CN107085193B

CN107085193B - 用于马达控制系统的相电流测量中的偏移误差的检测

Info

Publication number: CN107085193B
Application number: CN201710084263.9A
Authority: CN
Inventors: P.普拉莫德; S.巴拉尔; J.A.克莱瑙
Original assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Current assignee: Steering Solutions IP Holding Corp
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: DE102017103072A1; US9873450B2; US20170232999A1; CN107085193A

Abstract

本发明涉及用于马达控制系统的相电流测量中的偏移误差的检测，公开了一种用于检测动力转向系统中的偏移误差的系统，其包括可编程高通滤波器模块，其被配置为对最终电压命令进行滤波并生成包括正弦分量的滤波的最终电压命令；增益和相位补偿模块，其被配置为在滤波的最终电压命令上执行增益补偿和相位补偿，以生成补偿的最终电压命令；以及误差检测模块，其被配置为确定定子参考坐标系中所述补偿的最终电压命令的偏移。

Description

用于马达控制系统的相电流测量中的偏移误差的检测

技术领域

本发明涉及用于马达控制系统的相电流测量中的偏移误差（offset error）的检测。

背景技术

电动助力转向（EPS）系统需要使用扭矩控制的方法操作用以提供转向辅助的电动马达。当使用永磁同步机（PMSM）时，可以利用磁场定向控制（FOC）。FOC将静止参考坐标系中的AC相马达电压和电流信号转换为同步旋转的参考坐标系，通常被称为d/q轴参考坐标系，其中马达电压和电流变为直流（DC）量。通常通过闭环电流控制方法实现FOC扭矩控制，其中所述方法采用电流调节器以使命令电流和测量电流之间的误差最小化，以实现完美的电流跟踪。因此，电流控制需要测量马达电流，这可以通过测量电机的相电流来实现，然后电机的相电流经由派克变换（Park Transform）被变换于同步坐标系中以在同步参考坐标系中执行控制。

当在相电流测量中出现给定大小的偏移误差时，在同步参考坐标系中操作的闭环电流控制调整马达电压，使得马达电流的测量与命令匹配。由于测量是不正确的，因此实际马达电流也不正确。失效模式导致取决于马达位置的马达扭矩和电流误差，其可作为在马达轴处的大的扭矩波动而被感知，并且潜在地大于额定马达电流（对于硬件设计而言）。当由相电流测量偏移误差引起的扭矩波动超过某个阈值时，偏移误差能够产生沿与马达扭矩命令相对的方向的马达扭矩。当用在EPS系统中时，产生沿与期望的马达扭矩命令相对的方向的扭矩的失效导致超过来自驾驶员的手动（manual）的努力。

发明内容

一种用于检测动力转向系统中的电流测量偏移误差的系统包括可编程高通滤波器模块，其被配置为对最终电压命令进行滤波并生成包括正弦分量的滤波的最终电压命令；增益和相位补偿模块，其被配置成在滤波的最终电压命令上执行增益补偿和相位补偿，以生成补偿的最终电压命令；以及误差检测模块，其被配置为确定在定子参考坐标系中补偿的最终电压命令的偏移。

在本发明的另一实施例中，一种用于检测动力转向系统中的电流测量偏移误差的方法包括确定在转子参考坐标系中参考电压命令和最终电压命令的电压差异，所述电压差异包括常数分量和正弦分量；对所述电压差异进行滤波以生成包括所述正弦分量的滤波电压差异；在滤波的电压差异上执行增益补偿和相位补偿以生成补偿的电压差异；以及确定补偿的电压差异在定子参考坐标系中的偏移。

在本发明的另一个实施例中，一种用于检测动力转向系统中的电流测量偏移误差的系统包括电压差异计算模块，其被配置为确定转子参考坐标系中参考电压命令和最终电压命令的电压差异，所述电压差异包括常数分量和正弦分量；可编程高通滤波器模块，其配置成对电压差异进行滤波并生成包括所述正弦分量的滤波的电压差异；增益和相位补偿模块，其被配置为在滤波的电压差异上执行增益补偿和相位补偿，以生成补偿的电压差异；以及误差检测模块，其被配置为确定定子参考坐标系中补偿的电压差异的偏移。

结合附图根据以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求中具体地指出并明确地要求保护被认为是本发明的主题。结合附图从以下详细描述中显而易见到本发明的前述和其它特征和优点，附图中：

图1是根据一个实施例的马达控制系统的示例性示意图；

图2图示根据一些实施例的相电流测量诊断模块的示意图；

图3图示根据另一实施例的相电流测量诊断模块的示意图；

图4描绘图示根据一些实施例的处理结果的图表；和

图5图示根据一个实施例的确定偏移误差的方法。

具体实施方式

现在参考附图，其中将参照具体实施例描述本发明，而不限制本发明。图1描绘根据本发明的一些实施例的在电流控制反馈回路中利用相电流测量的多相永磁同步电机（PMSM）的扭矩控制模块100的框图。如图所示，扭矩控制模块100包括马达参考电流生成器102、电流调节器模块104和电流测量诊断模块106。图1还描绘电流测量模块108和马达110。

如本文所使用的，术语“模块”或“子模块”是指专用集成电路（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/或提供所描述的功能的其它合适的部件。当在软件中实现时，模块或子模块能够在存储器中体现为非暂时性机器可读储存介质，其可由处理电路读取并储存用于由处理电路执行以便实施方法的指令。此外，可以被组合和/或进一步划分图中所示的模块和子模块。

马达参考电流生成器102基于输入信号（包括马达扭矩命令114、马达速度116、源电压信号118和马达参数112）生成前馈电压命令120和电流命令122。马达扭矩命令114表示命令扭矩值，并且可以从另一个扭矩控制模块（未示出）得到，或者可以对应于由操作者生成的扭矩值。马达速度116是由速度传感器（未示出）测得的马达110的角速度。速度传感器可以包括例如编码器和用于基于由编码器接收到的信号计算马达110的转子的角速度的速度计算电路。源电压信号118表示来自DC电源（未示出）的桥电压。

马达参数112是马达110的估计值，包括例如马达常数K _e（Volt/rad/s）、马达电路电阻R（Ohm）、直轴电感L _d（Henry）和交轴电感L _q（Henry）。

在一些实施例中，由马达参考电流生成器102生成的电流命令122包括基于马达扭矩命令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。马达参考电流生成器102还计算前馈电压命令120，其可以包括前馈d轴电压命令和前馈q轴电压命令。前馈电压命令120和电流命令122满足马达扭矩命令114。

电流调节器模块104基于前馈电压命令120、电流命令122和测得的马达电流124确定最终电压命令126。测得的马达电流124包括测得的d轴电流和测得的q轴电流，其在定子参考坐标系中从电流测量信号变换而来。

对于不同类型的电流调节器设计，前馈电压命令通常是不同的。应当理解的是，用于电流测量偏移诊断实现的前馈电压项可以与用于使用纯静态前馈控制的马达控制的前馈电压项相似或等同。此外，最终电压命令可以是电流调节器的输出。然而，如果这些电压的测量是可用的，则也可以代替最终电压命令使用由逆变器施加于马达的实际电压，或任何其它合适的电压。

电流调节器模块104向马达110发送最终电压命令126以控制马达。具体地，在一些实施例中，极性转换控制器（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，极性转换控制器确定电压命令和相位超前角。PWM逆变器控制器（未示出）然后接收来自极性转换控制器的电压命令和相位超前角作为输入信号。PWM逆变器控制器还接收由马达位置传感器（未示出）测得的马达110的转子角度值。在一些实施例中，PWM逆变器控制器可以包括过调制空间矢量PWM单元，其生成三个相应的占空比值。占空比值被用于驱动激励马达110的相的逆变器（未示出）的栅极驱动电路（gate drive circuit）。

出于反馈控制的目的，电流测量模块108基于来自马达110的实际电流128生成测得的马达电流124。在一些实施例中，电流测量模块108包括电流测量传感器，其根据传送到马达110的实际电流128生成测得的马达电流124。因此，测量的马达电流124表示由电流测量模块108测得的相电流（例如，两相、三相）的值。在一些实施例中，电流测量模块108将AC相电流的测得值转换为等效的测得的DC电流分量，其是在d/q参考坐标系（转子参考坐标系）中的测得的d轴电流和测得的q轴电流。

在操作中，实际电流128可以在静止参考坐标系中具有偏移误差。测得的实际电流，包括在αβ坐标系中的偏移误差，其中αβ坐标系也是静止坐标系并且表示相电流。静止参考坐标系可以根据以下等式表达：

其中

和

是静止参考坐标系中的相应的测得的电流，

和

是静止参考坐标系中的实际电流，

和

是在静止参考坐标系中表达的电流测量偏移误差。静止参考坐标系可以被用于简化在此示出的数学推导。

当变换到同步参考坐标系中时，测得的马达电流处于旋转参考坐标系中，并且能够被表示为：

其中

并且

。

在操作中，测得的马达电流124可以变得等于电流命令122，从而导致实际电流128的失真（distortion）。该失真通过扭矩控制模块100传播，从而引起同步旋转参考坐标系中前馈电压命令120和最终电压命令126之间的d/q偏移误差。在准确的参数估计的假设下的d/q偏移误差（旋转参考坐标系偏移误差）能够被表达为：

其中

、

分别为同步频率（电动马达速度）、马达电阻，d轴电感和q轴电感。当这些电压变换回静止坐标系时，电压信号在静止参考坐标系中的偏移保留。

在静止参考坐标系中，电压偏移信号可以表达为

、

。静止参考坐标系中的电压偏移

、

包含相应的常数分量和相应的正弦分量。正弦分量可以等于马达的同步频率的两倍，并且通常对静止参考坐标系偏移

、

具有小影响。

d/q电压偏移除了由于参数误差引起的正弦项之外还包含常数项，当变换到静止坐标系中时，其变换成正弦分量。此外，取决于具体参数，这些项可以是同步频率的函数，并且随着速度增加而在大小上变大。

电流测量诊断模块106去除d/q电压偏移的常数分量，以提高在变换到静止参考坐标系中之后的误差状态检测的准确性。

具体地，电流测量诊断模块106确定由电流测量模块108生成的测得的马达电流124是否表示正确的测量值。也就是说，电流测量诊断模块106通过分析静止参考坐标系电压偏移

和

来确定电流测量模块108的一个或多个相电流测量传感器是否具有可接受水平的电流测量偏移误差。

电流测量诊断模块106将最终电压命令126与前馈电压命令120相比较，以确定相电流测量是否具有足够大以指示传感器故障或失效的静止参考坐标系偏移误差。在一些实施例中，电流测量诊断模块106确定接收到的电压命令指示电流测量中没有偏移误差。例如当电流测量中的静止参考坐标系偏移误差超过阈值时，电流测量诊断模块106生成诊断标示130。诊断缺陷可以在相电流测量中引入偏移误差。下文描述的系统和方法增加了诊断的鲁棒性。

图2更详细地图示一些实施例的电流测量诊断模块106。如图所示，电流测量诊断模块106包括可编程高通滤波器模块204、增益和相位补偿模块206、变换模块208和误差检测模块210。

可编程高通滤波器模块204接收最终电压命令126。可编程高通滤波器模块204被配置为对最终电压命令126进行滤波，从而导致从最终电压命令126去除常数分量。因此，可编程高通滤波器模块204被配置为生成包括最终电压命令126的正弦分量而没有常数分量的滤波的最终电压命令214。因此，可编程高通滤波器模块204可以具有与马达110（图1）的同步频率ω _e成比例的截止频率。可编程高通滤波器模块204可以基于可校准的常数值被编程。该可校准的常数值可以被调谐以减小正弦电压分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块204的传递函数可以写作如下：

其中，k是可校准常数，其可以被调谐以减小正弦分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块204可以利用同步频率ω _e，并且由滤波器引入的增益和相位误差是静态的。而且，用可编程高通滤波器模块204，可以独立地调谐可校准常数k以确保输入信号的最小失真。可编程高通滤波器模块204不限于上述实施例。比如，只要可编程滤波器去除最终电压命令126的常数分量，就可以使用更高阶的滤波器。

滤波的最终电压命令214被发送到增益和相位补偿模块206。可编程高通滤波器模块204可以将大小和相位误差引入滤波的最终电压命令214，从而需要由增益和相位补偿模块206执行补偿。在一些实施例中，增益和相位补偿模块206包括用以下传递函数的一阶单位增益可编程低通滤波器（PLPF）：

。

一阶单位增益可编程低通滤波器可以补偿滤波的最终电压命令214以恢复最终电压命令126的增益和相位。可以根据写作下式的约束等式来执行补偿：

。

在其它实施例中，增益和相位补偿模块206可以利用用以下示出的传递函数的二阶低通滤波器。

。

上文示出的二阶低通滤波器可以通过使用两个调谐参数k’和ζ来允许更具体的瞬态响应。增益和相位补偿将分别需要不同的k’和ζ以实现稳态指标（steady statespecification），其必须用上文呈示的方法适当地计算。

增益和相位补偿模块206生成补偿的最终电压命令216，其被发送到变换模块208以便处理。具体地，变换模块208通常利用逆派克变换或类似的数学变换来将DC坐标系（转子参考坐标系或d/q参考坐标系）中的测得的相位电流转换为AC坐标系（定子参考坐标系），从而简化误差确定的分析。变换模块208的输出作为变换的电压偏移（在定子坐标系中表示）被发送到误差检测模块210。误差检测模块210例如在定子参考坐标系中确定相比于阈值的变换的电压偏移的大小，并且确定是否存在电流测量偏移误差。

电流测量诊断模块106为高同步频率以及全频谱的同步频率提供诊断鲁棒性。

可编程高通滤波器模块204以及增益和相位补偿模块206可以被数字地实现以减轻连续时间滤波器的大小和相位的差异。可编程高通滤波器模块204以及增益和相位补偿模块206的数字实施方案可以基于同步频率，而且在离散域中实现，如以下等式中所示，其中

是动力转向系统的马达的同步频率且

是采样时间：

,

虽然可编程高通滤波器模块204在图2中是一阶滤波器，但是进一步预期和理解的是，可编程高通滤波器模块204可以是更高阶的，例如二阶滤波器。

图3更详细地图示另一个实施例的相电流测量诊断模块。如图所示，相电流测量诊断模块106A包括电压差异计算模块302、可编程高通滤波器模块304、增益和相位补偿模块306、变换模块308和误差检测模块310。

电压差异计算模块302基于前馈电压命令120和最终电压命令126计算电压差异312。在一些实施例中，通过确定前馈电压命令120和最终电压命令126，电压差异312在d/q域中被表示为d/q偏移。电压差异312可以具有常数分量和正弦分量，这两者均在d/q参考坐标系中表示。

可编程高通滤波器模块304接收电压差异312。可编程高通滤波器模块304被配置为对电压差异312进行滤波，从而导致去除常数分量。因此，可编程高通滤波器模块304被配置为生成包括电压差异312的正弦分量而没有常数分量的滤波的电压差异314。因此，可编程高通滤波器模块304可以具有与马达110（图1）的同步频率ω _e成比例的截止频率。可编程高通滤波器模块304可以基于可校准的常数值被编程。该可校准的常数值可以被调谐以减小正弦电压分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块304的传递函数可以被写作如下：

其中，k是可校准常数，其可以被调谐以减小正弦分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块304可以利用同步频率ω _e，并且由滤波器引入的增益和相位误差是静态的。而且，用可编程高通滤波器模块304，可以独立地调谐可校准常数k以确保输入信号的最小失真。可编程高通滤波器模块304不限于上述实施例。比如，只要可编程滤波器去除电压差异312的常数分量，就可以使用更高阶的滤波器。

滤波的电压差异314被发送到增益和相位补偿模块306。可编程高通滤波器模块304可以将大小和相位误差引入滤波的电压差异314，从而需要由增益和相位补偿模块306执行补偿。在一些实施例中，增益和相位补偿模块306包括用以下传递函数的一阶单位增益可编程低通滤波器（PLPF）：

。

一阶单位增益可编程低通滤波器可以补偿滤波的电压差异314以恢复电压差异312的增益和相位。可以根据写作下式的约束等式来执行补偿：

。

在其它实施例中，增益和相位补偿模块306可以利用用以下示出的传递函数的二阶低通滤波器。

上文所示的二阶低通滤波器可以通过使用两个调谐参数k'和ζ来允许更具体的瞬态响应。增益和相位补偿将分别需要不同的ζ和k'以实现稳态指标，其必须用上文呈示的方法适当地计算。

增益和相位补偿模块306生成被发送到变换模块308以便处理的补偿电压差异316。具体地，变换模块308通常利用逆派克变换或类似的数学变换将DC坐标系（转子参考坐标系，或d/q参考坐标系）中测得的相电流转换为AC坐标系（定子参考坐标系），从而简化误差确定的分析。变换模块308的输出作为在定子坐标系中表示的变换的电压偏移被发送到误差确定模块310。误差检测模块310例如在定子参考坐标系中确定相比于一定阈值的变换的电压偏移的大小。误差检测模块310可基于变换的电压偏移来确定是否存在电流测量偏移误差。

相电流测量诊断模块106A为高同步频率以及全频谱的同步频率提供诊断鲁棒性。

可编程高通滤波器模块304以及增益和相位补偿模块306可以数字地实现以减轻连续时间滤波器的大小和相位的差异。可编程高通滤波器模块304以及增益和相位补偿模块306的数字实施方案可以基于同步频率，而且在离散域中实现，如以下等式中所示：

。

图4示出两幅图表，第一图表402图示在存在电流测量偏移误差的情况下的V _d和V _q。第二图表404处示出由电流测量诊断模块106（例如，图3）进行的处理的结果。如能够认识到的那样，相电流偏移作为V _α和V _β中的电压偏移出现。

图5是根据本发明的一些实施例的能够由扭矩控制模块100（图1）执行的控制方法的流程图。

如根据本公开能够认识到的那样，该方法内的操作顺序不限于如图5中所示的顺序执行，而且可以根据适用和根据本公开以一种或多种变化的次序执行。

在框510处，扭矩控制模块100确定转子参考坐标系中的参考电压命令和最终电压命令的电压差异。最终电压差异包括常数分量和正弦分量。在框520处，扭矩控制模块100对最终电压差异进行滤波，以生成包括正弦分量的滤波的最终电压差异。

在框530处，扭矩控制模块100在滤波的最终电压差异上执行增益补偿和相位补偿，以生成补偿的最终电压差异。相位补偿可以例如用一阶滤波器或二阶滤波器恢复电压差异的增益和相位。

在框540处，扭矩控制模块100确定定子参考坐标系中补偿的最终电压差异的偏移。扭矩控制模块100还可以将直轴电压信号和交轴电压信号发送到马达以控制该马达。在一些实施例中，扭矩控制模块100引起显示指示电流测量的正确性或不正确性的状态。比如，扭矩控制模块100向操作者或技术人员输出该状态以便诊断马达电流传感器的功能。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。而且，能够修改本发明以并入任何数量的先前未描述、但与本发明的精神和范围相当的变型、更改、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解的是，本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受到前述描述的限制。

Claims

1.一种用于检测动力转向系统中的偏移误差的系统，所述系统包括：

可编程高通滤波器模块，其被配置成对最终电压命令进行滤波并且生成包括正弦分量的滤波的最终电压命令；

增益和相位补偿模块，其被配置为在所述滤波的最终电压命令上执行增益补偿和相位补偿，以生成补偿的最终电压命令；

变换模块，其在所述补偿的最终电压命令上执行逆派克变换，以将所述补偿的最终电压命令变换到定子参考坐标系；和

误差检测模块，其被配置成基于定子参考坐标系中所述补偿的最终电压命令确定电流测量偏移误差。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可编程高通滤波器模块包括基于同步马达频率和能够校准的常数的传递函数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述能够校准的常数被调谐以减小所述正弦分量的大小和相位误差。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述增益补偿和所述相位补偿中的至少一者用利用传递函数的一阶滤波技术来执行，所述传递函数被写为：

,

其中k'是常数值，且ω _e是所述动力转向系统的马达的同步频率。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在离散域中执行所述增益补偿和所述相位补偿。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在离散域中根据下式实现所述增益补偿和所述相位补偿：

,

是所述动力转向系统的马达的同步频率，且T _s是采样时间。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还基于转子参考坐标系中的所述最终电压命令确定所述电流测量偏移误差。

8.一种用于检测动力转向系统中的偏移误差的方法，所述方法包括：

确定在转子参考坐标系中前馈电压命令和最终电压命令的电压差异，所述电压差异包括常数分量和正弦分量；

对所述电压差异进行滤波以生成包括所述正弦分量的滤波的电压差异；

在所述滤波的电压差异上执行增益补偿和相位补偿以生成补偿的电压差异；

在所述补偿的电压差异上执行逆派克变换，以将所述补偿的电压差异变换到定子参考坐标系；和

基于定子参考坐标系中所述补偿的电压差异确定电流测量偏移误差。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述滤波基于包括同步马达频率和能够校准的常数的传递函数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述能够校准的常数被调谐以减小所述正弦分量的大小和相位误差。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述增益补偿和所述相位补偿中的至少一者用利用传递函数的一阶滤波技术来执行，所述传递函数被写为：

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，变换的电压偏移是基于转子参考坐标系中前馈电压命令和所述最终电压命令的差异，所述电流测量偏移至少部分地基于变换的电压偏移来确定。

13.一种用于检测动力转向系统中的偏移误差的系统，所述系统包括：

电压差异计算模块，其被配置为确定转子参考坐标系中前馈电压命令和最终电压命令的电压差异，所述电压差异包括常数分量和正弦分量；

可编程高通滤波器模块，其被配置成对所述电压差异进行滤波并且生成包括所述正弦分量的滤波的电压差异；

增益和相位补偿模块，其被配置为在所述滤波的电压差异上执行增益补偿和相位补偿，以生成补偿的电压差异；

变换模块，其在所述补偿的电压差异上执行逆派克变换，以将所述补偿的电压差异变换到定子参考坐标系；和

误差检测模块，其被配置为确定定子参考坐标系中所述补偿的电压差异的偏移。