CN109756171B - 马达控制系统中的容错电流测量 - Google Patents

马达控制系统中的容错电流测量 Download PDF

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Abstract

描述了用于确定具有至少三个相电流测量的马达控制系统中传感器故障的技术方案。示例系统包括电流控制器，用于使用前馈控制产生用于马达的输入电压命令。所述系统还包括故障传感器识别模块，其响应于电流控制器使用前馈控制操作，确定电流偏移误差指示电流传感器的故障，基于诊断电流的幅度和相位确定电流偏移误差。此外，响应于故障，故障传感器识别模块基于诊断电流的相位值来识别发生故障的电流传感器。

Description

马达控制系统中的容错电流测量
技术领域
本申请一般涉及例如在电流传感器故障的情况下马达控制系统中的容错电流测量。
背景技术
通常，诸如电动助力转向(EPS)系统中的马达控制系统通过向电动马达施加电压来控制电动马达。例如，EPS系统使用电动马达使用转矩控制方法向车辆方向盘的操作者提供转向辅助。当使用永磁同步电机(PMSM)时，利用磁场定向控制(FOC)将交流(AC)三相马达电压和电流信号转换为同步旋转的参考系，通常称为d/q轴参考系。在d/q轴参考系中，马达电压和电流变为直流(DC)量。通常使用前馈控制方法或闭环电流反馈控制来实现FOC转矩控制技术。
当通过闭环电流控制实现FOC转矩控制时，该实施方案采用高性能电流调节器，其最小化命令电流和测量电流之间的误差以实现完美的电流跟踪。因此，电流控制需要测量马达电流，这通常通过测量电机的相电流来实现，然后通过Park变换将其转换成同步系，以在同步参考系中执行控制。
因此，期望使马达控制系统在一个或多个电流测量传感器或用于测量电流值的其他设备的故障/报废的情况下具有容错电流测量策略。
发明内容
描述了一个或多个实施例，用于利用至少三个相电流测量来确定马达控制系统中的传感器故障。示例系统包括电流控制器，用于使用前馈控制产生用于马达的输入电压命令。所述系统还包括故障传感器识别模块，其响应于电流控制器使用前馈控制操作，确定电流偏移误差指示电流传感器的故障，基于诊断电流的相位和幅度确定电流偏移误差。此外，响应于故障，故障传感器识别模块基于诊断电流的相位值来识别发生故障的电流传感器。
用于确定具有至少三个相电流测量的马达控制系统中的传感器故障的示例方法包括由电流控制器模块基于测量的马达电流使用前馈控制来产生用于马达的输入电压命令。所述方法还包括在马达控制系统使用前馈控制操作时，由故障传感器识别模块识别发生故障的特定电流传感器。该识别包括基于诊断电流的幅度，确定电流偏移误差指示故障。该识别还包括响应于单点故障，基于诊断电流的相位值来识别发生故障的电流传感器。
本文所述的方法还包括：响应于检测到电流偏移误差，通过控制模式仲裁模块切换所述电流控制器以使用反馈控制进行操作。
示例马达控制系统包括马达和电流控制器模块，该电流控制器模块基于测量的马达电流使用反馈控制产生用于马达的输入电压命令。马达控制系统还包括检测偏移误差的电流测量和诊断计算模块。马达控制系统还包括故障传感器识别模块，其响应于偏移误差，切换电流控制器模块以使用前馈控制进行操作。当在前馈控制中操作时，故障传感器识别模块还基于诊断电流的幅度高于第一预定阈值来确定故障，并且作为响应基于诊断电流的相位值来识别发生故障的电流传感器。
在一个实施例中，所述电流诊断模块还被配置为：响应于识别发生故障的所述电流传感器，将所述电流控制器模块切换为使用反馈控制进行操作。
在一个实施例中，所述系统还包括电流计算转换模块，其基于识别发生故障的电流传感器，来修改用于确定所测量马达电流的测量的计算方案。
在一个实施例中，所述故障传感器识别模块还被配置为基于所述前馈控制中所述诊断电流的幅度高于所述第一预定阈值以及所述诊断电流的相位不在一组预定检测窗口中来确定多点故障，并且作为响应发起系统关闭。
从以下结合附图的描述，这些和其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
在说明书结论处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将变得清楚，其中：
图1是转向系统的示例性实施例；
图2描绘了根据一些实施例的利用电流控制反馈回路中的相电流测量的多相永磁同步电机(PMSM)的转矩控制模块100的框图；
图3示出了根据一个或多个实施例的马达控制系统的内联电流测量的示例；
图4描绘了根据一个或多个实施例的电流测量计算和诊断模块的框图；
图5描绘了根据一个或多个实施例的在反馈和前馈操作模式之间进行选择的电流控制器的示例框图；
图6描绘了根据一个或多个实施例的故障传感器识别模块的框图；
图7示出了根据一个或多个实施例的实现故障特征提取模块的框图；
图8示出了根据一个或多个实施例的用于在前馈控制操作模式中识别特定故障电流测量组件的示例方法的流程图；以及
图9示出了根据一个或多个实施例的用于马达控制系统中的容错电流测量的示例方法的流程图。
具体实施方式
如本文所使用的，术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路，诸如专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适组件。可以理解，下面描述的子模块可以被组合和/或进一步细分。
现在参考附图，其中将参考特定实施例描述技术方案，而不是对其进行限制，图1是适合于实现所公开实施例的电动助力转向系统(EPS)40的示例性实施例。转向机构36是齿条齿轮式系统，并且包括位于壳体50内的齿条(未示出)和位于齿轮壳体52下方的小齿轮(也未示出)。当转动在下文中表示为方向盘26(例如手持式方向盘等)的操作者输入时，上转向轴29转动，并且通过万向接头34连接到上转向轴29的下转向轴51转动小齿轮。小齿轮的旋转使齿条移动，齿条移动拉杆38(仅示出一个)，继而移动转向节39(仅示出一个)，其转动可转向轮44(仅示出一个)。
电动助力转向辅助通过总体用附图标记24表示的控制装置提供，并且包括控制器16和电机46，电机46可以是永磁同步马达、永磁直流马达、开关磁阻马达、或者任何其他类型的马达，在下文中表示为马达46。控制器16由车辆电源10通过线路12供电。控制器16从车辆速率传感器17接收表示车辆速率的车速信号14。通过位置传感器32测量转向角，位置传感器32可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其他合适类型的位置传感器，并且向控制器16提供位置信号20。可以使用转速计或任何其他设备测量马达速率，并将其作为马达速率信号21传输到控制器16。可以测量、计算(或其组合)表示为ωm的马达速率。例如，马达速率ωm可以被计算为由位置传感器32在规定的时间间隔内测量的马达位置θ的变化。例如，可以将马达速度ωm确定为马达位置θ的导数ωm＝Δθ/Δt，其中Δt是采样时间，并且Δθ是采样间隔期间的位置变化。或者，可以从马达位置导出马达速率作为位置的时间变化率。应当理解，存在许多用于执行导数功能的众所周知的方法。
当方向盘26转动时，转矩传感器28感测由车辆操作者施加到方向盘26的转矩。转矩传感器28可包括扭杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，其相对于扭杆上的扭转量向控制器16输出可变转矩信号18。虽然这是一种转矩传感器，但是与已知信号处理技术一起使用的任何其他合适的转矩传感设备都是足够的。响应于各种输入，控制器向电动马达46发送命令22，电动马达46通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供转矩辅助，从而为车辆转向提供转矩辅助。
应当注意，尽管通过参考用于电动转向应用的马达控制来描述所公开的实施例，但是应当理解，这些参考仅是说明性的，并且所公开的实施例可以应用于采用电动马达的任何马达控制应用，例如转向、阀控制等。此外，本文的参考和描述可适用于许多形式的参数传感器，包括但不限于转矩、位置、速度等。还应注意，本文对电机的引用包括但不限于马达，以下为了简洁和简单起见，将仅对马达进行引用而不进行限制。
在如图所示的控制系统24中，控制器16利用转矩、位置和速度等来计算传递所需输出功率的命令。控制器16设置成与马达控制系统的各种系统和传感器通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号，量化所接收的信息，并响应于此提供输出命令信号，在本示例中，例如，提供给马达46。控制器16被配置为从逆变器(未示出)产生必要的电压，逆变器可以可选地与控制器16结合并且在本文中称为控制器16，使得当应用于马达46时，产生期望的转矩或位置。因为这些电压与马达46的位置和速度以及期望的转矩有关，所以可确定转子的位置和/或速度以及操作者施加的转矩。位置编码器连接到转向轴51，以检测角位置θ。编码器可以基于光学检测、磁场变化或其他方法来感测旋转位置。典型的位置传感器包括电位计、旋转变压器、同步器、编码器等，以及包括前述中的至少一个的组合。位置编码器输出表示转向轴51的角位置的位置信号20，从而输出马达46的角位置。
期望的转矩可以由一个或多个转矩传感器28确定，转矩传感器28传输指示施加的转矩的转矩信号18。一个或多个示例性实施例包括这样的转矩传感器28并且来自其的转矩信号18，可以响应于柔性扭杆、T形杆、弹簧或被配置为提供指示所施加转矩的响应的类似装置(未示出)。
在一个或多个示例中，温度传感器23位于电机46处。优选地，温度传感器23被配置为直接测量马达46的感测部分的温度。温度传感器23传输温度信号25到控制器16，以便于本文规定的处理和补偿。典型的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、恒温器等，以及包括至少一个前述传感器的组合，其在适当放置时提供与特定温度成比例的可校准信号。
位置信号20、速率信号21和转矩信号18等被施加到控制器16。控制器16处理所有输入信号，以产生对应于每个信号的值，得到可用于本文所述算法中的处理的转子位置值、马达速度值和转矩值。诸如上述的测量信号也根据需要被共同线性化、补偿和滤波，以增强特性或消除所获取信号的不期望特性。例如，信号可以被线性化以提高处理速度，或者解决信号的大动态范围。另外，可以采用基于频率或时间的补偿和滤波来消除噪声或避免不期望的光谱特性。
为了执行规定的功能和期望的处理，以及因此的计算(例如，马达参数的识别、控制算法等)，控制器16可以包括但不限于，处理器、计算机、DSP、存储器、存储装置、寄存器、定时、中断、通信接口和输入/输出信号接口等、以及包含至少一种前述的组合。例如，控制器16可以包括输入信号处理和滤波，以实现来自通信接口的这种信号的准确采样和转换或获取。在本文稍后详细讨论控制器16的附加特征和其中的某些过程。
图2描绘了根据一些实施例的利用电流控制反馈回路中的相电流测量的多相永磁同步电机(PMSM)的转矩控制模块100的框图。如图所示，转矩控制模块100包括产生马达参考电流命令的电流发生器102、电流调节器模块104、以及电流测量计算和诊断模块106。图2还描绘了马达110和测量来自马达110的反馈电流的电流测量模块108。
如这里所使用的，术语“模块”或“子模块”指的是专用集成电路(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、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适组件。当在软件中实现时，模块或子模块可以在存储器中实现为非暂时性机器可读存储介质，其可由处理电路读取并存储用于由处理电路执行以执行方法的指令。此外，图中所示的模块和子模块可以组合和/或进一步细区。
马达参考电流发生器102基于输入信号产生前馈电压命令120和电流命令122。输入信号可包括马达转矩命令114、马达速率116、源电压信号118和马达参数112。马达转矩命令114表示命令的转矩值，并且可以从例如EPS、自动转向或半自动转向控制单元的另一个转矩控制模块(未示出)导出，或者可以对应于操作员产生的转矩值。马达速率116是由速度传感器(未示出)测量的马达110的角速度。速度传感器可包括例如编码器和用于基于编码器接收的信号计算马达110的转子的角速度的速度计算电路。在一些实施例中，可以根据马达位置估计马达速度。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Ke(伏特/弧度/秒)、马达电路电阻R(欧姆)、直轴电感Ld(亨利)和正交轴电感Lq(亨利)。
在一些实施例中，由马达参考电流发生器102产生的电流命令122包括参考d轴电流命令和参考q轴电流命令，其是基于马达转矩命令114、源电压信号118和角速度产生的。马达参考电流发生器102还计算前馈电压命令120，其可包括前馈d轴电压命令和前馈q轴电压命令。电流命令122满足马达转矩命令114和电源电压信号118。
电流调节器模块104基于前馈电压命令120、电流命令122和测量的马达电流124确定最终电压命令126。测量的马达电流124包括测量的d轴电流和测量的q轴电流，它们从定子参考系中的电流测量信号转换而来。
电流调节器模块104将最终电压命令126发送到马达110以控制马达110。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。基于输入，极性转换控制器确定电压命令和相位超前角。然后，脉冲宽度调制(PWM)生成模块(未示出)从极性转换控制器接收电压命令和相位超前角作为输入信号。PWM生成模块还接收由马达位置传感器(未示出)测量的马达110的马达位置或转子角度值，并产生多相占空比值。在一些实施例中，PWM生成模块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。
为了反馈控制目的，电流测量模块108测量实际马达电流128并将测量的马达电流124的值发送到电流测量计算和诊断模块106。在一些实施例中，电流测量模块108包括根据马达110的实际电流128产生测量的马达电流124的电流测量传感器。因此，测量的马达电流124表示由电流测量模块108测量的相电流(例如，两相、三相)的值。
通常，在三相电流测量系统中，电流传感器故障导致不能转换到辅助缓解模式或导致关停。例如，当在相电流测量中发生大的偏移误差时，在同步参考系中操作的闭环电流控制调节马达电压，使得马达电流的测量与命令匹配，但由于测量不正确，实际马达电流不正确。故障模式导致马达位置相关的马达转矩和电流误差，这可能被视为马达轴处的大转矩波动，并且可能大于马达额定电流(对于硬件设计)。当由相电流测量偏移误差引起的转矩波动变得足够大时，它可以在与马达转矩命令相反的方向上产生马达转矩。当在EPS系统12中使用时，在与期望的马达转矩命令相反的方向上产生转矩的故障可能导致违反系统安全目标或故障管理要求。
因为对于Y连接马达或平衡马达，所有三个相电流的总和必须总是等于零，所以大多数马达控制系统通常在三相内联(inline)电流测量系统中仅使用两个分流器。由于不同的系统要求，也可以采用三个分流器测量系统。在这样的系统中，如果仅在一个相位上发生偏移误差，则可以利用剩余的两个健康测量在反馈控制模式下继续运行系统，从而提高整个驱动系统的容错和可靠性。这使得马达控制系统能够在一个分流器发生故障时在反馈控制模式(期望的控制模式)下继续运行，并且还能够识别多个同时发生的故障，这提供了将系统转换到前馈控制模式以用于辅助缓解丢失的能力。这种电流测量故障检测算法在反馈控制模式下工作。
然而，在一些马达控制系统中，例如在EPS系统12中，当发生单点故障时，即，单个电流测量单元发生故障时，如果系统在反馈控制中运行，则所产生的制动转矩对于操作者(驾驶员)而言可能太大而难以克服，因此系统转换到采用状态观测器算法的前馈模式。例如，当发生第一单点故障时，主诊断检查故障条件，并将控制模式更改为前馈控制。这使得系统操作(例如在EPS系统中，在驾驶员的转向感觉方面)具有相对好的性能，尤其是在利用动态前馈控制时更是如此。对于三相电流测量系统而言，使用等于零逻辑的电流之和的诊断实际上是瞬时的。然而，特定分流器故障检测所需的观测器类型算法通常较慢并且在某种程度上取决于操作条件。因此，可能希望这样的系统来检测故障，转换到前馈控制模式，然后检测前馈控制操作中的特定分流器或多个故障。本文描述的技术方案通过促进检测电流测量系统中的单点故障以及多个同时故障来解决这些技术挑战。在马达控制系统中的电流测量系统故障的情况下，技术方案进一步促进了几乎无缝的容错性。
图3示出了根据一个或多个实施例的马达控制系统的内联电流测量的示例。马达控制系统100包括逆变器模块或电源301、开关302、电流测量模块108和三相马达110。通常有两种方法来测量三相马达110的相电流-内联电流测量和低侧电流测量。本文描述的技术方案适用于内联电流测量系统。在内联电流测量中，电流测量模块108直接测量马达110的相电流，如图3所示。注意，为了测量Y连接马达或平衡马达的3相电流，可以使用两个内联电流测量，并且可以计算第三相电流。在具有三个内联电流测量系统的配置中，本文描述的技术方案有助于在前馈模式中检测电流传感器故障并且还识别哪个传感器已经发生故障。基于故障的传感器识别，马达控制系统500可以通过两个内联电流测量系统切换回反馈控制模式。
图4描绘了根据一个或多个实施例的电流测量诊断模块的框图。在正常操作期间，同步系电流计算模块210使用三个测量电流以及电动马达位置以获得同步系(d/q)电流，然后经由电流调节器104将其用于电流控制。主电流测量诊断模块205检测测量电流中是否存在故障。例如，在一些实施例中，主电流测量诊断模块205可以基于Y连接马达或平衡马达中三相电流之和为零的假设来检测故障。当发生第一单点故障时，控制模式仲裁模块230改变电流调节器104以在前馈控制模式下操作。
在前馈控制操作中，故障传感器识别模块240识别电流测量系统中的故障单元。应当注意，在前馈控制模式中，电流测量不用于控制，而是使用逆机器模型(静态或动态)。一旦单点故障识别完成，即确定发生单个故障的事实，以及识别出已经发生故障的特定电流测量单元(传感器)，则马达控制系统通过控制模式仲裁模块230经由电流调节器104转换到反馈控制模式(优选的控制模式)。在反馈操作期间，健康测量仲裁模块220利用故障的传感器信息仅发送健康传感器数据，用于通过同步系电流计算模块210计算同步系电流。同时，启用辅助(观测器类型)诊断模块250(并且禁用主诊断模块205)，以检测任何后续故障。当发生辅助诊断模块250检测到这种后续故障时，马达控制系统200永久地转换为前馈控制操作。在第一故障本身是多点故障的情况下，即多个传感器同时发生故障，故障传感器识别模块240检测到这一点，通知健康测量仲裁模块220并且控制模式仲裁模块230将系统永久保持在前馈控制模式。
在一个或多个示例中，电流测量计算和诊断模块106基于幅度和相位值识别特定故障传感器，并将合适的通知标记输出到控制模式仲裁模块230、辅助(观测器)诊断模块250或被配置为如果识别出故障传感器则调整或控制如何确定所测量的马达电流124的其他适当模块。此外，在一个或多个示例中，电流测量计算和诊断模块106将诊断标记130和同步系电流测量132提供给电流调节器模块104。基于这样的输入，电流调节器104确定使用前馈还是反馈控制以产生至马达的电压命令。
应当注意，尽管上面的示例描述了使用电流之和的主诊断模块205，但是在其他示例中，主诊断模块205可以使用任何其他技术来检测电流偏移误差，例如，可以使用观测器模型。
电流测量计算和诊断模块106，特别是故障传感器识别模块240，基于由电流测量计算和诊断量值模块106计算的诊断电流的幅度ΔI0和相位φ，检测已经发生故障的特定传感器，如本文进一步描述的。可以如下执行幅度计算，
Figure BDA0001855631800000091
相位评估可以如下进行：
Figure BDA0001855631800000092
可以理解，在图2的诊断方案中，首先评估幅度，并且如果幅度大于可校准阈值ΔIth，则计算相位(或者，可以永久地计算相位，但仅在幅度超过阈值时使用)。可以将幅度与值高于ΔIth的第二(例如，临界)阈值ΔIthc进行比较，以指示是否已经发生多个同时传感器故障，在这种情况下，诊断方案可以发出关停(或丢失辅助缓解)标记。然而，足够大的电阻估计误差也可能导致ΔIe变得低于ΔIth或高于ΔIthc，分别导致没有检测或错误检测。这可以通过使阈值ΔIth和ΔIthc动态值随着指示参数误差的“量”的指示符变化来克服。例如，可以在用可编程低通滤波器滤波之后从ΔIdq值获得这样的指示符，因为任何平均含量(content)意味着存在偏移误差。注意，这种大的估计误差通常不会在适当调谐的系统中发生，因此这里不包括对该方案的详细讨论。
注意，与上面讨论的电流差相关的许多值可以用作诊断电流。诊断电流可以被计算为电流之间的差异或者可以基于电流之间的差异来计算诊断电流。例如，诊断电流可以是ΔI0、ΔIe或
Figure BDA0001855631800000101
取决于偏移误差是分别处于a相、b相还是c相，相位的值可以等于0、-φx或φx中的一个。然而，为了提高鲁棒性(由于电流调节器的带宽限制而需要)，围绕每个误差的标称相位值建立φw的检测窗口，并且检查计算的相位以查看它是否位于特定分流器的检测窗口内。如果该值不在任何窗口内，则意味着多个同时发生的故障，并且诊断方案发出关停(或辅助缓解丢失)标记。
相位计算可总结如下：
Figure BDA0001855631800000102
Fs表示发生故障的传感器，m表示多个同时发生的传感器故障。注意，相位检测机构可以通过简单地交换b相和c相的逻辑而被配置用于负的机电极性系统。
一旦幅度超过阈值就评估错误相以确定哪个传感器已经发生故障，并且可以经由故障的传感器信息信号将关于已经故障的特定传感器的识别和其他信息发送到电流计算转换模块314。一旦检测到故障传感器，则电流模式仲裁模块230就修改电流测量以使用剩余的健康传感器，并且系统能够以反馈控制模式操作。请注意，一旦系统在主诊断发生第一单点故障后开始以反馈模式运行，并且故障传感器识别模块和辅助诊断被激活，则后续电流测量故障将导致诊断标记永久锁定到以前馈电流控制模式操作系统。或者，系统可以简单地关停，而不是在前馈控制模式下操作。可以通过将诊断标记130直接提供给电流控制器和/或参考生成模块来初始化前馈控制操作，使得适当地计算最终电压。
图5描绘了根据一个或多个实施例的用于选择马达控制系统的操作模式的示例框图。控制选择器430从电流测量计算和诊断模块106接收诊断标记130。基于诊断标记，控制选择器430选择使用前馈控制器410用于马达控制系统的前馈模式操作或者使用电流调节器104用于马达控制系统的反馈模式操作。如本文所述，在第一单点故障之后，控制选择器430选择前馈控制器410直到识别出故障组件，然后在单点故障的情况下切换回反馈模式。此时，电流调节器104继续使用基于健康组件的反馈模式进行操作。在进一步的组件故障的情况下，控制选择器430永久地切换到前馈控制器410。替代地或者另外，在进一步故障的情况下，在一个或多个示例中可以关停马达控制系统200。图6描绘了根据一个或多个实施例的故障传感器识别模块的框图。故障传感器识别模块240模块包括故障特征提取模块510和特定故障识别520、以及其他组件。故障传感器识别模块240确定电流测量偏移误差。在三相abc静止参考系中具有偏移误差的电流测量可以在数学上表示为，
Iam＝Ia+ΔIa
Ibm＝Ib+ΔIb
Icm＝Ic+ΔIc
向两相αβ静止系的转换给出了
Iαm＝Iα+ΔIα
Iβm＝Iβ+ΔIβ
其中
Figure BDA0001855631800000111
且
Figure BDA0001855631800000112
ΔIβ项符号中的+和-符号分别用于正的和负的机电极性系统。注意这种符号差异很重要，因为它对于配置两种系统配置的检测算法至关重要。本文的其余描述是针对正的机电极性系统而提供的，然而，应该明显的是，相同的方案如何对负系统起作用。用于在abc和αβ静止系之间进行转换的变换矩阵是，
Figure BDA0001855631800000121
当转换成同步参考系时，测量的dq电流变为
Idm＝Id+ΔId
＝Id+ΔI0cos(θ-φ)
Iqm＝Iq+ΔIq
＝Iq+ΔI0sin(θ-φ)
其中误差项的幅度和相位是：
Figure BDA0001855631800000122
请注意，转换矩阵是，
Figure BDA0001855631800000131
Figure BDA0001855631800000132
根据误差方程，可以看出，如果一次只有一个相位存在偏移误差，比如ΔIe，则误差的幅度是
Figure BDA0001855631800000133
无论具体的分流器如何，误差都是相同的。误差项的相位承载已故障的特定分流器的信息，并且该值对于每个分流器是唯一的。三相中误差相位的值分别为：
φa＝0
Figure BDA0001855631800000134
Figure BDA0001855631800000135
因为任何分流器中的正和负误差产生相同的相位值，所以相位值中的偏移误差的特征对于每个分流器是唯一的，而与误差的符号无关。
故障特征提取模块510确定前馈模式中的特征(在检测到故障之后切换)。因此，对于特征提取，模块510直接使用测量电流124。在前馈控制操作中，使用如下所述的逆机器模型计算电压命令。
Figure BDA0001855631800000136
Figure BDA0001855631800000137
其中Idqr是命令电流或参考电流，ωm和ωe分别经由机器极点Np通过
Figure BDA0001855631800000138
相关的马达机械和电气速率，并且
Figure BDA0001855631800000139
和
Figure BDA00018556318000001310
分别是估算的机器电阻、d和q轴电感、和电压常数。
假设机器参数估计是准确的，可以假设实际相电流等于命令电流122，即Idqr＝Idq。由于测量的电流是不准确的，因此可以计算电流差ΔIdq(其他技术，稍后描述，也可以替代地使用)，如下所示。
ΔIdq＝Idqm-Idq
＝Idqm-Idqr
应当注意，电流误差如上所述与ΔI0和φ有关，其用于提取故障特征信息。通过首先执行解调操作来获得ΔI0和φ的值。执行解调的一种方式是应用逆Park变换并获得诊断静止参考系中的电流差ΔI′aβ。例如：
ΔI′α＝ΔIdcos(θ)+ΔIqsin(θ)
＝ΔI0cos(θ-φ)cos(θ)+ΔI0sin(θ-φ)sin(θ)
＝ΔI0cos(φ)
ΔI′β＝ΔIdsin(θ)-ΔIqcos(θ)
＝ΔI0cos(θ-φ)sin(θ)-ΔI0sin(θ-φ)cos(θ)
＝ΔI0sin(φ)
在机器参数估计不准确的情况下，实际电流128不等于参考电流122。在存在不同参数误差的情况下实际电流128和命令电流122之间的关系可以表示如下。
Figure BDA0001855631800000141
其中R、Ld、Lq和Ke分别是实际机器电阻、d和q轴电感、和电压常数。因此，可以如下所示计算电流误差。
Figure BDA0001855631800000151
由于这种不完美的电流跟踪，同步系电流差ΔIdq具有附加的DC误差项，其可以从上面所示的计算中获得。这种差异可以用数学方式表示如下。
ΔId＝ΔI0cos(θ+φ)ΔIde
ΔIq＝ΔI0sin(θ+φ)ΔIqe
如果Park变换应用于这些信号，则所得到的诊断静止系电流差信号包含如下所述的不期望的正弦项。
ΔI′α＝ΔI0cos(φ)+(ΔIdecos(θ)+ΔIqesin(θ))
ΔI′β＝ΔI0sin(φ)+(ΔIdesin(θ)-ΔIqecos(θ))
本文描述的技术方案以几种方式解决了这种不期望的正弦项的技术挑战，以减少参数估计误差的影响，包括在解调之前在同步系中使用自适应带通滤波器，或者解调之后在诊断静止系中使用自适应低通滤波器。进一步描述了这些技术。
图6示出了根据一个或多个实施例的在提取电流传感器偏移误差故障特征之前减小参数误差的影响的框图。图6描绘了不同的示例实现，第一故障特征提取模块510A、第二故障特征提取模块510B和第三故障特征提取模块510C。在故障特征提取模块510A-B中，使用来自测量电流124和电流命令122的同步系信号作为输入。
第一故障特征提取模块510A包括差计算模块610，用于计算测量电流124和电流命令122之间的电流差610，如前所述。此外，第一故障特征提取模块510A包括可编程带通滤波器模块620和变换模块630。
可编程带通滤波器模块620可以包括级联的高通和低通(增益和相位补偿模块)滤波器结构，其包括可编程高通滤波器模块和低通滤波器模块。带通滤波器模块620接收电流命令122和前馈测量电流124之间的电流差612。可编程高通滤波器模块导致从电流差612中去除恒定分量。因此，可编程高通滤波器模块可以具有与马达110(图1)的同步频率ωe成比例的截止频率。可编程高通滤波器模块可基于可校准的常数值编程。可以调谐可校准的常数值，以减小正弦电流分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块的传递函数可以写成如下：
Figure BDA0001855631800000161
其中k是可校准常数，可以对其进行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可以利用同步频率ωe，并且滤波器引入的增益和相位误差是静态的。而且，利用可编程高通滤波器模块，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不限于上述实施例。例如，可以使用更高阶滤波器，只要可编程滤波器去除电流差612的恒定分量即可。
高通滤波器模块产生高通滤波电流差，并发送到可编程低通滤波器模块。可编程高通滤波器模块可以将幅度和相位误差引入滤波后的电流差622，其需要由低通滤波器模块(这里也称为增益和相位补偿模块)执行补偿。在一些实施例中，增益和相位补偿模块包括具有以下传递函数的一阶单位增益可编程低通滤波器(PLPF)：
Figure BDA0001855631800000162
一阶单位增益可编程低通滤波器可以补偿滤波后的电流差622，以恢复最终电流命令122的增益和相位。可以根据写为下式的约束方程来执行补偿：
∠H(jωe)-∠L(jωe)＝0
|H(jωe)L(jωe)|＝1
在其他实施例中，增益和相位补偿模块可以使用具有如下所示的传递函数的二阶低通滤波器。
Figure BDA0001855631800000163
上面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。增益和相位补偿可能分别需要不同的k′和ζ来实现稳态规范，这必须使用上述方法适当地计算。
利用上述级联滤波器结构，可编程带通滤波器模块620具有以下形式的传递函数，
B(s)＝H(s)L(s)，
其中：
∠H(jωe)-∠L(jωe)＝0
|H(jωe)L(jωe)|＝1
可编程带通滤波器模块620产生滤波后的补偿电流差622，其被发送到变换模块630以进行处理。在一个或多个示例中，变换模块630利用逆Park变换或类似的数学变换将DC系(转子参考系或d/q参考系)中的测量相电流转换为AC系(定子参考系)，简化误差确定的分析。变换模块630的输出，静止(定子)系632中的滤波后的电流差被发送到误差识别模块520。在一个或多个示例中，将诊断电流的幅度与阈值进行比较，例如，在定子参考系中，并且确定是否存在电流测量偏移误差，例如，幅度是否超过阈值。
可编程带通滤波器模块620可以数字地实现，以减轻连续时间滤波器的幅度和相位的差异。滤波器模块620的数字实现可以基于同步频率但是在离散域中实现，如以下等式所示，其中ωe是马达110的同步频率，例如动力转向系统12，或者任何其他应用程序，诸如动力工具，的同步频率。此外，Ts是实现滤波器模块620的控制回路的采样时间，
Figure BDA0001855631800000171
尽管在前述示例中，带通滤波器模块620包括可编程高通滤波器模块和低通滤波器模块，但是进一步预期并理解滤波器可以是具有虚极的直接带通滤波器。替代地或另外地，滤波器模块620可以是更高阶的，例如四阶或五阶滤波器。此外，在一个或多个示例中，代替处理电流差612，可以消除差计算模块610，并且可以将最终电流命令122而不是电流差612直接用作带通滤波器模块620的输入。
现在参考第二故障特征提取模块510B，第二模块510B还包括差计算模块610，用于计算如前所述的测量电流124和电流命令122之间的电流差610，以及用于执行逆Park变换的变换模块630等。在第二故障特征提取模块510B中，在滤波之前解调电流差612，以在静止(定子)系634中产生电流差，如图6所示。静止(定子)系634中的电流差被提供给可编程低通滤波器640。低通滤波器640是如前所述的PLPF，具有传递函数L(s)以恢复最终电流命令122的增益和相位。低通滤波器640可以是一阶、二阶或任何更高阶滤波器。低通滤波器640在静止系632中产生滤波后的电流差，以供如本文所述的进一步使用。
如本文所述，如图6所示，第一和第二故障特征提取模块510A-B使用同步系中的电流差和命令电流作为输入。在又一示例中，第三故障特征提取模块510C代替使用同步系电流然后执行解调的间接技术，可以通过假设静止系中的命令电流Iαβr122(从同步系电流命令转换的)等于如下的实际电流128来直接使用静止系测量电流
ΔI′αβ＝Iαβm-Iαβ
＝Iαβm-Iαβr
其中如下获得静止系中的命令电流Iαβr。
Figure BDA0001855631800000181
因此，第三故障特征提取模块510C包括差计算模块610'，其使用静止系测量电流124'和静止系电流命令122'计算如上所述的静止系中的电流差612'。
由于由参数估计误差导致的这种不完美的电流跟踪，静止系电流差ΔI′αβ具有附加的正弦误差项，其可以从上面所示的计算中获得。这种差异可以用数学方式表示如下。
ΔI′α＝ΔIα+ΔIαe
ΔI′β＝ΔIβ+ΔIβe
因此，在这种情况下，还可以使用上述滤波技术来减少参数估计误差影响。第三故障特征提取模块510C包括可编程低通滤波器640'，其对静止系612'中的电流差进行滤波，以在没有解调的情况下在静止系632中产生滤波后的电流差。
在一个或多个示例中，静止系632中的滤波电流差由幅度计算和相位提取模块650接收。模块650确定接收输入的幅度和相位。确定的幅度和相位一起用作识别故障的特征，即，故障是单点故障还是多点故障，并且如果是单点故障，是哪个组件发生故障，如本文前面所述。
应当注意，在一个或多个示例中，可以直接使用同步系124中的测量电流(没有差值计算)。用于自适应带通滤波器620、解调630和自适应低通滤波器640'的模块接收测量的电流和同步系124，以进行如本文所述的进一步处理。(图7使用虚线相应地描绘了的电流差计算模块和输入命令电流)。差计算在将电流转换为静止系之前去除低频分量(由于变化的操作条件)。
本文描述的故障特征提取模块为高同步频率以及全频谱同步频率提供诊断鲁棒性。这些故障特征提取模块中的任何一个都用在故障传感器识别模块240中。不同的实现在不同输入范围内表现出不同的精度，因此根据正在使用马达控制系统200的应用选择故障特征提取模块。
返回参考图6，故障特征提取模块的输出被转发到特定故障识别模块520。特定故障识别模块520使用提取的相位和提取的幅度的输入值来识别特定的故障电流测量组件。
图8示出了根据一个或多个实施例的用于在前馈控制操作模式中识别特定故障电流测量组件的示例方法的流程图。所述方法包括使用反馈模式操作马达控制系统200，如701所示。马达控制系统200的操作继续，直到电流测量计算和诊断模块106检测到电流测量误差，如702所示。基于测量的电流值124和基于电流命令122的估计的电流值通过主诊断模块205检测电流测量误差。如果检测到电流测量误差，则马达控制系统200切换到前馈操作模式，如705所示。主诊断模块205可以基于多个相中电流测量的总和不等于预定值(例如零)来检测电流测量中的电流偏移误差。替代地或另外地，主诊断模块205使用观测器或任何其他技术来检测电流偏移误差。所述方法还包括使用辅助诊断模块250确定当在前馈模式下操作时引起电流测量误差的故障组件，如本文所述。
特定故障识别模块520确定诊断静止系ΔI′αβ中的最终电流差632的幅度值(ΔI0)，如710所示。例如，计算可表示为：
Figure BDA0001855631800000201
在一个或多个示例中，通过与可校准阈值ΔIth进行比较来评估电流差值幅度，如715所示。如果幅度大于阈值，则将幅度与值高于ΔIth的第二“临界”阈值ΔIthc进行比较，以指示是否已经发生多个同时传感器故障，在这种情况下，诊断方案发出关停(或辅助缓解丢失)标记，如720和725所示。
如果幅度大于第一阈值但小于第二阈值，则发生单点故障，并且计算静止系632中的滤波电流差的相位(φ)，如730所示。例如：
Figure BDA0001855631800000202
理想情况下，如前所述，电流差相位的值可以是0、-φx或φx，这取决于偏移误差分别处于a相、b相还是c相。然而，为了提高鲁棒性，围绕每个误差的标称相位值建立φw的小检测窗口，并且检查计算的相位以查看它是否位于特定分流器的检测窗口内，如740所示。对于每相，相位计算可以表示如下：
Figure BDA0001855631800000203
其中Fs代表故障的传感器，并且.代表多个同时传感器故障。
在一个或多个示例中，相位检测机构可以通过交换b相和c相的逻辑而被配置用于负的机电极性系统。在上文中，如果电流差的相位位于任何一个检测窗口中，则与特定相位(a、b或c)相关联的传感器被识别为故障的组件。因此，故障和/或故障传感器的检测发生在前馈模式中。在检测到时，马达控制系统200切换回反馈模式，以使用可用的健康电流测量进行操作，如750所示。如果该值不在任何窗口内，则意味着多个同时发生的故障，并且诊断方案发送关停(或丢失辅助缓解)标记，如725所示。
因此，根据标称相位值计算检测窗口值，并且通过落在负检测窗口值和正检测窗口值之间的相位值确定第一传感器故障。此外，由落在从非零相位误差值(φx)中减去的检测窗口值和将检测窗口加到非零相位误差值之间的相位值确定第二传感器故障。
图9示出了根据一个或多个实施例的用于马达控制系统中的容错电流测量的示例方法的流程图。所述方法包括使用反馈模式操作马达控制系统200，如801所示。马达控制系统200的操作继续，直到电流测量计算和诊断模块106检测到电流测量误差，如805所示。基于测量的电流值124和基于电流命令122的估计的电流值检测测量误差。如果检测到电流测量误差，则马达控制系统200切换到前馈操作模式，如810所示。例如电流测量计算和诊断模块106使用诊断标记130向电流调节器104指示切换，以使切换处于操作模式。
所述方法还包括确定马达控制系统200是否使用内联电流测量来测量实际马达电流128，如820所示。在一个或多个示例中，在控制器26中设置标记以指示是否正在使用内联电流测量。如果没有使用内联电流测量，则马达控制系统200继续以前馈模式操作，如810所示。如果正在使用内联测量，则所述方法包括在反馈模式中提取检测到的电流测量误差的故障特征，如830所示。故障特征提取包括计算测量的电流值124以及基于电流命令122的估计的电流值中的误差(差)的相位和幅度。
所述方法还包括在前馈模式下操作时确定故障组件，如进一步描述的。所述方法还通过控制诊断模块确定故障是单点故障还是多点故障来进行，如840所示。该确定在前馈模式下完成。例如，在转向系统中，基于转矩命令使用由电流调节器104产生的前馈命令中的输入电流命令来进行确定，并且最终电流命令被配置为被发送到马达110并且基于马达电流的测量。单点故障包括单个电流测量组件的故障，并且多点故障包括多个组件故障。在一个或多个示例中，该确定基于电流差632的相位。
如果故障是多点故障，则所述方法通过指示多个组件已经发生故障而继续进行，如850所示。在这种情况下，所述方法包括永久地设置前馈操作模式，如852所示。此外，在一个或多个示例中，所述方法包括发送用于系统关停的信号，如854所示。或者，例如在诸如转向系统12的应用中，所述方法包括发送指示辅助缓解丢失的信号，以指示转矩辅助不再用于操作员。
如果故障是单点故障，则所述方法通过指示单个组件已经发生故障而继续进行，如860所示。所述方法进一步进行，以在如本文所述的前馈模式操作时识别故障组件，如862所示。在识别出故障组件时，所述方法还包括切换回反馈操作模式，如864所示。例如，通过发送诊断标记130值来执行切换，以使电流调节器104选择反馈控制。此外，所述方法包括设置仲裁以仅使用健康信号而不使用来自故障组件的电流测量用于反馈控制，如866所示。应当注意，如果这是第二(或稍后)单点故障，则方法根据本文描述的多点故障进行(850)。
本文描述的技术方案有助于从电流差值幅度检测偏移误差的存在，并且还从电流差值相位检测特定故障传感器。本文描述的技术方案有助于在马达控制系统的前馈模式操作中确定故障组件，其中马达控制系统从检测到故障的反馈模式切换到前馈模式。注意，故障传感器标识符的特定值指示马达控制系统的特定相(例如a相、b相或任何其他相)上的故障。技术方案有助于检测电流测量硬件是发生了单点故障还是多点故障。在单点故障的情况下，技术方案有助于使用健康组件以在反馈控制模式中继续操作。在多点故障的情况下，技术方案继续以前馈模式操作，该前馈模式具有比反馈模式更慢的动态响应。此外，在多点故障的情况下，技术方案可能导致马达控制系统关停。在马达控制系统用于提供辅助转矩或任何其他此类应用的情况下，技术方案有助于提供指示来自马达的这种辅助转矩不再可用的信号，其可用于提供指示(视觉/音频)给操作员。
本文描述的技术方案有助于使用电流值检测前馈控制模式中的电流测量误差，并识别已经故障的特定传感器，包括检测多个同时故障的能力。技术方案进一步有助于在故障识别后使用健康的传感器(取决于电流测量子系统的性质)。此外，技术方案有助于在具有内联相电流测量的系统中检测到故障传感器之后将马达控制系统转换到反馈控制模式。此外，技术方案采用诸如机器参数学习之类的算法来增强具有低侧电流测量的系统中的系统性能。
本技术方案可以是任何可能的技术细节集成级别的系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或介质)，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本技术方案的各方面。
本文参考根据技术方案的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本技术方案的各方面。将理解，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令实现。
附图中的流程图和框图示出了根据本技术方案的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实现方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，事实上，连续示出的两个方框可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中框的组合可以由执行特定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实现。
还应当理解，本文示例的执行指令的任何模块、单元、组件、服务器、计算机、终端或设备可以包括或以其他方式访问计算机可读介质，诸如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移动和/或不可移动)，例如磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可以包括以用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。这种计算机存储介质可以是设备的一部分，也可以是可访问的或可连接至此。本文描述的任何应用或模块可以使用可以由这样的计算机可读介质存储或以其他方式保持的计算机可读/可执行指令来实现。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了技术方案，但应容易理解，技术方案不限于这些公开的实施例。相反，可以修改技术方案以包含此前未描述但与技术方案的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了技术方案的各种实施例，但是应该理解，技术方案的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，技术方案不应被视为受前述描述限制。

Claims (11)

1.一种用于确定具有至少三个相电流测量的马达控制系统中传感器故障的系统，所述系统包括：
电流控制器，被配置为使用前馈控制产生用于马达的输入电压命令；
故障传感器识别模块，响应于所述电流控制器使用所述前馈控制进行操作，被配置为：
确定电流偏移误差指示电流传感器的故障，基于诊断电流的幅度和相位确定电流偏移误差；以及
基于确定所述诊断电流的幅度高于第一预定阈值，确定所述电流偏移误差指示多点故障，并且基于确定所述幅度在第二预定阈值与所述第一预定阈值之间，确定所述电流偏移误差指示单点故障，其中单点故障包括单个电流测量组件的故障，多点故障包括多个组件故障。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
控制模式仲裁模块，被配置为响应于发生故障的电流传感器的识别，将电流控制器切换为使用反馈控制进行操作。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括电流计算转换模块，基于发生故障的电流传感器的识别来修改用于确定测量的马达电流的计算方案。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制模式仲裁模块还被配置为响应于检测到所述电流偏移误差，切换所述电流控制器以在所述前馈控制中操作。
5.根据权利要求1所述的系统，其中响应于所述多点故障，电流诊断模块被配置为发送系统关停信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其中响应于所述多点故障，电流诊断模块将所述电流控制器配置为永久地在所述前馈模式下操作。
7.根据权利要求1所述的系统，其中故障传感器识别模块还被配置为：
根据标称相位值计算所述马达控制系统中每相相应的检测窗口；以及
基于诊断电流的相位值在多个检测窗口其中之一中来识别发生故障的电流传感器。
8.一种用于确定具有至少三个相电流测量的马达控制系统中的传感器故障的方法，所述方法包括：
通过电流控制器模块，基于测量的马达电流，使用前馈控制产生用于马达的输入电压命令；以及
在所述马达控制系统使用前馈控制操作时，通过故障传感器识别模块识别正在发生故障的特定电流传感器，所述识别包括：
基于诊断电流的幅度确定指示故障的电流偏移误差；以及
基于确定所述诊断电流的幅度高于第一预定阈值，确定所述电流偏移误差指示多点故障，并且基于确定所述幅度在第二预定阈值与所述第一预定阈值之间，确定所述电流偏移误差指示单点故障，其中单点故障包括单个电流测量组件的故障，多点故障包括多个组件故障。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：响应于识别出发生故障的所述电流传感器，通过控制模式仲裁模块切换所述电流控制器，以使用反馈控制进行操作。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：通过电流计算转换模块修改用于基于发生故障的电流传感器确定所测量的马达电流的测量的计算方案，所修改的计算方案不使用来自发生故障的电流传感器的测量用于反馈控制。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：响应于所述多点故障，发送系统关停信号。
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