CN105048921B - 相电流测量诊断 - Google Patents

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Abstract

提供一种控制动力转向系统的电机的方法。该方法基于从电机接收的电流测量信号产生直轴电压命令和交轴电压命令。该方法将直轴电压命令和交轴电压命令变换为α电压命令和β电压命令。该方法基于α电压命令和β电压命令确定相电流测量结果中的偏移误差。

Description

相电流测量诊断
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2014年4月11日提交的US临时专利申请序列号61/978311的优先权，其全部内容通过引用被并入本文。
背景技术
相电流测量是以转矩控制模式操作的多相(例如三相)电机控制系统中测量方案的一部分，转矩控制模式利用电流控制反馈环中的电流测量信号。诸如永磁同步电机(PMSM)之类的多相电机的传统控制系统典型地利用派克变换或类似的数学变换以将交流(AC)坐标系(定子参考坐标系)中的所测量的相电流转换为直流(DC)坐标系(转子参考坐标系，或直-交(d-q)参考坐标系)，从而简化控制系统。
在d-q参考坐标系中操作的闭环电流控制系统调整电机电压命令，以使得产生的电机电流测量结果与参考电机电流命令匹配。然而，如果电机电流的测量结果不正确，例如由于在相电流测量结果中大的偏移误差而造成，则由调整后的电机电压产生的实际电机电流将会不正确。因此，这将导致在电机轴上产生大的电机位置相关转矩波动。大转矩波动可能在与电机转矩命令的方向相反的方向上产生电机转矩，并且将难以使电机从特定的电机位置进行移动。这种反向转矩可能导致对系统目标的违背或错误的管理要求。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种控制动力转向系统的电机的方法。该方法基于从所述电机接收的电流测量信号产生直轴电压命令和交轴电压命令。该方法将所述直轴电压命令和所述交轴电压命令变换为α电压命令和β电压命令。该方法基于所述α电压命令和β电压命令确定相电流测量结果中的偏移误差。
在本发明的另一实施例中，提供一种电机控制系统。该电机控制系统包括：电机；电机电流传感器，用于测量来自所述电机的电机电流；和转矩控制模块。该电机控制模块被配置为：基于从所述电机接收的电流测量信号产生直轴电压命令和交轴电压命令；将所述直轴电压命令和所述交轴电压命令变换为α电压命令和β电压命令；以及基于所述α电压命令和β电压命令确定相电流测量结果中的偏移误差。
根据接下来结合附图做出的描述，这些和其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
被视为本发明的主题在说明书结尾的权利要求中被具体地指出并且被明确地声明。根据结合附图一起做出的接下来的详细描述，本发明的上述以及其他特征和优点将是明显的，其中：
图1是根据示例性实施例的电机控制系统的示例性示意图；
图2描绘图示根据示例性实施例的所测量的电流的曲线图；
图3描绘图示根据示例性实施例的电压命令的曲线图；
图4描绘根据示例性实施例的相电流测量诊断模块的示意图；
图5描绘图示根据示例性实施例的Δ(delta)电压命令的曲线图；
图6是图示根据示例性实施例的用于控制电机的控制方法的流程图；以及
图7是图示根据示例性实施例的用于控制电机的控制方法的流程图。
具体实施方式
用于检测相电流测量结果中的偏移误差的一些系统可以采用硬件技术，例如使用冗余电流-感测放大器。然而，这些硬件技术增加了成本、复杂性和封装权衡。例如，使用冗余放大器来测量电机的相电流会增加成本。
当在电流测量结果中存在偏移误差时，典型地，电流调节器确保参考电流和所测量的电流相等，但实际的电机电流电机电流将是不正确的。不正确的相电流测量结果的效果或结果可以在来自电流控制环的直-交(d-q)轴电机电压命令中可观察到，但是产生的电压命令表现得像在不是由不正确的电流测量结果导致的许多其他情况下产生的电压命令表现得一样。这导致诊断的稳健性差(即误动作)。发生误动作的条件包括：当系统具有整体系统稳定性问题时、当进行难以规避的机动时、当车辆在非常不平坦道路上行驶时等。
本发明的实施例提供了用于检测相电流测量结果中的偏移误差的方法和系统。具体地，该方法和系统执行电机电压命令到定子参考坐标系的坐标变换，并且使用变换后的电机电压命令来检测相电流测量结果中的偏移误差。相电流测量结果中的偏移误差引起变换为定子参考坐标系的电机电压命令中的偏移误差(即偏差或差异)，同时误动作引起条件(诸如稳定性问题、难以规避的机动和在不平坦道路上行驶)不会引起电机电压命令中的偏移误差。这允许将真实相电流传感器不运行与不涉及传感器运行的其他系统行为区分开。
图1描绘了根据本发明一些实施例的利用电流控制反馈环中的相电流测量结果的多相永磁同步电机(PMSM)的转矩控制模块100的方块图。如所示的，转矩控制模块100包括电机参考命令产生器102、电流调节器模块104、和相电流测量诊断模块106。图1还描绘电流测量模块108和电机110。如在本文中所使用的，术语“模块”或“子模块”指代专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适部件。当在软件中实现时，模块或子模块能够被体现在如非暂时性机器可读存储介质那样的存储器中，该非暂时性机器可读存储介质可由处理电路读取并且存储由该处理电路执行以执行方法的指令。此外，图1中所示的模块和子模块可以组合和/或进一步分割。
电机参考命令产生器102基于包括电机转矩命令114、电机速率116、源电压信号118和电机参数112的输入信号来产生参考电流命令120和参考电压命令122。电机转矩命令114代表命令转矩值，并且可以从另一转矩控制模块(未示出)得出，或者可以对应于由操作员产生的转矩值。电机速率116是由速度传感器(未示出)测量的电机110的角速度(ω)。速度传感器例如可以包括编码器和速度计算电路，速度计算电路用于基于由编码器接收的信号来计算电机110转子的角速度。源电压信号118代表来自直流(DC)电源(未示出)的电桥电压。电机参数112是针对电机110的估计值，例如包括电机常数(Ke)、电机电路电阻(R)、直轴电感(Ld)和交轴电感(Lq)。Ke是电机电压常数(电压/弧度/秒)。R是电机电路电阻，包括电机定子和控制器硬件的电阻(欧姆)。Lq和Ld分别是定子交轴(q轴)和直轴(d轴)电感(亨)。
在一些实施例中，由电机参考命令产生器102产生的参考电流命令120包括基于转矩命令114、源电压信号118和角速度的参考d轴电流命令和参考q轴电流命令。电机参考命令产生器102还计算参考电压命令122，参考电压命令122可以包括参考d轴电压命令和参考q轴电压命令。参考电流命令120和参考电压命令122满足电机转矩命令114。
电流调节器模块104基于参考电流命令120、参考电压命令122和所测量的电机电流124来确定电机电压命令126。所测量的电机电流124包括所测量的d轴电流和所测量的q轴电流，它们由定子参考坐标系中的电流测量信号变换得到。
电流调节器模块104将电压命令126发送到电机110以控制电机。具体地，在一些实施例中，极性变换控制器(未示出)接收d轴电压命令和q轴电压命令作为输入。基于该输入，极性变换控制器确定电压命令和相位超前角。然后，PWM逆变控制器(未示出)从极性变换控制器接收电压命令和相位超前角作为输入信号。PWM逆变控制器还接收由电机位置传感器(未示出)测量的电机110的转子角度值。在一些实施例中，PWM逆变控制器可以包括过调制空间矢量PWM单元，该空间矢量PWM单元产生三个相应的占空比值。该占空比值用于驱动一逆变器(未示出)的栅极驱动电路，该栅极驱动电路激励电机110的各相。
为了反馈控制的目的，电流测量模块108基于来自电机110的相电流128产生所测量的电机电流124。在一些实施例中，电流测量模块108包括相电流测量传感器，其测量传输到电机110的两个相电流(例如，和他们将在下文中进一步描述)。因此，所测量的电机电流124代表由电流测量模块108测量的两个相电流的值。在一些实施例中，电流测量模块108将AC电流的测量值(即代表定子参考坐标系中的相电流和相电流的值)转换为等价的所测量的DC电流分量，该分量是d-q参考坐标系(转子参考坐标系)中的所测量的d轴电流和所测量的q轴电流。
相电流测量诊断模块106确定由电流测量模块108产生的所测量的电机电流124是否代表正确的测量结果。也就是，相电流测量诊断模块106确定电流测量模块108的一个或多个相电流测量传感器是否具有偏移误差。相电流测量诊断模块106将电机电压命令与期望的电机电压命令相比较，以确定相电流测量结果是否具有足够大到指示传感器损坏的偏移误差。在一些实施例中，相电流测量诊断模块106基于电机参数112、电机速率116和电机电流参考命令120产生期望的电机电压命令，该命令是在电流测量结果中没有偏移误差时的电压命令。
在一些实施例中，相电流测量诊断模块106是观察器，该观察器接收转矩控制模块100的其他子模块的输入和/或输出并且不干涉或影响其他子模块的性能或运行。
图2示出当与实际或真实的电机电流具有偏差的正弦相电流测量信号以数学方式变换到同步旋转参考坐标系时，除了期望的DC分量以外，得到的q轴电流和d轴电流还包含与处于电机的同步频率的该差异对应的正弦分量。具体来说，图2示出两个曲线图202和204。曲线图202示出当实际电流和所测量的电流124之间没有偏差时，在定子和d-q参考坐标系中作为电机位置的函数的所测量的电流124。如曲线图202所示，d-q参考坐标系中的所测量的电流124是常数。曲线图204示出当实际电流和所测量的电机电流124之间存在差异偏差时，在定子和d-q参考坐标系中作为电机位置的函数的所测量的电流124。如曲线图204所示，d-q参考坐标系中的所测量的电流124除了期望的DC分量以外还具有正弦分量。
相电流测量结果124和实际电流之间的偏差能够写成：
其中，是所测量的电流124，i是实际电流，并且Δi是测量结果中的偏差(即偏移误差)。在一些实施例中，所测量的电流和124被变换成和并且然后被变换成和(在d-q参考坐标系中)：
其中
上述等式示出在旋转参考坐标系中，所测量的电流包含处于电机速率116的同步频率的正弦分量。此正弦项导致电流模块控制模块104的输入处的偏差。在假定反馈电流环的带宽足够宽的情况下，期望电流调节器的输入处的电流偏差是零。这意味着电流测量的结果将精确地跟随参考电流命令120。
图3示出d-q参考坐标系中的d轴电压命令和q轴电压命令(电流模块控制模块104的输出)和定子参考坐标系中对应的α轴电压命令和β轴电压命令。具体地，图3示出两个曲线图302和304。曲线图302示出当参考电流命令120(实际电机电流)和所测量的电流124之间没有偏移时在定子和转子参考坐标系中作为电机位置的函数的电压命令124。曲线图304示出当实际电流和所测量的电机电流124之间存在偏差时，在定子和转子参考坐标系下中作为电机位置的函数的电压命令124。如曲线图304所示，转子参考坐标系中的电压命令124具有关于该偏差的信息，但是由于转子参考坐标系中的电压命令124是位于恒定DC电压上面的小正弦信号，所以非常难以检测转子参考坐标系中电压命令124的波动。相反地，由于定子参考坐标系中的电压命令124具有较大的波动，所以定子参考坐标系中的电压命令124更容易分析得多。将被理解的是，定子参考坐标系中的电压命令能够在公开的两相(αβ)电压命令的情况下或在三相(abc)电压命令的情况下进行分析。利用(αβ)电压命令描述的实施例需要更少的计算，并且因此我们能够更容易地完成并且花费更少的处理时间。
图4描绘一些实施例的相电流测量诊断模块106。如所示的，相电流测量诊断模块106包括Δ信号计算模块402和电流传感器故障确定模块404。
Δ信号计算模块402基于包括电机参数112、参考电流命令120和电机电压命令126的输入来计算Δα电压406和Δβ电压408。在稳定状态下，在d-q参考坐标系中的Δ电压可以写成：
Δvd＝(-Δid)·R+(-Δiq)·ωeLq
Δvq＝-(-Δid)·ωeLd+(-Δiq)·R
Δvq＝-(-Δid)·ωeLd+(-Δiq)·R
Δvd＝I0·Zq·cos(ωt-φ-ψq)
其中，
并且，ωe是电机的电气速度。
在d-q参考坐标系中的Δ电压可以概括为：
Δvd＝I0·Zq·cos(ωt-φ-ψq)
Δvq＝I0·Zd·sin(ωt-φ-ψd)
然后，Δ信号计算模块402使用数学变换(例如Clarke变换)将d-q参考坐标系中的Δ电压变换为αβ参考坐标系(定子参考坐标系)，并且反之亦然。
使用此变换，Δα电压和Δβ电压(Δvα和Δvβ)可以写成如下：
Δα电压和Δβ电压包含两项：DC分量和处于两倍电机同步频率的正弦分量。图5图示由Δ信号计算模块402计算产生的Δα电压406和Δβ电压408。具体地，图5示出两个曲线图502和504。曲线图502示出当实际电流和所测量的电流124之间没有偏差时作为电机位置的函数的Δα电压406和Δβ电压408。曲线图504示出当参考电流命令120(实际电流)和所测量的电机电流124之间存在偏差时，作为电机位置的函数的Δα电压406和Δβ电压408。
返回参考图4，电流传感器故障确定模块404对Δα电压406和Δβ电压408执行一组操作，以确定电流测量模块108的相电流传感器是否未正确地运行。在一些实施例中，Δα电压和Δβ电压分别被电压限制器块410和412钳位至最小电压限制和最大电压限制。然后，被钳位的信号分别由一对低通滤波器414和416进行滤波。
电压限制器块410和412的最小电压限制和最大电压限制可以被校准。滤波器414和416每一个都具有可以被校准的截止频率。在一些实施例中，钳位最小限制和最大限制以及低通滤波器的截止频率基于设计需求而确定，设计要求关于电流测量传感器的故障需要多快被检测到。在一些实施例中，选择低通滤波器414和416的截止频率以取得电压信号的DC分量。
在一些实施例中，经滤波信号的绝对值分别由块418和420取得。每个经滤波信号的绝对值(即量值)分别由比较器块424和426与阈值电压电平422进行比较。阈值电压电平422可以被校准。OR块428确定α电压信号或β电压信号中的任一个是否超过阈值电压电平422。
当OR块428确定α电压信号或β电压信号中的任一个超过阈值422时，PN块428使计数器递增。当OR块428确定α电压信号或β电压信号没有一个超过阈值422时，PN块428使计数器递减。当计数器变得大于阈值时，电流传感器故障确定模块404输出指示一个或多个电流测量传感器没有正确地运行的状态432。在一些实施例中，如果状态432指示电流测量传感器发生故障，则状态432可以被用于使转向系统以不同的模式(例如跛行回家模式)执行。状态432可以被输出给操作员或技术人员，用以诊断电机电流传感器的运行。
图6是根据本发明一些实施例的可由转矩控制模块100执行的控制方法的流程图。如根据本公开所能够理解的，方法中的操作次序不限于如图6中所示的顺序执行，而是可以视应用并根据本公开以一个或多个不同的次序来执行。
在块610，转矩控制模块100基于从电机接收的电流测量信号产生直轴电压命令和交轴电压命令。在块620，转矩控制模块100将直轴电压命令和交轴电压命令变换为α电压命令和β电压命令。
在块630，转矩控制模块100基于α电压命令和β电压命令检测相电流测量结果中的偏移误差。具体地，在一些实施例中，转矩控制模块100基于期望的α电压命令和α电压命令之间的差确定Δα电压命令。控制模块100基于期望的β电压命令和β电压命令之间的差确定Δβ电压命令。作为对确定Δα电压命令的量值或Δβ电压命令的量值大于阈值量值的响应，转矩控制模块100确定相电流测量结果具有偏移误差。作为对确定实际电流的测量结果不正确的响应，转矩控制模块100也可以使动力转向系统以不同的模式(例如跛行回家模式)执行。转矩控制模块100也可以将直轴电压信号和交轴电压信号发送到电机，以控制电机。在一些实施例中，转矩控制模块100使指示电流测量结果正确或不正确的状态得到显示。例如，转矩控制模块100将该状态输出给操作员或技术人员，用以诊断电机电流传感器的运行。
图7是根据本发明一些实施例的可由转矩控制模块100的电流传感器故障确定模块404执行的控制方法的流程图。如根据本公开所能够理解的，方法中的操作次序不限于如图7中所示的顺序执行，而是可以视应用和根据本公开以一个或多个不同的次序来执行。在一些实施例中，图7中图示的流程图提供了图6的块630处执行的操作的细节。
在块710，模块404将经变换的电压命令(例如在图6的块640处变换为定子参考坐标系)限制到一个电压值范围。具体地，模块404将Δα电压命令限制为一个电压值范围，并且将Δβ电压命令限制为一个电压值范围。电压值范围可以被校准。
在块720，模块404使用一个或多个低通滤波器对电压命令进行滤波。每个低通滤波器都具有可校准的截止频率。在块730，模块404取得在块720处滤波的电压命令的量值或绝对值。
在块740，模块404确定在块730处取得的量值是否大于阈值量值。在块750，模块404基于块740处的确定来调整计数器。具体地，作为对确定Δα电压命令的量值或Δβ电压命令的量值大于阈值量值的响应，模块404使计数器增加计数。作为对确定Δα电压命令的量值和Δβ电压命令的量值两者都不大于阈值量值的响应，模块404使计数器减少计数。阈值量值是可校准的。
在块760，模块404确定电流测量结果(在图6的块610处被接收)的正确性。具体地，作为对确定在块750处调整的计数器大于可以可校准的阈值的响应，模块404确定相电流测量结果具有偏移误差。作为对确定调整的计数器不大于阈值的响应，模块404确定相电流测量结果是正确的。
虽然已经仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但是应该容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明能够修改为包含之前未描述的任何数量的变型、变更、替换或等效布置，但是它们都与本发明的精神和范围相适应。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，本发明的各方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不被视为限于上述的描述。

Claims (18)

1.一种控制动力转向系统的电机的方法，该方法包括：
基于从所述电机接收的相电流测量信号，产生转子参考坐标系中的直轴电压命令和交轴电压命令；
将所述直轴电压命令和所述交轴电压命令变换为定子参考坐标系中的电压命令和电压命令；以及
通过如下方式，基于所述定子参考坐标系中的电压命令确定相电流测量结果中的偏移误差：
通过计算期望的电压命令和所述电压命令之间的差，确定电压命令，所述期望的电压命令是在电流测量结果中没有偏移误差的情况下预先确定的电压命令；
通过计算期望的电压命令和所述电压命令之间的差，确定电压命令，所述期望的电压命令是在电流测量结果中没有偏移误差的情况下预先确定的电压命令；以及
作为对确定电压命令的量值或电压命令的量值大于阈值量值的响应，确定所述相电流测量结果具有偏移误差。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述电压命令限制到一个电压值范围；以及
将所述电压命令限制到一个电压值范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述范围是能够校准的。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用第一低通滤波器对所述电压命令进行滤波；以及
使用第二低通滤波器对所述电压命令进行滤波。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一低通滤波器的截止频率和所述第二低通滤波器的截止频率是能够校准的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述电流测量结果不正确包括：
作为对确定电压命令的量值或电压命令的量值大于阈值量值的响应，使计数器增加计数；
作为对确定电压命令的量值和电压命令的量值都不大于阈值量值的响应，使计数器减少计数；以及
作为对确定所述计数器大于阈值的响应，确定实际电流的测量结果不正确。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述阈值是能够校准的。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
作为对确定所述相电流测量结果具有偏移误差的响应，使所述动力转向系统以不同的模式进行执行。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：显示指示所述相电流测量结果正确或不正确的状态。
10.一种电机控制系统，包括：
电机；
电机电流传感器，用于测量来自所述电机的电机电流；
转矩控制模块，被配置为：
基于从所述电机接收的相电流测量信号，产生转子参考坐标系中的直轴电压命令和交轴电压命令；
将所述直轴电压命令和所述交轴电压命令变换为定子参考坐标系中的电压命令和电压命令；以及
通过如下方式，基于所述电压命令和电压命令确定相电流测量结果中的偏移误差：
通过计算期望的电压命令和所述电压命令之间的差，确定电压命令，所述期望的电压命令是在电流测量结果中没有偏移误差的情况下预先确定的电压命令；
通过计算期望的电压命令和所述电压命令之间的差，确定电压命令，所述期望的电压命令是在电流测量结果中没有偏移误差的情况下预先确定的电压命令；以及
作为对确定电压命令的量值或电压命令的量值大于阈值量值的响应，确定所述相电流测量结果具有偏移误差。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述转矩控制模块还被配置为：
将所述电压命令限制为一个电压值范围；以及
将所述电压命令限制为一个电压值范围。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述范围是能够校准的。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述转矩控制模块还被配置为：
使用第一低通滤波器对所述电压命令进行滤波；以及
使用第二低通滤波器对所述电压命令进行滤波。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一低通滤波器的截止频率和所述第二低通滤波器的截止频率是能够校准的。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述转矩控制模块被配置为通过如下方式确定所述电流测量结果不正确：
作为对确定电压命令的量值或电压命令的量值大于阈值量值的响应，使计数器增加计数；
作为对确定电压命令的量值和电压命令的量值都不大于阈值量值的响应，使计数器减少计数；以及
作为对确定所述计数器大于阈值的响应，确定实际电流的测量结果不正确。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述阈值是能够校准的。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述转矩控制模块还被配置为：
作为对确定所述电流测量结果不正确的响应，使与所述电机控制系统相关联的动力转向系统以不同的模式进行执行。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述转矩控制模块还被配置为：
向所述电机发送直轴电压命令和交轴电压命令以控制所述电机。
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