CN108199634A - 一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法，所述方法步骤如下：一、将单电流传感器安装在逆变器的两条支路上，采样两条支路的和电流；二、在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，进而重构出电机的三相电流；三、定义Clarke变换中α轴与B相绕组轴线重合，根据Clarke变换将三相电流转换到两相静止坐标系中；四、对带有直流偏置误差的采样结果进行补偿；五、利用陷波滤波器，滤除电流分量中的基波分量，得到估算出的直流偏置误差补偿值，进而实现直流偏置误差的抑制。本发明采用陷波滤波器来抑制直流偏置误差，提高了电流重构精度，改善了永磁同步电机控制系统性能。

Description

一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种抑制传感器采样直流偏置误差的方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)相比其他电机具有高可靠性、高功率密度、高控制精度等优点，故其在数控机床、机器人伺服控制、电动汽车、军用武器、深水伺服系统以及航空航天等领域得到了飞速的发展。

单电流传感器技术是一种低成本的永磁同步电机驱动技术，其基本原理是采用一个电流传感器重构出电机三相绕组电流，进而实现电机的矢量控制。采用这种技术，驱动器的体积和成本均得以降低，且减少了传感器附加引线，避免了由于电流传感器采样差异所带来的扰动。但单电流传感器技术在实际应用时会存在传感器采样直流偏置误差，若不采取抑制措施，会导致相电流重构不准确，进而影响整个电机控制系统的性能，带来不必要的损失。因此，若能抑制传感器采样直流偏置误差，对改善整个电机控制系统的性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法，该方法采用陷波滤波器来抑制直流偏置误差，提高了电流重构精度，改善了永磁同步电机控制系统性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法，包括如下步骤：

一、先将带有通孔的单电流传感器安装在永磁同步电机功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接，此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流；

二、采用空间矢量脉宽调制算法，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，得到两个不同相的电流信息，进而重构出电机的三相电流；

三、定义Clarke变换中α轴与B相绕组轴线重合，根据Clarke变换将三相电流转换到两相静止坐标系中，此时经过新坐标变换之后的电流分量表达式为：

式中，i_a为A相绕组电流，i_b为B相绕组电流，i_c为C相绕组电流，i_off为直流偏置误差，i_sam1为单电流传感器在PWM周期中间时刻的采样值，i_sam2为单电流传感器在PWM周期起始时刻的采样值，i_α’为新坐标变换之后的α轴电流分量，i_β’为新坐标变换之后的β轴电流分量；

四、对带有直流偏置误差的采样结果进行补偿，补偿后用于三相电流重构的采样值为：

i_sam-new＝i_sam-in-i_off-est。

式中，i_off-est为估算出的直流偏置误差补偿值，i_{sam_in}为附加直流偏置误差i_off后的电流采样结果；

五、根据电机转速ω_r和电压v_β′，利用陷波滤波器，滤除电流分量i_β′中的基波分量，得到估算出的直流偏置误差补偿值i_off-est，进而实现直流偏置误差的抑制。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种新型拓扑的单电流传感器技术，与传统方法不同的是，单电流传感器不是安装在直流母线上，而是安装在逆变器的两条支路上，采样两条支路的和电流。电机的控制算法采用空间矢量脉宽调制算法(SVPWM)，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，可以得到两个不同相的电流信息，进而重构出电机的三相电流。

2、本发明的创新之处在于修改了经典的Clarke坐标变化，定义新的Clarke变换中α轴与B相绕组轴线重合，这样保证i_α中不含有直流偏置误差，实现了直流偏置误差的解耦，简化了后期的算法。

3、本发明的误差抑制算法采用陷波滤波器对单电流传感器的输出进行处理，滤除单电流传感器输出的基波分量，得到低频及直流分量，然后在电流数据中减去此直流分量，便可以补偿电流采样直流偏置误差。

附图说明

图1为单电流传感器的安装位置；

图2为单电流传感器的采样点；

图3为两个零电压矢量作用时间内的电流采样结果，(a)零电压矢量V₀(100)，(b)零电压矢量V₇(111)；

图4为传感器采样直流偏置误差，图中i_sam为单电流传感器的采样值，i_off为直流偏置误差；

图5为直流偏置误差补偿算法原理框图；

图6为有直流偏置误差时重构三相绕组电流波形；

图7为采用误差抑制算法前后的电流波形；

图8为采用误差抑制算法后重构三相绕组电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法，所述方法具体实施步骤如下：

如图1所示，先将带有通孔的单电流传感器安装在功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接。此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流。

如图2所示，位于一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻，电流采样点固定，两次的电流采样结果分别为i_c和i_b+i_c，即-i_a，如图3所示。再根据i_a+i_b+i_c＝0，便可以重构出电机的三相电流。

如图4所示，当存在直流偏置误差时，单电流传感器的采样值将含有直流分量，使得重构出来的三相电流具有误差，从而影响电机控制系统的性能。

根据上面的相电流重构方法，两次采样的结果为：

则可重构出的三相绕组电流记为i_a、i_b、i_c，根据Clarke变换公式：

将电流从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系中，得到电流矢量i_α和i_β。

当单电流传感器器中存在直流偏置误差i_off时，两次电流采样值变为：

将上面两式相减得到：

i_b＝i_sam1-i_sam2。

从上面公式可以看出，只有B相绕组电流i_b中不含有直流偏置分量，而A相绕组电流i_a和C相绕组电流i_c均含有直流偏置分量。根据Clarke变换将三相电流转换到两相静止坐标系中得到：

根据上式，电流分量i_α和i_β均由两部分组成，一部分是实际电流分量，一部分是直流偏置分量。若单电流传感器存在直流偏置误差，则利用零电压矢量采样法重构出的三相绕组电流将存在误差，进而计算出的电流α-β轴分量中都存在一定的直流偏置误差，这是因为经典Clarke变换中α轴与A相绕组轴线重合。由于B相绕组电流i_b中不含有直流偏置分量，定义新的Clarke变换中α轴与B相绕组轴线重合，这样保证i_α中不含有直流偏置误差，此时经过新坐标变换之后的电流分量表达式为：

可以看出，经过新的Clarke坐标变换之后，只有电流分量i_β′中含有直流偏置误差，实现了直流偏置误差的解耦，简化了后期的补偿算法。

图5为直流偏置误差补偿算法原理框图，其中i_sam为采样的准确值，则附加直流偏置误差i_off后的电流采样结果i_{sam_in}为：

l_sam-in＝i_sam+i_off。

考虑到相电流重构的准确性，带有直流偏置误差的采样结果需要进行一定补偿，补偿后用于三相电流重构的采样值为：

i_sam-new＝i_sam-in-i_off-est。

上式中i_off-est为估算出的直流偏置误差补偿值。根据电机转速ω_r和电压v_β′，利用陷波滤波器，滤除电流分量i_β′中的基波分量，得到估算出的直流偏置误差补偿值i_off-est，进而实现了直流偏置误差的抑制。

因为单电流传感器本身输出具有直流偏置误差，所以重构出的三相绕组电流具有一定的畸变。从图6可以很明显的看出存在直流偏置误差时重构三相电流波形畸变率较大，对电机系统的性能将产生不利的影响。同时可以看出有直流偏置误差时，B相电流重构结果不变，依然为正弦波，因为根据上文分析，重构的B相绕组电流不含有直流偏置分量，这验证了该方法的理论分析。

由图7可知，在经过陷波滤波器之前的电流有很明显的直流分量，经过补偿算法之后直流分量被滤除，电流波形中的直流偏置误差也几乎消失。

由图8可见，三相绕组电流波形均不含有直流分量，相电流无畸变具有较好的正弦性，证明了该误差抑制算法的有效性。

综上，本发明采用陷波滤波器来抑制新型单电流传感器技术的直流偏置误差，提高了电流重构精度，改善永磁同步电机控制系统性能。

Claims (2)

1.一种相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、先将带有通孔的单电流传感器安装在永磁同步电机功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接，此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流；

二、采用空间矢量脉宽调制算法，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，得到两个不同相的电流信息，进而重构出电机的三相电流；

三、定义Clarke变换中α轴与B相绕组轴线重合，根据Clarke变换将三相电流转换到两相静止坐标系中，此时经过新坐标变换之后的电流分量表达式为：

式中，i_a为A相绕组电流，i_b为B相绕组电流，i_c为C相绕组电流，i_off为直流偏置误差，i_sam1为单电流传感器在PWM周期中间时刻的采样值，i_sam2为单电流传感器在PWM周期起始时刻的采样值，i_α’为新坐标变换之后的α轴电流分量，i_β’为新坐标变换之后的β轴电流分量；

四、对带有直流偏置误差的采样结果进行补偿，补偿后用于三相电流重构的采样值为：

i_sam-new＝i_sam-in-i_off-est。

式中，i_off-est为估算出的直流偏置误差补偿值，i_{sam_in}为附加直流偏置误差i_off后的电流采样结果；

五、根据电机转速ω_r和电压v_β′，利用陷波滤波器，滤除电流分量i_β′中的基波分量，得到估算出的直流偏置误差补偿值i_off-est，进而实现直流偏置误差的抑制。

2.根据权利要求1所述的相电流重构技术的直流偏置误差抑制方法，其特征在于所述i_{sam_in}的计算公式如下：

i_sam-in＝i_sam+i_off，

式中，i_sam为采样的准确值。