CN113489386B - 一种双电机电流传感器相互校正的拓扑及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种双电机驱动系统实现电流传感器校正的拓扑及方法。该拓扑结构中每个电机三相绕组线缆分别正向穿过电流传感器的信号检测口，同时，将双电机系统与电源正极相连的总母线正向穿过所有电流传感器的信号检测口。电流传感器校正过程为：计算电机正常驱动时的电流反馈值；生成校正周期的PWM波形以及计算校正时的反馈电流；获取与处理采样数据；求解偏置误差；求解缩放误差校正系数；补偿电流传感器。本发明改变双电机系统的拓扑结构，从而节省了一个母线电流传感器，节约成本并且可实现各个传感器偏置误差的消除、缩放误差的平衡；此校正方法操作简单，并可根据需求提高校正的精度。

Description

一种双电机电流传感器相互校正的拓扑及方法
所属技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及一种双电机驱动系统实现电流传感器校正的拓扑及方法，尤其是涉及一种在无母线电流传感器情况下双电机驱动系统实现多电流传感器相互校正的拓扑及方法。
背景技术
多电机系统包含了一系列可以分担负载转矩的电机子系统。与多个单电机系统相比，多电机系统不仅可以通过公用一些资源降低成本，而且易于通过添加新的驱动器进行扩展。多电机系统广泛应用于一些对速度的同步性、角度的同步性、可靠性或易于扩展性要求比较高的行业中，如造纸厂、纺织工业、钢铁厂等。
在多电机驱动的过程中，相电流传感器的反馈电流精度直接影响电机的控制与运行。电流传感器由于制作工艺、工作时间、工作环境等因素，在使用时可能产生测量误差，进而导致三相电流不平衡、转矩脉动较大等问题。同时，在多电机驱动系统中，由于电流传感器数量较多，它们之间测量精度不一致也会造成多电机系统的控制效果不佳。为了减小由反馈电流精确度下降造成的影响，多电机系统中的双电机子系统的电流传感器相互校正尤为重要。
目前对单电机系统中电流传感器的校正的研究较多，如利用转速或位置信号的反馈、利用相电流之间的关系实现误差校正等。这些方法可以实现同一电机子系统内电流传感器的自校正，但无法实现电机组之间电流传感器的相互校正，即无法平衡各个电机组电流传感器之间的缩放误差。为实现多电机系统中电流传感器相互校正，目前主要是利用相互正交的三角载波模拟停机的方法[相关方法在文献1中有记载，文献1为鲁家栋,胡义华,王洁,倪锴.基于斩波周期正交的双电机电流传感器协同系统及校正方法[P].陕西省：CN111313767A,2020-06-19.(发明专利)]。此方法可以实现各个电机子系统之间电流传感器采样误差的协同校正，控制及算法简单易实现。但此方法必须利用母线电流传感器实现两个电机子系统相电流传感器的校正，增加了成本。同时，此方法要求校正时两电机的载波正交，并且校正的采样点有一定的限制。
发明内容
发明目的
在一般的拓扑结构中，若要实现双电机子系统相电流传感器的相互校正，必须利用母线电流传感器的测量值对两个子系统的相电流传感器进行相互校正。为节省成本，提高系统的可靠性，在无母线电流传感器情况下，此发明针对双电机子系统相电流传感器校正的问题进行研究，实现系统中各个传感器的相互校正。
技术方案
参阅图1，所述双电机电流传感器相互校正的拓扑结构，主要包括两台永磁同步电机PMSM1和2、两个逆变器1、2、六个电流传感器A1、B1、C1、A2、B2、C2、双电机系统逆变器的电源；其特征在于：
所述逆变器1、2上的三相电压输出接口A、B、C分别与两台永磁同步电机PMSM1和2的三相绕组端子相连；将双电机系统的逆变器挂靠到同一母线上，所述两个逆变器1、2上的电源正负输入接口P、N分别连接此母线的正负极；每个电机三相绕组线缆分别正向穿过电流传感器的信号检测口，同时，将双电机系统与电源正极相连的总母线正向穿过所有电流传感器的信号检测口。
基于上述拓扑结构的双电机驱动电流反馈以及电流传感器相互校正方法，包括如下步骤：
步骤一：计算电机正常驱动时的电流反馈值。
在电机驱动的控制系统中，逆变器的3对桥臂可以产生8个开关状态，分别对应8个电压矢量：V000、V100、V110、V010、V011、V001、V101、V111。电机正常运行时，采用五段式SVPWM控制策略进行控制(去掉七段式算法中的零矢量V111)。此时，按照新的拓扑结构进行电流采样，规定采样点位于每个控制周期起始点，采样得到电流传感器x的测量值：Ix，(其中x代表传感器名称，x＝{A1，B1，C1，A2，B2，C2})。利用公式(1)得到反馈电流形成闭环控制。
其中，Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2分别为各相相电流的反馈值。
Figure BDA0003132279340000021
步骤二：生成校正周期的PWM波形以及计算校正时的反馈电流。
当系统中的电流传感器需要校正时，需要将一个周期的PWM波形更改为校正波形。校正周期Ts可分为两部分：在Ts/2内，电机1产生等时长的非零矢量V100，V010和V001，电机2产生零矢量V000；在另Ts/2内，电机1产生零矢量V000，电机2产生等时长的非零矢量V100，V010和V001。为使电机1、2产生对称的校正波形，将一个PWM周期12等分，每段关于校正周期对称的非零矢量的作用时间为Ts/12，生成如图2所示的PWM波形，其中，SA1，SB1，SC1为电机子系统1的PWM波形，SA2，SB2，SC2为电机子系统2的PWM波形。在校正周期内的反馈电流采样点仍位于此周期的起始点，并通过公式(2)求得。
Figure BDA0003132279340000031
步骤三：获取与处理采样数据。
图2中的Sn为电流传感器的采样点，其中n代表采样点的序号，n＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11}，Sn位于每段非零矢量作用时的中间时刻，即：校正波形Ts/24、3Ts/24、5Ts/24、7Ts/24、9Ts/24、12Ts/24、15Ts/24、17Ts/24、19Ts/24、21Ts/24、23Ts/24时刻所对应的位置。并将采样数据利用公式(3)进行处理。其中，IxSn分别为电流传感器x在Sn处的采样电流值，其中Sn为采样点；Ix1-Ix6为电流传感器x的6个计算值。
Figure BDA0003132279340000032
得到36个电流计算数据的名称及编号，如表1和表2所示。其中，ip为母线上的电流值；ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2分别代表无误差时的理想电流值；六个相电流传感器的偏置误差和缩放误差分别为：fx、kx；电流传感器x的实际采样电流可用Sxy表示。其中，y代表采样电流的序号(y＝{1，2，3，4，5，6})。
表1电机1电流传感器测量电流成分
Figure BDA0003132279340000033
表2电机2电流传感器测量的电流成分
Figure BDA0003132279340000041
步骤四：求解偏置误差。
通过表1和表2中的数据关系，得到偏置误差的求解方法如公式(4)所示，其中Cfx为电流传感器x对应的偏置误差的校正值。
Figure BDA0003132279340000042
步骤五：求解缩放误差校正系数。
利用步骤四所计算出的偏置误差校正值，对表1和表2中的数据进行偏置误差的校正。表1表2中的数据减去各个电流传感器对应的偏置误差，得到消除掉偏置误差后的数据，如表3所示。电流传感器消除偏置误差后的电流值可用Cxy表示。
表3消除偏置误差后电流传感器测量的电流成分
Figure BDA0003132279340000051
为了消除缩放误差的影响，每个传感器缩放误差的校正系数如公式(5)所示。
Figure BDA0003132279340000052
步骤六：补偿电流传感器。
利用步骤四、五计算出电流传感器x的偏置和缩放误差Cfx和Ckx后，结合公式(6)对电流传感器进行校正，其中CIx为校正后的电流值。
CIx＝Ckx(Ix-Cfx) (6)
有益效果
此方法与之前的正交载波模拟停机的方法相比，具有如下的有益效果：
(1)改变双电机系统的拓扑结构，从而节省了一个母线电流传感器，节约成本并且可实现各个传感器偏置误差的消除、缩放误差的平衡；
(2)此校正方法操作简单：只需对一个PWM周期进行更改，易于实现数据采样；不需要对校正的采样点进行严格的选取，校正速度快。同时，单次采样的数据较多，一定程度上缩小了采样时的随机误差；
(3)可以根据需求提高校正的精度。对于精度要求很高的双电机系统，可以增加采样周期的次数，获得几组采样数据，利用其平均值进行偏置误差和缩放误差的计算，并对六个相电流传感器进行校正；
(4)此方法在去掉两个C相电流传感器C1、C2的情况下，仍可实现校正。只需要将偏置误差的计算方法和缩放误差的校正系数进行微调。
附图说明
图1为无母线电流传感器的双电机的拓扑结构图。
图2为采样周期需产生的PWM波形图以及采样点的位置图。
在图1中，UDC为双电机系统逆变器的电源电压，+为电源正极，-为电源负极；逆变器1、2上的接口A、B、C、P、N分别为A、B、C三相电压输出接口和电源正负输入接口；A1、B1、C1、A2、B2、C2分别为电流传感器的名称；ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2本别为双电机A、B、C相的理想相电流值，箭头方向代表正方向；ip为总母线电流传感器的电流值，箭头方向代表正方向；PMSM1和2代表两台永磁同步电机。
在图2中，SA1，SB1，SC1为电机子系统1的PWM波形，SA2，SB2，SC2为电机子系统2的PWM波形；S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11分别代表11个采样点，采样点均位于各段非零PWM波的中点处。
具体实施方式
模拟电流传感器产生误差的情况，给六个电流传感器引入误差：fA1＝0.1、fB1＝0.2、fC1＝-0.1、fA2＝-0.05、fB2＝0.1、fC2＝-0.2、kA1＝1.2、kB1＝0.9、kC1＝1.1、kA2＝1.05、kB2＝1.15、kC2＝0.9。此时对系统进行校正，具体步骤如下：
步骤一：按照如图1的拓扑结构接线，在五段式SVPWM控制算法的控制周期初始阶段进行采样，并结合公式(1)对双电机子系统的各相电流的反馈结果进行计算。将结果进行反馈，形成闭环，控制电机运行。
步骤二：生成如图2所示的PWM校正信号，此周期内反馈电流的采样点位置不变，反馈电流可以通过公式(2)求得。在下一个周期恢复成五段式SVPWM控制算法。
步骤三：在校正周期内，按照图2所示的采样点Sn的位置进行采样，即：校正波形的Ts/24、3Ts/24、5Ts/24、7Ts/24、9Ts/24、12Ts/24、15Ts/24、17Ts/24、19Ts/24、21Ts/24、23Ts/24时刻所对应的位置进行采样，共获取66组校正采样信息。然后通过公式(3)的计算，对应的采样数据如下表4和表5所示(结果保留4位小数)。
表4电机1电流传感器测量电流采样结果
Figure BDA0003132279340000071
表5电机2电流传感器测量电流采样结果
Figure BDA0003132279340000072
步骤四：利用公式(4)可以求出各个电流传感器的偏置误差Cfx(保留4位小数)：CfA1＝0.1050、CfB1＝0.1971、CfC1＝-0.0961、CfA2＝-0.0489、CfB2＝0.1056、CfC2＝-0.2024。
步骤五：利用步骤四算出的偏置误差可以消除传感器测量电流的偏置误差，得到只含有缩放误差的测量值Cxy，如表6所示(结果保留4位小数)。利用公式(5)即可求解缩放误差的校正系数Ckx(结果保留4位小数)：CkA1＝0.8746、CkB1＝1.1662、CkC1＝0.9499、CkA2＝1.0047、CkB2＝0.9144、CkC2＝1.1664。
表6消除偏置误差后电流传感器测量的测量值
Figure BDA0003132279340000081
步骤六：利用步骤四和步骤五求解的结果Cfx、Ckx，利用公式(6)，对电流传感器的测量结果进行补偿，完成校正。偏置误差Cfx与误差引入值fx之差：ΔfA1＝0.0050、ΔfB1＝-0.0029、ΔfC1＝-0.0039、ΔfA2＝0.0011、ΔfB2＝0.0056、ΔfC2＝-0.0024，其差接近0。校正系数Ckx与对应误差引入误差值kx的乘积：CkA1·kA1＝1.0495、CkB1·kB1＝1.0496、CkC1·kC1＝1.0449、CkA2·kA2＝1.0549、CkB2·kB2＝1.0516、CkC2·kC2＝1.0498，与kx的算术平均值1.05较为接近。因此可以一定程度上消除偏置误差，平衡缩放误差。

Claims (2)

1.一种双电机电流传感器相互校正的拓扑结构，主要包括两台永磁同步电机PMSM1和2、两个逆变器1和2、六个电流传感器A1、B1、C1、A2、B2、C2、双电机系统逆变器的电源；其特征在于：
所述逆变器1上的三相电压输出接口A、B、C与永磁同步电机PMSM1的三相绕组端子相连；所述逆变器2上的三相电压输出接口A、B、C与永磁同步电机PMSM2的三相绕组端子相连；将双电机系统的两个逆变器挂靠到同一母线上，所述两个逆变器1和2都包括电源正负输入接口P、N；每个电机三相绕组线缆分别正向穿过电流传感器的信号检测口，同时，将双电机系统与电源正极相连的总母线依次正向穿过所有电流传感器的信号检测口之后，再分别连接到逆变器1和2上的电源正输入接口P；将双电机系统与电源负极相连的总母线直接连接到逆变器1和2上的电源负输入接口N。
2.基于如权利要求1所述拓扑结构的双电机电流传感器相互校正方法，包括如下步骤：
步骤一：计算电机正常驱动时的电流反馈值；
在电机驱动的控制系统中，逆变器的3对桥臂可以产生8个开关状态，分别对应8个电压矢量：V000、V100、V110、V010、V011、V001、V101、V111；电机正常运行时，采用五段式SVPWM控制策略进行控制；此时，进行电流采样，规定采样点位于每个控制周期起始点，采样得到电流传感器x的测量值：Ix，其中x代表传感器名称，x＝{A1，B1，C1，A2，B2，C2}；利用公式(1)得到反馈电流形成闭环控制；其中，Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2分别为各相相电流的反馈值；
Figure FDA0003683104420000011
步骤二：生成校正周期的PWM波形以及计算校正时的反馈电流；
当系统中的电流传感器需要校正时，需要将一个周期的PWM波形更改为校正波形；校正周期Ts可分为两部分：在Ts/2内，电机1产生等时长的非零矢量V100，V010和V001，电机2产生零矢量V000；在另Ts/2内，电机1产生零矢量V000，电机2产生等时长的非零矢量V100，V010和V001；为使电机1、2产生对称的校正波形，将一个PWM周期12等分，每段关于校正周期对称的非零矢量的作用时间为Ts/12，生成PWM波形，其中，SA1，SB1，SC1为电机子系统1的PWM波形，SA2，SB2，SC2为电机子系统2的PWM波形；在校正周期内的反馈电流采样点仍位于此周期的起始点，并通过公式(2)求得；
Figure FDA0003683104420000021
步骤三：获取与处理采样数据；
Sn为电流传感器的采样点，其中n代表采样点的序号，n＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11}，Sn位于每段非零矢量作用时的中间时刻，即：校正波形Ts/24、3Ts/24、5Ts/24、7Ts/24、9Ts/24、12Ts/24、15Ts/24、17Ts/24、19Ts/24、21Ts/24、23Ts/24时刻所对应的位置；并将采样数据利用公式(3)进行处理；其中，IxSn分别为电流传感器x在Sn处的采样电流值，其中Sn为采样点；Ix1-Ix6为电流传感器x的6个计算值；
Figure FDA0003683104420000022
得到36个电流计算数据的名称及编号，如表1和表2所示；其中，ip为母线上的电流值；ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2分别代表无误差时的理想电流值；六个相电流传感器的偏置误差和缩放误差分别为：fx、kx；电流传感器x的实际采样电流可用Sxy表示；其中，y代表采样电流的序号，y＝{1，2，3，4，5，6}；
表1电机1电流传感器测量电流成分
Figure FDA0003683104420000023
表2电机2电流传感器测量的电流成分
Figure FDA0003683104420000031
步骤四：求解偏置误差；
通过表1和表2中的数据关系，得到偏置误差的求解方法如公式(4)所示，其中Cfx为电流传感器x对应的偏置误差的校正值；
Figure FDA0003683104420000032
步骤五：求解缩放误差校正系数；
利用步骤四所计算出的偏置误差校正值，对表1和表2中的数据进行偏置误差的校正；表1表2中的数据减去各个电流传感器对应的偏置误差，得到消除掉偏置误差后的数据，如表3所示；电流传感器消除偏置误差后的电流值可用Cxy表示；
表3消除偏置误差后电流传感器测量的电流成分
Figure FDA0003683104420000041
为了消除缩放误差的影响，每个传感器缩放误差的校正系数如公式(5)所示；
Figure FDA0003683104420000042
步骤六：补偿电流传感器；
利用步骤四、五计算出电流传感器x的偏置和缩放误差Cfx和Ckx后，结合公式(6)对电流传感器进行校正，其中CIx为校正后的电流值；
CIx＝Ckx(Ix-Cfx) (6)。
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