CN111181447B - 基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统及校正方法，将每个电机子系统的逆变器三相桥臂中点分别与对应电机三相绕组相连，每个电机三相绕组线缆分别正向穿过其电流传感器信号检测口，从第2个电机子系统开始依次将每个电机子系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过前一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，将第1个电机系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过最后一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，实现电机群多电机子系统电流传感器误差的协同校正。本发明不需要借助外界设备实现了自生探测信号的生成，没有制约要求，不依赖其他系统传感器，稳定性与动态工况校正效果都更好。

Description

基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统及校正方法

技术领域

本发明涉及电机群控制领域，尤其是一种变频交流电机群控制系统及校正方法，涉及一种偶数个多电机群体协同控制方法，尤其是一种包含偶数个多电机群系统相电流传感器误差在线协同校正的控制方法。

背景技术

随着现代化工业应用的发展，电机群控制相关问题成为了电机系统控制领域的重要研究方向，特别是电机群系统中多个电机子系统的协同控制及相关问题。电机群协同控制需要将各个电机子系统的反馈信号供给系统分析，依据电流分配或协同控制的原则，将电机群的各个电机子系统进行分别控制。然而，电机群协同控制面临的一个重要问题就是各个电机子系统存在的电流采样误差，以及各个电机子系统之间的误差不均衡问题。这些问题的存在将会导致两个方面的问题，第一就是各个电机子系统内部将会出现不平衡三相电流、转矩脉动、转速波动等有害现象，另一个就是各个电机子系统之间将存在电流协调控制存在误差的问题，这些问题的存在将会最终影响电机群系统控制的控制效果。针对电机相电流传感器误差校正问题，通常采用的是系统变量观测法，利用转速或位置反馈信号，结合复杂控制算法最终实现相电流传感器的误差估计与校正[相关算法在文献1-3中有记载，文献1为Hao Yan,Yongxiang Xu,Weiduo Zhao,He Zhang,Chris Gerada,"DC drift errormitigation method for three-phase current reconstruction with single hallcurrent sensor,"IEEE Transactions on Magnetics,vol.55,no.2,pp.8100604,Feb.2019.(期刊论文)，文献2为Quoc Nam Trinh,Peng Wang,Yi Tang,Leong Hai Koh,Fook Hoong Choo,"Compensation of DC offset and scaling errors in voltage andcurrent measurements of three-phase AC/DC converters,"IEEE Transactions onPower Electronics,vol.33,no.6,pp.5401-5414,Jun.2018.(期刊论文)，文献3为Kwang-Woon Lee,Sang-Il Kim,"Dynamic performance improvement of a current offseterror compensator in current vector-controlled SPMSM drives,"IEEETransactions on Industrial Electronics,vol.66,no.9,pp.6727-6736,Sep.,2019.(期刊论文)]。这一类方法可以实现各个电机子系统内部的电流采样误差校正，但是无法将电机群作为一个整体实现各个电机子系统协同校正。因此，针对电机群系统协同控制，尤其是多电机电流分配或协同控制系统的应用环境，电流传感器误差校正问题，特别是电流传感器误差系统校正问题的研究十分有必要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统及校正方法。为了解决电机群控制，尤其是针对多个电机协同控制领域面临的电流采样误差无法协同校正的问题，本方案提供一种基于自生探测信号的电机群电流传感器协同校正方法，并将各个电机子系统的斩波周期设定为相邻正交的模式，利用电机群系统自生的探测信号，对电流值进行检测，构建各个电机子系统传感器之间的关联性，实现各个电机子系统之间的误差协同校正，最终保证电机群系统控制的精准控制，并且所需计算量小，实施方法简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统，在多个电机子系统组成的电机群控制系统中，将每个电机子系统的逆变器输入电源端子，按照电压、功率等级分别接在不同的或者同一个电源输入端口，将每个电机子系统的逆变器三相桥臂中点分别与对应电机三相绕组相连，每个电机三相绕组线缆分别正向穿过其电流传感器信号检测口，另外，从第2个电机子系统开始依次将每个电机子系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过前一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，将第1个电机系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过最后一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，利用各个相邻电机子系统之间的关联性，基于自生探测信号的相邻电机子系统逆变器斩波周期正交的特性，最终实现电机群多电机子系统电流传感器误差的协同校正。

本发明还提供涉及基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统的校正方法，具体步骤如下：

步骤1：考虑相电流传感器的采样误差，电机群的四个电机子系统中，电流传感器的采样值用公式(1)表示：

其中，i_XM1、i_XM2、i_XM3、i_XM4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的X相电流检测值，X＝A，B，C表示三相绕组，k_X1、k_X2、k_X3、k_X4与f_X1、f_X2、f_X3、f_X4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的A、B、C三相电流传感器增益误差和偏置误差；

将电机群相邻电机子系统之间的斩波周期做正交化处理，也就是电机子系统1的斩波周期与电机子系统3的斩波周期同相位，并且超前电机子系统2与电机子系统4的斩波周期T_s/4，其对应关系如表1所示：

表1

用于电机群电流反馈控制的信号，对于任何一个电机子系统，都是位于其斩波周期的T_s/4和3T_s/4处，由表1可知，此时该电机子系统中引入的探测电流值正好为零，检测得到的电流就是其子系统本身的三相电流；在每一个电机子系统中，对其三相电流传感器测量孔引入另外一个相邻的电机子系统的逆变器输入电源正端线缆，首先对电机子系统1进行分析；

步骤2：电机子系统1探测信号分析

内部三个电流传感器检测的信号仅仅与i_A1、i_B1、i_C1还有i_P2有关，因此，针对电机子系统1探测电流的分析仅仅分析电机子系统1和电机子系统2；

每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于T_s/4时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于每个周期开始位置0，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于T_s/2时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于T_s/4，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于3T_s/4时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于T_s/2；三个电流采样点t₁、t₂、t₃就是当电机子系统1的逆变器1斩波周期分别处于T_s/4、T_s/2、3T_s/4时设定的；

利用三个电流采样点，对电机子系统1的三相电流传感器进行采样，得到9个电流值，如公式(2)、公式(3)、公式(4)所示；

所述三个电流采样点设置方法为：在t₂点处，电机子系统2的逆变器输出电压矢量与其基本电压矢量V₁'、V₃'、V₅'中的一个的相位差不大于10°；

在此时，对应三个电流采样点，三个电流传感器的采样值如公式(2)～公式(4)所示，其中电流检测值的下标_t₁、_t₂、_t₃代表在t₁、t₂、t₃三个电流采样点处的电流值。

由于电机控制中存在的逆变器斩波效应，以斩波周期一半(t₂采样点)为中心的对称点处(t₁、t₃采样点)的电流值的平均值约等于斩波周期一半处的值，如公式(5)所示：

定义变量Δi_AM1、Δi_BM1、Δi_CM1，如公式(6)所示，并由公式(2)～公式(5)得到：

利用得到的9个电流值，通过公式(6)求得三个定义变量Δi_AM1、Δi_BM1、Δi_CM1的值，电机子系统1三相电流传感器增益误差的比例关系是三个变量值的比例关系，如公式(7)所示：

k_A1:k_B1:k_C1＝Δi_AM1:Δi_BM1:Δi_CM1 (7)

与t₁、t₂、t₃三个电流采样点的选取方法相同，另外选取三个新的电流采样点t₁'、t₂'、t₃'，三个新选取的电流采样点需要满足电机子系统2的A相电流值与之前三个电流采样点处的值不相等；在新选取的三个电流采样点处，电机子系统1的三个电流采样值用公式(8)～公式(11)表示：

另外，在电流采样点t₂、t₂'处，电机子系统2的三个电流采样值如公式(12)、公式(13)所示：

由公式(6)得到公式(14)：

类似的利用三个新电流采样点处的电流值得到公式(15)，其中Δi_AM1'、Δi_BM1'、Δi_CM1'为三个定义变量；

结合公式(12)～公式(15)得到公式(16)～公式(17)：

依据公式(16)、公式(17)得到电机子系统2相电流传感器的偏置误差为公式(18)所示：

电机子系统1与电机子系统2的三相电流传感器增益误差的比例关系如公式(19)所示：

通过对电机子系统1探测信号进行分析，得到的误差参数信息如表2电机子系统1所示：

表2

步骤3：其余电机子系统探测信号分析；

对其余三个电机子系统进行分析，得到表2所示的其余误差信息；至此，电机群各个电机子系统的偏置误差均已获得，子系统内部增益误差关系也可以得到，各系统之间的增益误差关系也可以顺利求得；最终完成电机群各电机子系统相电流传感器误差协同校正，步骤为：以任意一个电流传感器为基准，依据增益误差的比例关系依次对其余传感器的检测值进行反比例运算即可消除增益误差。

本发明的有益效果在于针对电机群控制，尤其是交流变频多电机子系统电流传感器误差系统校正问题，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过巧妙设计，不需要借助外界设备实现了自生探测信号的生成：现有采用探测信号的电机系统传感器校正方案需要借助外部设备生成一定的探测信号，从而实现传感器误差的估计与校正，而本发明充分利用电机群系统的天然优势，利用多电机子系统逆变器输入电源线缆相互组合，使之成为自生探测信号，从而实现传感器误差的协同校正；

(2)本发明实现电机群多电机子系统相电流传感器误差协同校正对电机群的供电电源构成形式没有制约要求：现有一些方案实现电机群电流传感器误差校正需要将多电机子系统的输入电源挂靠在同一个供电电源上，因此，其多电机子系统的输入电压、功率大小必须进行统一化处理，这无疑在一定程度上限制了其应用范围，而本发明实现其校正方法不需要将多电机子系统的供电电源进行统一化处理，也就是说各个电机子系统的供电电源可以分开供电，也可以共同供电，允许多电机子系统采用不同电压、功率等级的供电电源，适用性更强；

(3)本发明实现电机群多电机子系统相电流传感器误差协同校正不依赖其他系统传感器：现有方案实现电机相电流误差校正需要将整个系统作为其信号反馈回路，严重依赖速度或位置传感器，而本发明实现其校正方法不需要增加其他额外的传感器，也不需要利用系统其他传感器的反馈信号，稳定性与动态工况校正效果都更好。

附图说明

图1是本发明实现自生探测信号的电机群电流传感器协同校正方法示意图(以四电机子系统为例进行说明)。

图2是本发明电机群相电流传感器误差协同校正方案示意图。

图中，P₁、N₁、P₂、N₂、P₃、N₃、P₄、N₄分别代表电机子系统1、电机子系统2、电机子系统3和电机子系统4的直流母线电压输入正负端子，i_P1、i_N1(i_P1+i_N1＝0)、i_P2、i_N2(i_P2+i_N2＝0)、i_P3、i_N3(i_P3+i_N3＝0)、i_P4、i_N4(i_P4+i_N4＝0)分别是逆变器1、逆变器2、逆变器3、逆变器4的正端子、负端子正向输入电流，i_A1、i_B1、i_C1分别是电机组一的A、B、C三相真实电流值，i_A2、i_B2、i_C2分别是电机组二的A、B、C三相真实电流值，i_A3、i_B3、i_C3分别是电机组三的A、B、C三相真实电流值，i_A4、i_B4、i_C4分别是电机组四的A、B、C三相真实电流值，T_s是逆变器的开关周期，t₁、t₂、t₃分别是电流采样点，V₀',...,V₇'代表逆变器2的8个基本电压矢量，V_x'代表逆变器2某一个基本电压矢量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统，在多个电机子系统组成的电机群控制系统中，将每个电机子系统的逆变器输入电源端子，按照电压、功率等级分别接在不同的或者同一个电源输入端口，将每个电机子系统的逆变器三相桥臂中点分别与对应电机三相绕组相连，每个电机三相绕组线缆分别正向穿过其电流传感器信号检测口，另外，从第2个电机子系统开始依次将每个电机子系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过前一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，将第1个电机系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过最后一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，利用各个相邻电机子系统之间的关联性，结合本方案的基于自生探测信号的相邻电机子系统逆变器斩波周期正交的特性，最终实现电机群多电机子系统电流传感器误差的协同校正。

本发明还提供涉及基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统的校正方法，具体步骤如下：

步骤1：在图1中，考虑相电流传感器的采样误差，电机群的四个电机子系统中，电流传感器的采样值用公式(1)表示：

，其中i_XM1、i_XM2、i_XM3、i_XM4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的X相电流检测值，X＝A，B，C表示三相绕组，k_X1、k_X2、k_X3、k_X4与f_X1、f_X2、f_X3、f_X4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的A、B、C三相电流传感器增益误差和偏置误差；

本发明的实施例如图2所示，将电机群相邻电机子系统之间的斩波周期做正交化处理，也就是电机子系统1的斩波周期与电机子系统3的斩波周期同相位，并且超前电机子系统2与电机子系统4的斩波周期T_s/4。其对应关系如表1所示：

表1

用于电机群电流反馈控制的信号，对于任何一个电机子系统，都是位于其斩波周期的T_s/4和3T_s/4处，由表1可知，此时该电机子系统中引入的探测电流值正好为零，检测得到的电流就是其子系统本身的三相电流。本发明是在每一个电机子系统中，对其三相电流传感器测量孔引入另外一个相邻的电机子系统的逆变器输入电源正端线缆，首先对电机子系统1进行分析，以说明本发明的实施过程。

步骤2：电机子系统1探测信号分析

在图1中，内部三个电流传感器检测的信号仅仅与i_A1、i_B1、i_C1还有i_P2有关，因此，针对电机子系统1探测电流的分析仅仅分析电机子系统1和电机子系统2就可以。

从图2可以看出，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于T_s/4时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于每个周期开始位置0，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于T_s/2时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于T_s/4，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于3T_s/4时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于T_s/2。图2中给出的三个电流采样点t₁、t₂、t₃就是当电机子系统1的逆变器1斩波周期分别处于T_s/4、T_s/2、3T_s/4时设定的。

利用图2所示的三个电流采样点，对电机子系统1的三相电流传感器进行采样，得到9个电流值，如公式(2)、公式(3)、公式(4)所示。

上述提到的三个电流采样点设置方法为：在图2的t₂点处，电机子系统2的逆变器输出电压矢量与其基本电压矢量V₁'、V₃'、V₅'中的一个的相位差不大于10°。以t₂点满足电机子系统2的逆变器输出电压矢量接近V₁'时为例进行说明。

在此时，对应三个电流采样点，三个电流传感器的采样值如公式(2)～公式(4)所示，其中电流检测值的下标_t₁、_t₂、_t₃代表在t₁、t₂、t₃三个电流采样点处的电流值。

由于电机控制中存在的逆变器斩波效应，以斩波周期一半(t₂采样点)为中心的对称点处(t₁、t₃采样点)的电流值的平均值约等于斩波周期一半处的值，如公式(5)所示。

定义变量Δi_AM1、Δi_BM1、Δi_CM1，如公式(6)所示，并由公式(2)～公式(5)可以得到其值。

利用得到的9个电流值，通过公式(6)求得三个定义变量Δi_AM1、Δi_BM1、Δi_CM1的值，电机子系统1三相电流传感器增益误差的比例关系是三个变量值的比例关系，如公式(7)所示：

k_A1:k_B1:k_C1＝Δi_AM1:Δi_BM1:Δi_CM1 (7)

与t₁、t₂、t₃三个电流采样点的选取方法相同，另外选取三个新的电流采样点t₁'、t₂'、t₃'，三个新选取的电流采样点需要满足电机子系统2的A相电流值与之前三个电流采样点处的值不相等。在新选取的三个电流采样点处，电机子系统1的三个电流采样值用公式(8)～公式(11)表示：

另外，在电流采样点t₂、t₂'处，电机子系统2的三个电流采样值如公式(12)、公式(13)所示：

由公式(6)得到公式(14)：

类似的利用三个新电流采样点处的电流值得到公式(15)，其中Δi_AM1'、Δi_BM1'、Δi_CM1'为三个定义变量；

结合公式(12)～公式(15)得到公式(16)～公式(17)：

依据公式(16)、公式(17)得到电机子系统2相电流传感器的偏置误差为公式(18)所示：

电机子系统1与电机子系统2的三相电流传感器增益误差的比例关系如公式(19)所示：

通过对电机子系统1探测信号进行分析，得到的误差参数信息如表2电机子系统1所示。

表2

步骤3：其余电机子系统探测信号分析

利用类似的方法对其余三个电机子系统进行分析，可以得到表2所示的其余误差信息。至此，电机群各个电机子系统的偏置误差均已获得，子系统内部增益误差关系也可以得到，各系统之间的增益误差关系也可以顺利求得。最终完成电机群各电机子系统相电流传感器误差协同校正，方法为：以任意一个电流传感器为基准，依据增益误差的比例关系依次对其余传感器的检测值进行反比例运算即可消除增益误差。

Claims (2)

1.一种基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统，其特征在于：

所述基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统，在多个电机子系统组成的电机群控制系统中，将每个电机子系统的逆变器输入电源端子，按照电压、功率等级分别接在不同的或者同一个电源输入端口，将每个电机子系统的逆变器三相桥臂中点分别与对应电机三相绕组相连，每个电机三相绕组线缆分别正向穿过其电流传感器信号检测口，另外，从第2个电机子系统开始依次将每个电机子系统的逆变器输入电源正端线缆正向穿过前一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，将第1个电机系统的逆变器输入电源负端线缆正向穿过最后一个电机子系统的三相电流传感器测量孔，利用各个相邻电机子系统之间的关联性，基于自生探测信号的相邻电机子系统逆变器斩波周期正交的特性，最终实现电机群多电机子系统电流传感器误差的协同校正。

2.一种利用权利要求1所述一种基于自生探测信号电机群电流传感器协同系统的校正方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：考虑相电流传感器的采样误差，电机群的四个电机子系统中，电流传感器的采样值用公式(1)表示：

其中，i_XM1、i_XM2、i_XM3、i_XM4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的X相电流检测值，X＝A，B，C表示三相绕组，k_X1、k_X2、k_X3、k_X4与f_X1、f_X2、f_X3、f_X4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的A、B、C三相电流传感器增益误差和偏置误差，i_X1、i_X2、i_X3、i_X4分别表示电机组1、电机组2、电机组3、电机组4的X的相电流真实值，i_P1、i_P2、i_P3、i_P4分别表示逆变器1、逆变器2、逆变器3、逆变器4的正端子正向输入电流；

将电机群相邻电机子系统之间的斩波周期做正交化处理，也就是电机子系统1的斩波周期与电机子系统3的斩波周期同相位，并且超前电机子系统2与电机子系统4的斩波周期T_s/4，其对应关系如表1所示：

表1

用于电机群电流反馈控制的信号，对于任何一个电机子系统，都是位于其斩波周期的T_s/4和3T_s/4处，由表1可知，此时该电机子系统中引入的探测电流值正好为零，检测得到的电流就是其子系统本身的三相电流；在每一个电机子系统中，对其三相电流传感器测量孔引入另外一个相邻的电机子系统的逆变器输入电源正端线缆，首先对电机子系统1进行分析；

步骤2：电机子系统1探测信号分析

内部三个电流传感器检测的信号仅仅与i_A1、i_B1、i_C1还有i_P2有关，因此，针对电机子系统1探测电流的分析仅仅分析电机子系统1和电机子系统2；

每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于T_s/4时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于每个周期开始位置0，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于T_s/2时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于T_s/4，每当电机子系统1的逆变器1斩波周期处于3T_s/4时，电机子系统2的逆变器2斩波周期都处于T_s/2；三个电流采样点t₁、t₂、t₃就是当电机子系统1的逆变器1斩波周期分别处于T_s/4、T_s/2、3T_s/4时设定的；

利用三个电流采样点，对电机子系统1的三相电流传感器进行采样，得到9个电流值，如公式(2)、公式(3)、公式(4)所示；

所述三个电流采样点设置方法为：在t₂点处，电机子系统2的逆变器输出电压矢量与其基本电压矢量V₁'、V₃'、V₅'中的一个的相位差不大于10°，其中，V₁'、V₃'、V₅'为电机子系统2中的逆变器基本电压矢量；

在此时，对应三个电流采样点，三个电流传感器的采样值如公式(2)～公式(4)所示，其中电流检测值的下标_t₁、_t₂、_t₃代表在t₁、t₂、t₃三个电流采样点处的电流值；

由于电机控制中存在的逆变器斩波效应，以斩波周期一半的t₂采样点为中心的对称的t₁、t₃采样点的电流值的平均值约等于斩波周期一半处的值，如公式(5)所示：

定义变量Δi_AM1、Δi_BM1、Δi_CM1，如公式(6)所示，并由公式(2)～公式(5)得到：

利用得到的9个电流值，通过公式(6)求得三个定义变量Δi_AM1、Δi_BM1、Δi_CM1的值，电机子系统1三相电流传感器增益误差的比例关系是三个变量值的比例关系，如公式(7)所示：

k_A1:k_B1:k_C1＝Δi_AM1:Δi_BM1:Δi_CM1 (7)

与t₁、t₂、t₃三个电流采样点的选取方法相同，另外选取三个新的电流采样点t₁'、t₂'、t₃'，三个新选取的电流采样点需要满足电机子系统2的A相电流值与之前三个电流采样点处的值不相等；在新选取的三个电流采样点处，电机子系统1的三个电流采样值用公式(8)～公式(11)表示：

另外，在电流采样点t₂、t₂'处，电机子系统2的三个电流采样值如公式(12)、公式(13)所示：

由公式(6)得到公式(14)：

类似的利用三个新电流采样点处的电流值得到公式(15)，其中Δi_AM1'、Δi_BM1'、Δi_CM1'为三个定义变量；

结合公式(12)～公式(15)得到公式(16)～公式(17)：

依据公式(16)、公式(17)得到电机子系统2相电流传感器的偏置误差为公式(18)所示：

电机子系统1与电机子系统2的三相电流传感器增益误差的比例关系如公式(19)所示：

通过对电机子系统1探测信号进行分析，得到的误差参数信息如表2电机子系统1所示：

表2

步骤3：其余电机子系统探测信号分析；

对其余三个电机子系统进行分析，得到表2所示的其余误差信息；至此，电机群各个电机子系统的偏置误差均已获得，子系统内部增益误差关系也可以得到，各系统之间的增益误差关系也可以顺利求得；最终完成电机群各电机子系统相电流传感器误差协同校正，步骤为：以任意一个电流传感器为基准，依据增益误差的比例关系依次对其余传感器的检测值进行反比例运算即可消除增益误差。

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