CN105991082A - 具有电流传感器误差校正的电动机驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及具有电流传感器误差校正的电动机驱动器。根据本申请的系统(10)，其被配置成操作电动机(12)并校正由系统(10)使用的电流传感器(16)中存在的电流测量误差，该系统包括多个电压传感器(14)，多个电流传感器(16)，和控制器(18)。多个电压驱动器中的每个被电耦合到电机(12)的每相中。多个电流传感器(16)中的每个被分别配置成测量电机(12)每相的电流。控制器(18)被配置成取样来自每个电流传感器的电流信号(20)，以及基于当电机(12)在转动时来自每个电流传感器的电流信号(20)的多个样本，确定每个电流传感器的基线偏移误差(26)。

Description

具有电流传感器误差校正的电动机驱动器

技术领域

本公开通常涉及被配置成操作电动机的系统，尤其涉及校正该系统使用的电流传感器中存在的电流测量误差的方法。

背景技术

许多电动机控制系统配备有电流传感器以监测电动机各相的电流量，由此发动机可以以最有效率的方式运行，并且电动机的输出转矩可被预测。使用霍尔效应电流传感器十分方便，但是经济型版本常受限于误差。通常类型的误差可以被表征为偏移误差和增益误差，增益误差和偏移误差通常以温度、电流强度、之前的运行情况(即迟滞现象)、外部噪声和其他因素为函数而变化。

在电流传感器中的直流电偏移误差可能造成许多不良效应。这些不良效应包括：流过换流器(inverter)和发动机各相的直流电流，其导致额外功率损耗和发热；电机中的转矩波动，其导致噪声和机械振动；以及不正确的死区时间补偿，其导致相电流波形中的不良谐波。

曾有人提出，当电源刚开始施加给系统，而电动机没有移动且没有电流送到电动机时，确定直流电流偏移误差。然而，这项技术不会探测到在该系统的操作循环中随着时间或温度变化的误差。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种系统，该系统被配置成操作电动机和校正该系统使用的电流传感器中存在的电流测量误差。该系统包括多个电压驱动器，多个电流传感器，和控制器。多个电压驱动器中的每个被电耦合到电动机的每相中。多个电流传感器中的每个被各自配置成测量电动机每相中的电流。控制器被配置成取样来自每个电流传感器的电流信号，并基于当电机在转动时来自每个电流传感器的电流信号的多个样本，确定每个电流传感器的基线偏移误差。

在另一实施例中，提供了一种方法，该方法操作电动机并校正在该电动机的诸个相中使用的电流传感器中存在的电流测量误差。该方法包括提供多个被电耦合到电动机每相的电压驱动器的步骤。该方法还包括提供多个电流传感器的步骤，每个电流传感器被配置成测量电动机每相中的电流。该方法进一步包括取样来自每个电流传感器电流信号的步骤。该方法还包括当电机在转动时，基于来自每个电流传感器的电流信号的多个样本，确定每个电流传感器的基线偏移误差的步骤。

进一步的特征和优点将会在阅读以下对优选实施例的具体说明后更清楚地显现，该优选实施例仅是作为非限制性示例、且参考附图给出。

附图说明

本发明现在将以示例方式参考附图来加以描述，其中：

图1是根据一个实施例的被配置成操作电动机的系统的示意图，

图2是根据一个实施例的校正图1系统中电流传感器误差的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了被配置成操作电动机12(以下称作电机12)的系统10的非限制性例子。作为示例而非限制，系统10和电机12可以是交通工具的一部分(未显示)，例如混合电动车(HEV)，其中电机12所输出的机械转矩被用来驱动该交通工具。本领域人员应会理解，本文所描述的系统10的一部分有时被称作换流器，该换流器把来自电池组的直流(DC)电功率(此处通过正电压B+和参考电压GND表示)转换成应用于电机12三相(A、B、C)的正弦电压。可预想到的是，在此描述的系统10也可被用于工业电机控制应用，也可被用于产生梯形电压以代替正弦电压。还可预想到的是，本文展示的教示可被应用于操作或驱动具有多于或少于三相的电机的系统。

系统10包括多个电耦合到电机12每相的电压驱动器14。正如本领域人员所会认识到的一样，各个驱动器可各自为晶体管，例如MOSFET，IGBT，或者BJT。每对驱动器，例如高压驱动器和低压驱动器，在相对高频，例如大于1k赫兹时，可交替地开和关以在电机12的每相(A，B，C)处合成正弦信号。

系统10包括多个电流传感器16，在该非限制性例子中，多个电流传感器16中的每个电流传感器被配置成单独地测量电机12每相的电流。正如将在以下进一步详细描述的，系统10有利地被配置成校正由系统10使用的多个电流传感器16中的每个电流传感器中存在的电流测量误差。还可预想到的是，本文所展示的教示可适用于其他系统装置，例如，单一电流传感器用于测量被多个电压驱动器14共享的接地路径(GND)中的电流。

系统10包括控制器18，控制器18被配置成取样来自多个电流传感器16中的每个电流传感器的电流信号20。控制器18可包括一个处理器40，例如微处理器或者其他控制电路，例如模拟和/或者数字控制电路，其包括对本领域人员而言应是显而易见的，用于处理数据的专用集成电路(ASIC)。控制器18可包括模拟-数字转换器22，以下简称ADC，来捕捉电流信号20和在该系统10中存在的其他模拟信号的样本。控制器18可包括存储器24，包括非易失性存储器，例如用于存储一个或多个例行程序(routine)、阈值和捕获的数据的电可擦只读存储器(EEPROM)。该一个或多个例行程序可被处理器40执行以执行步骤，从而尤其用于确定基线偏移误差26，以下称作多个电流传感器16的每个电流传感器的IOB26。正如以下将做更详细解释的，IOB 26是基于当电机在转动时来自每个电流传感器的电流信号20的多个样本。这个特征使得系统10区别于现有的系统，现有的系统仅当一开始通电时且在电机被操作或转动之前确定基线偏移误差。

正如在接下来的说明中会更明白易懂的是，优选地针对一个已知的温度，例如25℃，来确定IOB 26，由此系统10有利地装配了温度传感器28，该传感器28被放置以确定多个电流传感器16的操作温度30。在这个非限制性例子中，仅当认可电机12是系统10中高温的典型主要来源这一事实时，温度传感器28才被解说成被置于电机12之内。然而，如果多个电流传感器16被置于远离电机12，处于绝热电路板组装上(未示出)，那么应认识到温传感器28被优选地置于靠近多个电流传感器16，例如在相同的电路板组装上。

一般地，系统10被配置成执行方法200(图2)以自动校正偏移误差和增益误差，以及多个电流传感器16中存在的那些误差的漂移。在下面的方程式中，已知的数学运算缩写如下：‘sum[]’用于求和运算；‘max[]’用于最大值运算；‘abs[]’用于绝对值运算；‘sqrt[]’用于平方根运算。

作为背景资料，霍尔效应电流传感器中的误差(E)可由方程式1定义，如下：

E＝IOB+IOT*(TO-25)+(GI+GOB+GT*(TO-25))*IP/100 (方程式1),

其中，IOB是如上所述的在25℃时电流传感器的基线偏移误差26(IOB 26)；IOT*(TO-25)是温度依赖性偏移误差，它是该温度依赖性偏移系数38(以下称作IOT38)，乘以操作温度30(TO)和用来确定该IOB 26的参考温度(25℃)之差，所得的乘积；GI是电流依赖性增益误差项；GOB是25℃时的基线增益误差项；GT*(TO-25)是温度依赖性增益误差项。从这里可以看出，偏移和增益的校正将作为温度的函数且随着电流级别而改变。此外，可能存在诸多效应，诸如磁滞效应，其在传感器中留下剩余磁通，且在启动时造成错误的偏移。

当尝试确定以上定义的多种误差项中的一个或多个时，为了将所加电压的影响最小化，优选地，在电机12的所有相(A，B，C)被多个电压驱动器14一起电短路时，获得电流信号20的多个样本。例如，控制器18的门驱动器32可操作所有的高压侧驱动器为关闭状态，并操作所有低压侧驱动器为打开状态，以将电机12的所有相(A，B，C)一起短路。在这个主动短路电路操作中，对于典型的电机，来自该电机的平均直流电流应该等于零，且各相的相电流强度应该相等。由此，多个电流传感器16中的每个的IOB 26可通过对一段时间内的直流电流取平均得到。

因为当各相被一起短路时，预计电机12的转动将在电机12的诸个线圈或诸个相中感应出电流，取样应该持续一段相对长间隔时间(即固定数量的电流样本)，这样，每相的平均电流接近零。优选的是，由此期望的平均电流也是零，电机12的角转动应尽可能的接近电机12电周期的整数倍。也就是说，该系统10可被配置成，电流信号20的多个样本是在电机12整数次的电周期或者电转动上获取的，或者是在电机12整数次的物理周期上获取的。正如本文使用的，当在电机12的线圈或相位的每一个处出现的磁场的模式重复时，电机12的电转动或者电周期产生。为了得到这个结果，系统10可包括电机角度传感器34，其输出角信号36到控制器18。电机角度传感器34可以是，例如光编码器，其以数字的形式输出角信号36。当配备了电机角度传感器34时，系统10或者控制器18便可以在例如零电角度处开始收集电流信号20的样本，并收集数据直至在零电角度重复之前的最后一次电流读数。在此期间，电流信号20的NS个样本被收集到，以下每个样本被指定成I(j)。于是，IOB 26可用方程式2来计算，如下:

IOB＝(1/NS)*sum[I(j)],for j＝1 to NS (方程式2).

这个计算一般要对每个电流传感器重复，因此多个电流传感器中的每个会有对于每个电流传感器的IOB 26的唯一值。接着，IOB 26可用于通过方程式3校正对每个传感器的电流测量，如下：

IA＝IM–IOB (方程式3)，

其中，IA是电机12的A相中的实际电流；IM是测量到的电流，其由测量A相中的相电流的电流传感器来报告。

每相的电流偏移运行历史可被保持，以消除不佳的读数，或者对每个电流传感器进行IOB26过滤，或者表征该传感器的可预期性能，例如以电路板环境温度为函数的记录偏移，和当运行时使用这个历史信息以预计温度偏移误差，即IOT*(TO-25)对IOB 26的影响。也就是说，控制器18被有利地配置成基于控制温度30确定多个电流传感器16中的每个电流传感器的IOT*(TO-25)。

为了简化方程式1中对增益效应的确定，也就是方程式1的(GI+GOB+GT*(TO-25))*IP/100部分，增益误差44，以下称作GE 44，可以用多种方式确定。首先，应该认识到在没有外部信息的情况下，想知道传感器的确切增益误差是不可能的。然而，平衡传感器以使每个传感器都有相同的增益误差却是可能的。虽然这还是会导致输出电流矢量大小的误差，但它将消除了谐波，该谐波，由于电流的不平衡，将会在电动机中导致调制相位电流。

如果假设电流传感器增益是随机的，且传感器增益是独立变量，那么传感器增益误差的平均应该趋向于零且提供实际增益的估计。也就是说，对于零均值部分的高斯分布，随机选择的K个部分的平均的标准偏差将小于总体的标准偏差。因此，通过使用平均增益当作理想增益可以同时减少总体变化和消除不需要的谐波。

相似地，如果电流传感器不是随机地从电流传感器总体中选出，而是假定它们被构建在一起，有接近相同的增益响应，那么可以预计这些传感器有等于可用传感器平均值的增益。任何偏离该增益的原因可能是局域平均值附近的变化，当平均值被使用时，该变化可被减小。此外，虽然使用平均值增益可能引发一些电流强度误差，传感器可以被校正以提供相同的增益，由此消除对电机的实际相位电流失衡，以及不需要的电机谐波，声频噪声和震动，和损失，并且补偿由于温度造成的增益变化。

正如之前提到的，GE 44可以通过多种方式确定，其包括基于复合电流值46(以下称作ICC46)，配置控制器18以确定多个电流传感器16中的每个电流传感器的GE 44。也就是说，确定GE44的多种方式一般因从电流信号20的样本确定ICC46的可选方式而异。

一种选择是基于一段时间中的电流绝对值的最大值，即最大电流值，确定电流增益，来确定ICC 46。幸运的是，当处于短路模式时，电机电流强度只是非常弱地耦合于电机速度，因此可以假定为是与需要进行适当测量的一段时间相一致的一段时间内的常数。因此，对于每个传感器的GE 44能够从方程式4中得到，如下：

GE＝(max[abs[IM–IOB]]–IAVG)/IAVG (方程式4),

其中，IAVG可以在方程式5中的k个电流传感器的平均最大值读取中得到，如下：

IAVG＝(1/K)*(sum[max[abs[IM(k)–IOB(k)]]]),for k＝1 to K(方程式5),

其中，K是电流传感器的数量，在该非限制性例子中是三个。方程式4中的电流最大值可以通过收集理想地和为直流偏移计算(方程式2)所收集到的数据一样的数据而得到，其中优选地是使用相同的数据组。

校正的电流接着可以在方程式6中从测量到的电流和从DC偏移中找到，如下：

IA＝(IM–IOB)*(1–GE) (方程式6)

估算GE 44的第二种选择是考虑每个传感器的ICC46的均方根(RMS)电流值确定而不是峰值。IRMS值可提供更好的估算，注意线性误差可能会存在，其提供电流依赖性增益误差。电流的IMRS值可以通过收集理想地和为直流偏移计算所收集到的数据一样的数据来得到，其中优选地是使用相同的数据组。接下来，每相的IRMS电流可使用已知的方程式7计算，如下：

IRMS＝sqrt[(1/NS)*(sum[I(j)-IOB])^2],for j＝1 to NS (方程式7)

由此，如方程式8所示，对于每相都可以得到GE 44，如下：

GE＝(IRMS–IAVG)/IAVG (方程式8),

其中，IAVG用方程式9确定，如下：

IAVG＝(1/K)*(sum[IRMS(k)]),for k＝1 to K(例如3) (方程式9).

得到GE 44的第三种选择是通过离散傅里叶变换把抽样数据转换到频域，以对基本电频率确定频域转换值。这将提取出传感器线性变化效应，其不会在基频中出现，且给出对于电机控制器最重要的部分―基本电频率―的增益误差的估计。

如同传感器偏移一样，每相电流增益误差的运行历史可被保持，以消除不佳的读数，过滤增益校正，或者表征该传感器的可预期性能，例如以电路板环境温度为函数的记录增益偏移，和当运行时时使用这个历史信息来预计温度依赖性的电流增益项GT的影响时。

图2示出了方法200的非限制性例子，该方法操作电机并校正在该电机各相中使用的电流传感器存在的电流测量误差，所述方法包括：

步骤210，提供电压驱动器，可包括提供多个电耦合到电机12每相的电压驱动器14。

步骤220，提供电流传感器，可包括提供多个电流传感器16，每个电流传感器被配置成测量电机12的每相(A，B，C)中的电流。

步骤230，取样电流信号，可包括通过控制器18取样来自多个电流传感器16的每个电流传感器的电流信号20。

步骤240，确定IOB，可包括基于当电机12在转动时来自每个电流传感器的电流信号20的多个样本，确定每个电流传感器的基线偏移误差(IOB 26)。

因此，提供了系统10，该系统10的控制器18，和方法200，该方法操作电动机并校正由系统10使用的电流传感器中存在的电流测量误差。通过校正电流测量误差，声频噪音和机械震动，及导致相电流波形中的不良谐波的不正确的死区时间补偿被减小了。

虽然本发明已根据其中的优选实施例来描述，但并非限于此，而只是在一定程度上阐述以下权利要求。

Claims (10)

1.一种系统(10)，其被配置成操作电动机(12)，并校正在由所述系统(10)使用的电流传感器(16)中存在的电流测量误差，所述系统(10)包括：

多个电压驱动器(14)，其被电耦合到电机(12)的每相；

多个电流传感器(16)，每个电流传感器被配置成测量所述电机(12)的每相中的电流；

控制器(18)，其被配置成取样来自每个电流传感器的电流信号(20)，并基于当电机(12)在转动时来自每个电流传感器的所述电流信号(20)的多个样本，确定每个电流传感器的基线偏移误差(26)。

2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，当所述电机(12)的所有相被所述多个电压驱动器(14)一起电短路时，所述多个样本被获取。

3.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多个样本在所述电机(12)的整数次的电转动期间被获取。

4.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多个样本在所述电机(12)的整数次的物理旋转期间被获取。

5.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括温度传感器(28)，其被放置以确定所述多个电流传感器(16)的操作温度(30)

6.如权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，基于所述操作温度(30)，所述控制器(18)被进一步配置成确定每个电流传感器的温度偏移误差。

7.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(18)被进一步配置成基于合成电流值(46)确定每个电流传感器的增益误差(44)。

8.如权利要求7所述的系统(10)，其特征在于，所述合成电流值(46)是基于最大电流值，均方根电流值，和频率转换值的其中一个。

9.如权利要求7所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括温度传感器(28)，其被放置以确定所述多个电流传感器(16)的操作温度(30)。

10.一种方法(200)，其操作电机(12)和校正所述电机(12)的各相中使用的电流传感器(16)内存在的电流测量误差，所述方法(200)包括:

提供多个电压驱动器(14)，其被电耦合到电机(12)的每相；

提供多个电流传感器(16)，每个电流传感器被配置成测量所述电机(12)每相中的电流；

取样来自每个电流传感器的电流信号(20)；以及

基于当所述电机(12)在转动时来自每个电流传感器的所述电流信号(20)的多个样本，确定每个电流传感器的基线偏移误差(26)。