CN102986132B - 电流传感器误差补偿 - Google Patents

Abstract

一种用于电动机的控制系统包括：被配置为产生指示电动机中的电流的电流感测输出的电流感测装置；被配置为接收电流感测输出并输出指示向电动机施加的电压的电压要求的电流控制装置；和被配置为监视电压要求以测量电流感测输出中的畸变并产生被配置为校正畸变的校正信号的电流感测校正装置。

Description

电流传感器误差补偿

技术领域

本发明涉及电动机的控制，特别是涉及电动机中的电流的测量和基于电流测量的电动机的控制。

背景技术

用于电气致动器的闭环电流控制器一般采取图1所示的形式，在该形式中，通过使用矢量控制，向电动机的各相位绕组施加电压并且测量得到产生的电流。测量的电流然后被一般为PI的控制器使用，以控制为请求的目标电流。也需要给予电动机的电气位置的信号，使得可在正确的时间在正确的相位上施加电压。在图1的系统中，示出位置传感器，但是，本发明同样适用于从其它的传感器测量估计位置信号的没有位置传感器的系统。

由于电流传感器的不准确和限制，测量过程可将不存在于被测量的电流中的谐波引入电流传感器的输出信号中。电流控制器然后对于传感器输出中的这些谐波起反应以尝试去除它们，但是，通过从电流传感器给予平滑的输出的电流控制器去除它们导致实际的电流包含这些谐波。

根据这些不希望的谐波的频率和振幅，由电动机产生的扭矩可劣化，使得谐波可能导致扭矩波纹和/或声学噪声。

电流测量

一般使用两种相位电流测量方法。

1.相位电流传感器，其中，在相位中的每一个中放置电流测量装置。（对于三相位系统，由于可从2个测量的相位计算第3相位，因此，可以只测量2个相位）

2.单个电流传感器，其中，在PWM占空循环中的特定点上测量在DC链接中流动的电流，以允许计算3个相位中的电流。

根据使用的相位电流测量方法，引入的谐波将是不同的。本发明适用于由测量不准确引入的任何谐波。

电流测量误差的影响

从标准控制理论，畸变对于任何闭环系统中的反馈测量信号的影响是公知的。以下对于电动机电流控制器的情况明确描述该影响。

如图2所示，电流测量上的畸变表现为电流反馈路径上的未知的扰动。扰动将对于来自传感器的‘测量电流’信号添加谐波。如果这些扰动谐波落入电流控制器的带宽内，那么，为了消除它们，电流控制器将用于通过调制控制（电压要求）拒绝它们。即使在测量的相位电流信号中不再存在谐波，该调制也将导致谐波出现于实际的相位电流上。这将在电动机输出轴上导致不希望的扭矩波纹。

发明内容

本发明提供一种用于电动机的控制系统，该系统包括：被配置为产生指示电动机中的电流的电流感测输出的电流感测装置；被配置为接收电流感测输出并输出指示向电动机施加的电压的电压要求的电流控制装置；和电流感测校正装置。校正装置可被配置为监视电压要求。校正装置可被配置为通过任何适当的装置测量电流感测输出中的畸变，并例如通过产生校正信号校正畸变。校正信号可被配置为校正电流感测输出。

畸变可以是可以是电动机速度的一个或更多个谐波并因此可随电动机速度改变的一个或更多个特定的频率，或者可以是与电动机速度无关的固定频率。

电动机可具有静止绕组和关于绕组旋转的转子的电动机。电流感测装置可包含被配置为测量电动机绕组中的电流的电流传感器。电流可被测量为绕组的参照系中的两个分量。电流感测装置可包含被配置为将测量的电流变换成例如作为扭矩产生和非扭矩产生分量的转子的参照系的变换装置。

电流控制装置可被配置为输出电压要求，以限定可以是绕组的参照系并被定义为例如α和β分量的静止的参照系中或可以为转子的参照系并被定义为例如D和Q轴分量的旋转参照系中的要求电压。

校正装置可被配置为识别具有等于可以是谐波畸变的畸变的频率的要求的电压的分量，并测量该分量的大小和相位以测量谐波畸变。

校正装置可被配置为例如通过使用频率变换，变换要求的电压使得识别的分量变为DC分量，并测量DC分量的大小。校正装置可被配置为产生校正信号，以减少识别的分量。

校正装置可被配置为组合校正信号与电流感测输出，以产生校正的电流感测输出。作为替代方案，电流感测装置可包含电流传感器，并且，校正装置可被配置为向电流传感器输入校正信号以调整电流传感器的参数。

控制系统可被配置为校正畸变的多个分量。例如，畸变的分量可以是具有不同的频率和/或不同的符号的谐波。

附图说明

现在参照附图仅作为例子描述本发明的优选实施例。

图1是用于电动机的已知的闭环电流控制系统的框图；

图2是表示电流测量误差如何影响图1的系统的示图；

图3是根据本发明的实施例的用于电动机的闭环电流控制系统的示图；

图4是图3的系统的同步滤波器形成部分的示图；

图5是与图4类似但具有另一滤波器部件的滤波器配置的示图；

图6是被配置为校正D和Q轴电流测量的图3的系统的一部分的示图；

图7是被配置为直接校正电流传感器的操作的另一实施例的系统的一部分的示图。

图8是根据本发明的另一实施例的控制系统的示图。

具体实施方式

参照图3，由根据本发明的实施例的包含电流感测系统12和电流控制器20的闭环电动机电流控制系统控制电动机10。电流感测系统12包含被配置为测量电动机中的三个相位中的电流i_U、i_V、i_w的电流传感器14，该电动机包含三个绕组，并且输出指示具有α分量和β分量的静止坐标中的电流矢量的信号。电流感测系统还包含坐标变换块16，该坐标变换块16被配置为将电流矢量从静止基准形式中的α分量和β分量转换成限定相对于固定绕组旋转的转子参照系中的电流矢量的D分量i_D和Q分量i_Q，使得Q轴电流为扭矩产生分量并且D轴电流不产生扭矩。比较器18从电流感测系统12接收D电流和Q电流，并且将它们与要求的D电流分量和Q电流分量比较，以产生误差。电流控制器20接收电流误差，并且输出要求的电压矢量，该电压矢量为被计算为减小电流误差使得测量的电流矢量接近要求的电流矢量的D轴和Q轴电压要求V_DQ的形式。另一变换块22从电流控制器接收电压要求，将其转换成被输入到PWM驱动器24中的α和β分量V_αβ，该PWM驱动器24被配置为控制大量的开关，以以在具有与电压要求矢量对应的大小和方向的绕组中产生净电压的PWM模式向电动机的相位绕组施加电压。

本系统中的电流传感器14如上面描述的那样产生谐波干涉。在输入到控制器20的电流误差信号中观察不到电流测量误差。但是，如果扰动谐波落入电流控制器20的带宽内，那么将可在从电流控制器20输出的控制器（电压要求）信号上观察到它。

控制系统因此被配置为提供谐波补偿功能。为了实现这一点，它被配置为监视电压要求，在这种情况下，通过监视V_DQ，以测量谐波干涉，并且向从电流传感器14输出的电流测量信号施加校正，使得测量误差被去除。控制系统被配置为执行的补偿过程可分成三个步骤：

1．隔离－监视由电流控制器20要求的电压并且隔离不希望的频率。

2.控制－产生被配置为将不希望的谐波减小到零的控制（消除）信号。

3.校正－向闭环中的电流测量系统施加控制（取消）信号。

隔离

虽然可以使用诸如运行时间快速傅立叶变换或陷波滤波器的大量的技术以隔离不希望的谐波，但是，在本实施例中使用的方法要使用被配置为将控制电压要求变换成隔离频率参照系的同步滤波器。这允许简单地隔离在这种情况下被假定为已知频率的单个谐波的不希望的谐波。

图4表示作为输入接收电流控制器输出电压要求V_DQ、电动机电气位置θ和要被隔离的谐波k（相对于电动机电气频率）的同步滤波器40的一个实现。注意，根据目标谐波是正次序分量还是负次序分量（即，它是沿与转子相同的方向行进还是沿相反的方向行进），k可以为正或负。

由滤波器40执行的变换被定义为：

$y\left(t\right)=e^{\mathrm{j\π\θ}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{k\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{k\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{k\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{k\θ}\right)\end{array}\right]u\left(t\right)$

这里，u（t）是对于滤波器40的输入，y（t）是输出，θ是电动机的电气位置。

由同步滤波器40输出的变换的信号将包含DC分量和AC分量。DC分量是目标谐波的正交分量。AC分量由原信号中的所有其它谐波导致。如果DC分量为零，那么在电流控制器输出电压中不存在隔离频率。如图5所示，如果必要的话，可在同步滤波器40的输出上的控制路径上添加滤波器50，以帮助衰减不希望的AC分量，使得可很容易隔离DC分量。

虽然关于与电动机电气频率相关的谐波的去除描述了本技术，但是，它可被用于去除固定频率畸变。在这种情况下，在固定频率上产生并且不从电动机电气位置导出角度输入。

控制

如参照图4和图5描述的那样，同步滤波器40产生DC分量是不希望的谐波的大小的信号。如果DC分量为零，那么不存在谐波。

因此，该过程的控制步骤的目的是，产生可反馈到电流感测系统中的校正信号，以将同步滤波器输出的DC分量减小到零。可以使用大量的控制器以执行该步骤，但是，优选的方案是标准PID形式的控制器。

校正

重新参照图3，一旦计算了要求的控制作用，就必须向电流感测系统施加校正作用。可以以大量的方式实现这一点，这些方式包括：

1.以不希望的谐波的反相位向电流测量即向电流传感器输出施加正弦校正，以消除谐波。

2.直接修改电流测量（例如，补偿增益或偏移测量误差）。

方案1适于大多数或者所有的情况，并且具有固地为呈现线性的优点。当在隔离的谐波信号与被修改的参数（例如，信号的增益或偏移）之间存在单调（并优选线性）关系时，方案2是最合适的。但是，存在许多不是这种情况的情况，在这种情况，可优选方案1。

谐波消除

在许多情况下，优选的方案是通过以不希望的谐波的反相位向电流测量信号添加校正信号消除谐波。图6表示实现这一点的方案。这包括与图5类似的具有滤波其输出的滤波器61的同步滤波器60。控制器62在通过滤波器61滤波之后从同步滤波器60接收输出，并且计算将同步滤波器输出的DC分量减小为零所需要的DC校正i_con。变换块63执行由同步滤波器执行的变换的逆变换，以将该DC校正变换成等于不希望的谐波的正弦校正信号i_corr。加法器66将正弦校正信号加到由包括与图3类似的电流传感器64和坐标变换块65的电流感测系统输出的DQ轴电流测量上。因此，该校正信号具有校正振幅和相位以消除测量误差。

直接补偿

参照图7，在根据本发明的另一实施例的系统中，具有输出滤波器71的同步滤波器70与图6对应。但是，接收来自同步滤波器70的滤波输出的控制器72被配置为从目标谐波的测量的大小计算直接输入到电流传感器74的控制输出i_con，以控制电流传感器74的参数（诸如增益或偏移），使得通过坐标变换块75变换成DQ轴电流的电流传感器的输出将去除不希望的谐波。

校正算法的调度

以上描述的技术的限制在于，不能在低的电动机速度下很容易地隔离DC分量（并且，在零速度上不可能隔离）。作为结果，应限制算法可操作的最小电气频率。类似地，如果算法的采样率不够高，那么算法可能必须具有上限操作速度，以避免混淆问题。

为了使得算法的启用和禁用中的扭矩扰动最小化，可以在操作速度限制上使用滞后，并且/或者，可以在某时间周期（或大量的电气循环）上线性斜坡开关控制操作。

当算法被禁用时，大量的选项是可用的，并且，控制系统可被配置为完成以下过程中的任一个或更多个：

1.在最后的计算值上固定控制操作（对于谐波补偿算法，位置的变化仍将继续，以在需要的谐波频率上产生校正操作）。

2.切换到替代性的谐波补偿算法。

3.完全禁用谐波补偿。

同时补偿多于一个的谐波

电流测量误差一般导致几个谐波频率上的畸变。该算法可通过并行组合多个谐波补偿算法同时消除几个频率。这是由于谐波补偿控制器在不同的频率上完全独立地操作。参照图8，根据本发明的另一实施例的电动机控制系统包含与图3相同的部件，使得由相同的附图标记表示的相应的部件加100。在本实施例中，完整的谐波补偿算法包含均并行操作的三个子算法130、132、134。这些子算法中的每一个可与图6或图7对应，并且，每个被配置为隔离并校正不同的谐波频率。可以理解，补偿子算法被配置为校正的谐波的数量、次数和符号依赖于电流感测系统的性质和它产生的谐波畸变。例如，在一些情况下，可存在被配置为校正两个谐波的两个子算法。它们可具有相同的次数和不同的符号、具有不同的次数和相同的符号或者具有不同的次序和不同的符号。在一些情况下，可存在图8所示的三个子算法。在这种情况下，三个谐波可由两个相同次数和相反符号和一个不同次数（和符号）或三个不同次数和全正、全负、两负一正或两正一负构成。

虽然在以上描述的实施例中在D、Q轴参照系中监视电压要求并且在D和Q轴电流测量信号上实施校正的谐波补偿版本，但是，在静止α和β参照系中即在变换块22的输出上实施电压要求监视，并且对于α和β参照系中即被传感器14输出时且被输入到变换块16之前的电流传感器输出施加谐波补偿是同样可能的。

Claims (10)

1.一种用于电动机的控制系统，该系统包括：被配置为产生指示所述电动机中的电流的电流感测输出的电流感测装置；被配置为接收所述电流感测输出并输出指示向所述电动机施加的电压的电压要求的电流控制装置；和被配置为监视所述电压要求以测量所述电流感测输出中的畸变并产生被配置为校正所述畸变的校正信号的电流感测校正装置。

2.根据权利要求1的控制系统，用于具有静止绕组和关于所述绕组旋转的转子的电动机，其中，所述电流感测装置包含被配置为测量所述电动机绕组中的电流的电流传感器和被配置为将测量的电流变换成所述转子的参照系的变换装置。

3.根据权利要求1的控制系统，其中，所述电流控制装置被配置为输出所述电压要求以限定旋转的参照系中的要求的电压。

4.根据权利要求3的控制系统，其中，所述校正装置被配置为识别具有等于所述畸变的频率的所述要求电压的分量，并测量该分量的大小以测量谐波畸变。

5.根据权利要求4的控制系统，其中，所述校正装置被配置为变换所述要求电压使得识别的分量变为DC分量，并测量所述DC分量的大小。

6.根据权利要求4的控制系统，其中，所述校正装置被配置为产生所述校正信号，以减少所述识别的分量。

7.根据权利要求1的控制系统，其中，所述校正装置被配置为组合所述校正信号与所述电流感测输出，以产生校正的电流感测输出。

8.根据权利要求1的控制系统，其中，所述电流感测装置包含电流传感器，并且，所述校正装置被配置为向所述电流传感器输入所述校正信号以调整所述电流传感器的参数。

9.根据前面的权利要求中任一项的控制系统，该控制系统被配置为校正畸变的多个分量。

10.根据权利要求9的控制系统，其中，畸变的所述分量是具有不同的频率和至少一个不同的符号的谐波。