉換成abc參考系中的電壓參考信號。脈寬調制(PWM)控制塊基于由dq-abc變換塊所提供的電壓參考信號來生成PWM信號，以提供給逆變器，逆變器將電流提供給電動致動器。
[0005]在另一個實施例中，電流調節(jié)器采用自適應增益塊來防止當被保持在特定位置時的電機中的振蕩。電流調節(jié)器包括多個輸入端、q軸電流調節(jié)器環(huán)路、d軸電流調節(jié)器環(huán)路、條件監(jiān)測塊、q軸自適應增益塊和d軸自適應增益塊。多個輸入端包括用于接收q軸和d軸參考電流信號以及q軸和d軸反饋電流信號的輸入端。q軸電流調節(jié)器環(huán)路將q軸參考電流信號與q軸反饋電流信號進行比較以生成q軸誤差信號，并且響應q軸誤差信號而采用比例-積分控制器來生成q軸電壓命令信號。d軸電流調節(jié)器環(huán)路將d軸參考電流信號與d軸反饋電流信號進行比較以生成d軸誤差信號，并且響應q軸誤差信號而采用比例-積分控制器來生成d軸電壓命令信號。條件監(jiān)測塊在電機保持在特定位置時生成使能信號，以及在電機沒有保持在特定位置時生成重置信號。q軸自適應增益塊響應使能信號而激活，以便基于q軸反饋信號中的所檢測振蕩來生成q軸自適應增益值，其中將q軸自適應增益值與提供給PI控制器的q軸誤差信號相結合，以便生成q軸電壓命令信號。d軸自適應增益塊響應使能信號而激活，以便基于d軸反饋信號中的所檢測振蕩來生成d軸自適應增益值，其中將d軸自適應增益值與提供給PI控制器的d軸誤差信號相結合，以便生成d軸電壓命令信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的致動器的控制系統(tǒng)的框圖。
[0007]圖2是按照本發(fā)明的一個實施例、由分解器處理塊所執(zhí)行的功能的框圖。
[0008]圖3是按照本發(fā)明的一個實施例、由模型參考和前饋塊所執(zhí)行的功能的框圖。
[0009]圖4是按照本發(fā)明的一個實施例、由位置/速度控制塊所執(zhí)行的功能的框圖。
[0010]圖5是按照本發(fā)明的一個實施例、具有自適應增益的同步電流調節(jié)器的框圖。
[0011]圖6是示出按照本發(fā)明的一個實施例的積分器控制信號的生成的流程圖。
【具體實施方式】
[0012]圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的電動致動器12的控制系統(tǒng)10的框圖?？刂葡到y(tǒng)10包括逆變器14、永磁電動機16、分解器18、齒輪傳動20、閥門21和控制器22。在圖1所示的實施例中，控制器22包括分解器處理塊24、ABC-dq變換塊26、參考模型28、位置速度控制塊30、前饋塊32、場減弱塊34、同步電流調節(jié)器36、dq-ABC變換塊38、正弦三角PWM控制器塊40、過電流保護塊42和柵極驅動塊44。
[0013]逆變器14將直流(DC)電壓轉換成交流(AC)電壓以提供給PM電動機16。逆變器14包括多個固態(tài)開關Q1-Q6，固態(tài)開關Q1-Q6由柵極驅動塊44所提供的柵極驅動信號有選擇地來控制，以便生成具有預期頻率和相位的AC電流。在這個實施例中，控制器22監(jiān)測提供給PM電動機16的電流，但是在其它實施例中，可監(jiān)測和調節(jié)電壓而不是電流。響應所提供的AC電流，PM電動機16生成經(jīng)由齒輪傳動20提供給致動器12的機械動力。在圖1所示的實施例中，閥門21在開啟位置(即，90度)與閉合位置(即，O度)之間平移，并且包括回位彈簧，回位彈簧提供在將閥門21平移到開啟位置中必須克服的力以及提供幫助將閥門21平移到閉合位置的力。
[0014]控制器22響應外部命令信號pos_cmd而控制致動器12的位置。具體來說，控制器22起作用以調節(jié)提供給PM電動機16的電流，以便控制致動器12開啟/閉合到所命令位置?？刂破?2可由微處理器、數(shù)字信號處理器和/或多個分立裝置來實現(xiàn)，以便實現(xiàn)針對圖1所示的功能性?？刂破?2還包括用于監(jiān)測提供給PM電動機16的電流(例如ia、ib和ic)的多個輸入以及與致動器12的位置和速度相關的分解器信號。
[0015]具體來說，控制器22配置成改進致動器12的動態(tài)響應，以及在將致動器12保持在預期位置時改進致動器12的操作。在圖1所示的實施例中，控制器22采用前饋塊32結合參考模型28所提供的輸入來改進致動器12的動態(tài)響應。另外，在將致動器12保持在穩(wěn)定位置時，同步電流調節(jié)器36采用基于d和q軸反饋信號中的所檢測振蕩的自適應增益來使致動器12中的機械振蕩為最小。
[0016]在圖1所示的實施例中，分解器處理器塊24監(jiān)測由分解器18所提供的正弦和余弦信號。作為響應，分解器處理塊24生成電角位值Θ、位置反饋信號pos_fdbk和速度反饋信號spd_fdbk。在針對圖3更詳細描述的一個實施例中，分解器處理塊24利用鎖相環(huán)和同步取樣算法來生成預期反饋信號。在其它實施例中，可利用檢測PM電動機16的位置和速度的其它眾所周知的部件。
[0017]控制器22利用場定向控制(FOC)算法，F(xiàn)OC算法將被監(jiān)測電流ia、ib和ic從abc參考系轉換成dq參考系。在圖1所不的實施例中，abc-dq變換塊26部分基于由分解器處理塊24所提供的被監(jiān)測電角位Θ分別將被監(jiān)測電流ia、ib和ic轉換成直軸和正交軸分量id_fdbk和iq_fdbk。由abc_dq變換塊26所提供的輸出信號id_fdbk和iq_fdbk表示提供給PM電動機16的電流。如下面更詳細描述，將反饋信號id_fdbk和iq_fdbk與所命令信號(即，參考信號id_ref和iq_ref)進行比較，作為控制逆變器14的操作的反饋環(huán)路的一部分。
[0018]參考模型28基于從外部源所接收的位置命令信號p0S_cmd來生成位置參考信號pos_ref和速度參考信號spd_ref。參考模型28通過設置在位置參考信號pos_ref和速度參考信號spd_ref中反映的速率和加速度極限，來定義與可多快開啟或閉合閥門21有關的限制。位置速度控制塊30將位置參考信號p0S_ref和速度參考信號spcLref (它們表示電動機的預期位置和速度)分別與位置反饋信號pos_fdbk和速度反饋信號spd_fdbk進行比較，以便生成q軸參考電流命令iq_ref。位置控制器30計算位置誤差信號(未示出)，并且將該誤差提供給比例-積分(PD控制器。另外，位置控制器30包括具有非線性增益的速度控制器，該速度控制器用于特別是在彈簧輔助模式期間提供對電動機轉矩擾動的近似最佳瞬態(tài)響應。場減弱塊34基于被監(jiān)測速度反饋信號spd_fdbk來生成d軸參考電流命令id_ref。在一些實施例中，可以不需要場減弱，并且可省略場減弱塊34。
[0019]前饋塊32基于位置參考信號pos_ref和速度參考信號spd_ref來生成q軸前饋電流信號iq_feed和q軸前饋電壓信號vq_feed。前饋信號iq_feed和vq_feed補償致動器的機械特性，包括由彈簧(未示出)所提供的機械貢獻/減損、閥門的特性以及永磁電動機的電壓常數(shù)。這樣，前饋信號iq_feed和vq_feed改進運動控制系統(tǒng)10的動態(tài)性能。
[0020]q軸和d軸參考信號iq_ref和id_ref連同q軸和d軸前饋信號iq_feed和id_feed 一起提供給同步電流調節(jié)器36以供與q軸和d軸反饋信號iq_fdbk和id_fdbk進行比較。響應所提供輸入，同步電流調節(jié)器36生成q軸電壓參考vq_ref和d軸電壓參考vd_ref ο dq_abc變換塊38將q軸和d軸電壓參考vq_ref和vd_ref從dq參考系轉換成abc參考系(例如va_ref、vb_ref和vc_ref)。正弦三角PWM控制擊穿保護塊40將abc參考電壓va_ref、vb_ref和vc_ref轉換成脈寬調制(PWM)信號。柵極驅動塊44生成提供給逆變器14中包含的多個固態(tài)裝置Q1-Q6的每個的柵極驅動信號，以便將DC輸入轉換成預期AC輸出。在圖1所示的實施例中，過電流保護塊42監(jiān)測電流ia、ib和ic，以及作為響應而生成提供給柵極驅動塊44的過電流信號。[0021]圖2是按照本發(fā)明的一個實施例、由分解器處理塊24所執(zhí)行的功能的框圖。分解器處理塊24從分解器18 (圖1所示)接收余弦信號reS_C0S和正弦信號res_sin，以及作為響應而生成位置反饋信號pos_fdbk、速度反饋信號spd_fdbk和電角位Θ。圖2所示的功能實現(xiàn)鎖相環(huán)算法，其中由相位/頻率處理器16所提供的相位Θ采用被監(jiān)測輸入的各樣本來更新。分解器處理塊24可在控制器22中實現(xiàn)，或者可作為分解器18的一部分獨立于控制器22來實現(xiàn)。在后一個實施例中，分解器18將在內部處理正弦和余弦信號，并且為控制器22提供電角位信號Θ、速度反饋信號spd_fdbk和位置反饋信號pos_fdbk。
[0022]在圖2所示的實施例中，由分解器18(圖1所示)所提供的被監(jiān)測正弦和余弦信號分別由同步取樣塊50和52在激勵信號的峰值來取樣。這些取樣值被解釋為α β參考系，表示為電壓信號valpha和vbeta。乘法器塊54將信號valpha與表示最近相位估計的鎖相環(huán)角PLL_angle的正弦相乘。同樣，乘法器塊56將信號vbeta與鎖相環(huán)角PLL_angle的余弦相乘。乘法器塊54和56的輸出由差值塊58來比較，以便計算信號之間的差或誤差pll_error,這表示當前相位估計與分解器18所指示的相位之間的差。在圖2所示的實施例中，計算當前相位估計與分解器反饋的相位之間的誤差中執(zhí)行的功能能夠通過下式以數(shù)學方式來表不:
【權利要求】
1.一種用于電動致動器的控制器，所述控制器包括: 多個輸入端，用于接收表示提供給所述電動致動器的監(jiān)測電流的信號，用于接收表示所述電動致動器的被監(jiān)測位置的位置反饋信號，以及用于接收表示所述電動致動器的被監(jiān)測速度的速度反饋信號； abc-dq變換塊,將被監(jiān)測電流從abc參考系轉換成dq參考系，以便生成q軸和d軸電流反饋信號的每個； 參考模型，用于接收指示所述電動致動器的預期位置的位置命令信號，并且響應所述位置命令信號的接收而生成位置參考信號和速度參考信號； 位置速度控制塊，將所述位置參考信號與所述位置反饋信號進行比較，以及將所述速度參考信號與所述速度反饋信號進行比較，以便生成q軸電流參考信號； 前饋塊，基于所述速度參考信號和所述位置參考信號來生成q軸電流前饋信號； 同步電流調節(jié)器，將所述q軸電流反饋信號與所述q軸參考信號進行比較，以便生成q軸電流誤差信號，其中所述q軸電流誤差信號通過所述q軸電流前饋信號來修改，以及響應所述q軸誤差信號而生成q軸電壓參考信號和d軸電壓參考信號； dq-abc變換塊，把來自所述dq參考系的所述q軸電壓參考信號和所述d軸電壓參考信號轉換成所述abc參考系中的電壓參考信號；以及 脈寬調制(PWM)控制塊，基于由所述dq-abc變換塊所提供的所述電壓參考信號來生成PWM信號，以提供給逆變器，所述逆變器將電流提供給所述電動致動器。
2.如權利要求1所述的控制器，其中，所述前饋塊包括應用于所述速度參考信號以考慮所述電動致動器的機械粘性的粘性函數(shù)以及應用于所述位置參考以考慮所述電動致動器的機械彈簧力的彈簧函數(shù)，其中將所述粘性函數(shù)的輸出與所述彈簧函數(shù)的輸出相加，以便生成所述q軸電流前饋信號。
3.如權利要求1所述的控制器，其中，所述前饋塊包括反電磁力(BEMF)函數(shù)，所述反電磁力函數(shù)應用于所述速度參考信號以考慮所述電動致動器所生成的BEMF力的影響，其中所述BEMF函數(shù)的輸出是q軸電壓前饋信號。
4.如權利要求3所述的控制器，其中，所述同步電流調節(jié)器包括比例-積分(PI)控制器，所述比例-積分控制器響應于與在生成所述q軸電壓參考信號中所述前饋塊所提供的所述q軸電壓前饋信號相結合的所述q軸電流誤差信號而生成輸出。
5.如權利要求1所述的控制器，其中，所述同步電流調節(jié)器包括q軸自適應增益塊，所述q軸自適應增益塊監(jiān)測所述位置誤差信號和所述速度反饋信號，以便確定所述電動致動器保持到位的時間，以及響應所述電動致動器保持到位而使能對所監(jiān)測的q軸反饋信號中檢測到的振蕩求積分的積分器，其中所述積分器的輸出與所述q軸電流誤差信號相結合。
6.如權利要求1所述的控制器，其中，所述同步電流調節(jié)器將d軸電流反饋信號與所述位置速度控制塊所提供的d軸參考信號進行比較，以便生成d軸電流誤差信號，并且包括(PD控制器，所述控制器響應所述d軸電流誤差信號而生成d軸電壓參考信號。
7.如權利要求6所述的控制器，其中，所述同步電流調節(jié)器包括d軸自適應增益塊，所述d軸自適應增益塊監(jiān)測所述位置誤差信號和所述速度反饋信號，以便確定所述電動致動器保持到位的時間，以及響應所述電動致動器保持到位而使能對所監(jiān)測的d軸反饋信號中檢測到的振蕩求積分的積分器，其中所述積分器的輸出與所述d軸電流誤差信號相結合。
8.一種調節(jié)電動致動器的位置和速度的方法，所述方法包括: 監(jiān)測提供給所述電動致動器的電流； 監(jiān)測所述電動致動器的位置和速度； 將所監(jiān)測的電流從abc參考系轉換成dq參考系，以便生成q軸和d軸電流反饋信號； 基于從外部源所接收的位置命令而生成位置參考信號和速度參考信號； 將所述位置參考信號與所述位置反饋信號進行比較，并且將所述速度參考信號與所述速度反饋信號進行比較，以便生成q軸電流參考信號； 基于所述速度參考信號和所述位置參考信號來生成q軸電流前饋信號； 將所述q軸電流反饋信號與所述q軸參考信號進行比較，以便生成q軸電流誤差信號，并且將所述q軸電流前饋信號加入所述q軸電流誤差信號； 將所述d軸電流反饋信號與所述d軸電流參考信號進行比較，以便生成d軸電流誤差信號; 基于所述q軸電流誤差信號來生成將使所述q軸電流誤差信號為最小的q軸電壓參考信號，并且基于所述d軸電流誤差信號來生成使所述d軸電流誤差信號為最小的d軸電壓參考信號； 把來自所述dq參考系的所述q軸電壓參考信號和所述d軸電壓參考信號轉換成所述abc參考系中的電壓參考信號；以及 基于由所述dq-abc變換塊所提供的所述電壓參考信號來生成脈寬調制(PWM)信號，以提供給逆變器，所述逆變器將.電流提供給所述電動致動器。
9.如權利要求8所述的方法，其中，生成所述q軸電流前饋信號包括: 將粘性函數(shù)應用于所述速度參考信號，以便考慮所述電動致動器的機械粘性； 將彈簧函數(shù)應用于所述位置參考，以便考慮所述電動致動器的機械彈簧力；以及 將所述粘性函數(shù)的輸出與所述彈簧函數(shù)的輸出相結合，以便生成所述q軸電流前饋信號。
10.如權利要求8所述的方法，還包括: 通過將反電磁力(BEMF)函數(shù)應用于所述速度參考信號以考慮所述電動致動器所生成的BEMF力的影響，來生成q軸電壓前饋信號。
11.如權利要求8所述的方法，還包括: 檢測所述電動致動器到達保持位置的時間； 檢測所監(jiān)測的q軸反饋信號中的振蕩； 響應所述電動致動器到達所述保持位置而基于所監(jiān)測的q軸反饋信號中檢測到的振蕩來生成q軸自適應增益信號；以及 將所述q軸自適應增益信號應用于所述q軸誤差信號。
12.如權利要求11所述的方法，還包括: 檢測所監(jiān)測的d軸反饋信號中的振蕩； 響應所述電動致動器到達所述保持位置而基于所監(jiān)測的q軸反饋信號中檢測到的振蕩來生成d軸自適應增益信號；以及 將所述d軸自適應增益信號應用于所述d軸誤差信號。
13.一種用于控制電機的電流調節(jié)器，所述電流調節(jié)器包括:輸入端，用于接收q軸和d軸參考電流信號以及q軸和d軸反饋電流信號；q軸電流調節(jié)器環(huán)路，將所述q軸參考電流信號與所述q軸反饋電流信號進行比較，以便生成q軸誤差信號，并且包括比例-積分控制器，所述比例-積分控制器響應所述q軸誤差信號而生成q軸電壓命令信號； d軸電流調節(jié)器環(huán)路，將所述d軸參考電流信號與所述d軸反饋電流信號進行比較，以便生成d軸誤差信號，并且包括比例-積分控制器，所述比例-積分控制器響應所述q軸誤差信號而生成d軸電壓命令信號； 條件監(jiān)測塊，當所述電機保持在特定位置時生成使能信號，以及當所述電機沒有保持在特定位置時生成重置信號； q軸自適應增益塊，響應所述使能信號而激活，以便基于所述q軸反饋信號中的檢測到的振蕩來生成q軸自適應增益值，其中將所述q軸自適應增益值與提供給所述PI控制器的所述q軸誤差信號相結合，以便生成所述q軸電壓命令信號；以及 d軸自適應增益塊，響應所述使能信號而激活，以便基于所述d軸反饋信號中的檢測到的振蕩來生成d軸自適應增益值，其中將所述d軸自適應增益值與提供給所述PI控制器的所述d軸誤差信號相結合，以便生成所述d軸電壓命令信號。
14.如權利要求13所述的電流調節(jié)器，其中，所述條件監(jiān)測塊監(jiān)測表示所述電機的預期位置與所述電機的被監(jiān)測位置之間的差的位置誤差信號以及表示所述電機的被監(jiān)測速度的速度反饋信號，以便確定所述電機是否保持在預期位置。
15.如權利要求14所述的電流調節(jié)器，其中，所述條件監(jiān)測塊將所述位置誤差信號與第一閾值進行比較并且將所述速度反饋信號與第二閾值進行比較，以及如果所述位置誤差信號和所述速度反饋均小于相應閾值，則所述條件監(jiān)測塊生成所述使能信號。
16.如權利要求13所述的電流調節(jié)器，其中，所述q軸自適應增益塊檢測特定頻率范圍內的所述q軸電流反饋信號 中的振蕩，以及在使能時對檢測到的振蕩求積分，并且將所積分的輸出與所述q軸誤差信號相乘，以便生成所述q軸自適應增益值。
17.如權利要求13所述的電流調節(jié)器，其中，所述d軸自適應增益塊檢測特定頻率范圍內的所述d軸電流反饋信號中的振蕩，以及在使能時對檢測到的振蕩求積分，并且將所積分的輸出與所述d軸誤差信號相乘，以便生成所述d軸自適應增益值。
【文檔編號】H02P21/14GK103427750SQ201310179118
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權日:2012年5月18日
【發(fā)明者】G.I.羅斯曼, M.L.維爾海德, J.F.吉拉斯 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司