CN115037206B - 一种电机控制器直流电流估算方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机控制器直流电流估算方法及其系统，属于车用永磁同步电机控制器技术领域。包括以下流程：获取关于电机的信息并形成数据库；对数据库中的第一元素进行转换处理；对数据库中的第二元素进行死区补偿；基于新的三相电流值、扇区以及新的占空比进行直流电流估算并得到直流电流的估算值；对直流电流的估算值进行一阶惯性滤波，进而得到最终的直流电流的估算值。本发明中减少了一个直流电流传感器，增加了控制器的紧凑性，在结构小型化轻量化的同时，大大减小了离线标定工作量，计算过程简单，易于实现并同时满足整车电流采样精度要求。

Description

一种电机控制器直流电流估算方法及其系统

技术领域

本发明属于车用永磁同步电机控制器技术领域，具体涉及一种电机控制器直流电流估算方法及其系统。

背景技术

永磁同步电机因为功率密度较高，调速范围宽等优点在电动汽车动力控制领域有广泛的应用。车用永磁同步电机控制器(以下简称控制器)采用直流电池供电，是电能转化为机械能的重要中枢部件。为了实现更精确的能量管理和控制器三级扭矩监控等安全设计，整车对控制器直流电流的检测精度有一定要求，通常要求全速段检测误差不大于10％，或者更高精度要求。

传统控制器通过增加直流电流检测单元实现直流电流的检测，虽然精度满足整车需求，但是传感器的增加，不仅会造成硬件成本的增加，更重要的是增加系统控制的失效点和控制器布局控件。

现有技术中的估算直线母线电流方案，占用了宝贵的单片机资源，对直流电源电压的适应性较差，存在转矩、转速、电流标定工作量庞大且对直流电源电压的适应性较差的问题。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种电机控制器直流电流估算方法及其系统。

技术方案：一种电机控制器直流电流估算方法，包括以下流程：

获取关于电机的信息并形成数据库；所述数据库中至少包括以下元素：当前三相电流值、当前转子转速、以及Svpwm扇区信息；所述Svpwm扇区信息包括若干个扇区，以及扇区对应的当前占空比；

对数据库中的第一元素进行转换处理；其中，第一元素包括当前三向电流值，以及当前转子转速；所述转换处理至少包括以下内容：对当前三向电流值以及当前转子转速转换处理并得到新的三相电流值；

对数据库中的第二元素进行死区补偿；其中，第二元素包括扇区相对应的当前占空比；所述死区补偿至少包括以下内容：对扇区对应的当前占空比进行死区补偿并得到扇区对应的新的占空比；

基于新的三相电流值、扇区以及新的占空比进行直流电流估算并得到直流电流的估算值；

对直流电流的估算值进行一阶惯性滤波，进而得到最终的直流电流估算值。

在进一步的实施例中，所述转化处理具体包括以下流程：

对当前三相电流值i_a、i_b、i_c进行Clark变换并得到i_αβ；

对i_αβ以及当前转子转速ω_r，进行旋转角度补偿、Park变换和反Clark变换并得到新的三相电流值i′_a、i′_b、i′_c。

在进一步的实施例中，所述死区补偿具体包括以下流程：

将Svpwm扇区信息Sector以及每个扇区的当前占空比t′₁、t′₂根据计算公式进行死区补偿并得到每个扇区对应的新的占空比t₁、t₂；计算公式如下：

t₁＝t′₁+Error

t₂＝t′₂+Error

其中，t₁、t₂分别为每个Sector范围主、副矢量作用占空比；Error为固定补偿值。

在进一步的实施例中，所述死区补偿还包括以下流程：

获取三相Svpwm的当前占空比t′_a、t′_b、t′_c，根据计算公式进行死区补偿得到三相Svpwm新的占空比t_a1、t_b1、t_c1；计算公式如下：

t_a1＝t′_a+Sign(i_a)*Error

t_b1＝t′_b+Sign(i_b)*Error

t_c1＝t′_c+Sign(i_c)*Error

其中，i_a、i_b、i_c为当前三相电流值，Error为固定补偿值，Sign是符号函数；

Sign符号函数表达式如下：

在进一步的实施例中，Clark变换公式如下：

i_αβ＝i_α+ji_βi_αβ，其中，i_αβ为复数表达式，i_α和i_β为正常时间标量表达形式。

在进一步的实施例中，首先计算电流采样延时补偿角度Δθ；计算公式如下：Δθ＝K*ω_r；其中，K为转子位置传感器跟踪误差系数；

接着对i_αβ进行Park变换，得到i′_αβ；计算公式如下：i′_αβ＝e^jΔθ*i_αβ

即：

对i′_αβ实施反Clark变换得到i′_abc；计算公式如下：

i′_abc＝iClark*i′_αβ

即：

在进一步的实施例中，所述直流电流估算计算公式如下：

基于Svpwm扇区信息形成关于Sector的扇区集ζ，所述扇区集ζ＝{1，2，3，4，5，6，θ}，其中，θ表示其他扇区；

设定参数集合ψ，所述参数集合ψ＝{0，t₁，-t₂}；

基于扇区集ζ中的元素，从参数集合ψ中确定t_a、t_b、t_c的值。

在进一步的实施例中，若Sector＝1，则，

若Sector＝2，则，

若Sector＝3，则，

若Sector＝4，则，

若Sector＝5，则，

若Sector＝6，则，

若Sector＝θ，则，

在进一步的实施例中，对

实施一阶惯性滤波得到最终的i_dc，计算公式如下：

其中，T_c为一阶惯性滤波器时间常数，S为拉普拉斯变换微分算子。

在另一个实施例中，提供了一种电机控制器直流电流估算系统，用于实现上述的电机控制器直流电流估算方法，包括：

数据采集模块，用于获取电机的信息并形成数据库；

数据转换处理模块，用于转换处理数据库中的第一元素；

补偿模块，用于补偿处理数据库中的第二元素；

估算模块，用于对转换处理后的第一元素以及补偿处理后的第二元素进行估算并得到直流电流的估算值。

有益效果：本发明中减少了一个直流电流传感器，增加了控制器的紧凑性，在结构小型化轻量化的同时，大大减小了离线标定工作量，计算过程简单，易于实现，且同时满足整车电流采样精度要求。

附图说明

图1是高压直流母线估算系统原理框图；

图2是Pwm死区补偿框图；

图3是简易直流电流估算器流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的问题，申请人对现有各种方案进行了深入地分析，具体如下：

现有技术中的估算直线母线电流方案，占用了宝贵的单片机资源，对直流电源电压的适应性较差，存在转矩、转速、电流标定工作量庞大且对直流电源电压的适应性较差的问题。

为此申请人提出了以下解决方案，如图1至3所示，本实施例提供了一种电机控制器直流电流估算方法，包括以下流程：

获取关于电机的信息并形成数据库；所述数据库至少包括以下元素：当前三相电流值、当前转子转速、以及Svpwm扇区信息；所述Svpwm扇区信息包括若干个扇区，以及扇区相对应的当前占空比；

对数据库中的第一元素进行转换处理；第一元素包括当前三向电流值，以及当前转子转速；所述转换处理至少包括以下内容：基于所述当前三向电流值以及当前转子转速转换处理得到新的三相电流值；现有技术估算直流电流中，获取三向电流后直接进行直流电流简易估算，但这种方法没有考虑到三相电流和电机转子位置采样会出现延时差、转子位置跟踪会出现位置偏差等，上述偏差会直接影响直流电流简易估算的准确性；所以在本实施例中，将当前三相电流值以及当前转子转速进行转换处理得到新的三向电流值，该新的三向电流值除去了三相电流和电机转子位置采样带来的延时差、以及转子位置跟踪带来的位置偏差，保证在后续直流电流简易估算中的准确性；

对数据库中的第二元素进行死区补偿；第二元素包括扇区相对应的当前占空比；所述死区补偿至少包括以下内容：基于Svpwm扇区信息以及每个扇区对应的当前占空比进行死区补偿得到每个扇区对应的新的占空比；现有技术中直流电流估算中直接采用Svpwm输出占空比，在Pwm死区的引入时会造成直流电流在低速的时候估算误差偏大；因此，本实施例对Svpwm输出占空比进行死区补偿，得到新的占空比，新的占空比除去了死区的影响，降低电流估算偏差；

基于新的三相电流值、Svpwm扇区信息以及每个扇区对应的新的占空比进行直流电流简易估算得到直流电流的估算值；对直流电流的估算值进行一阶惯性滤波，至此得到最终的直流电流的估算值。

在进一步的实施例中，所述转化处理具体包括以下内容：首先对当前三相电流值i_a、i_b、i_c进行Clark变换并得到i_αβ；对i_αβ以及当前转子转速ω_r，进行旋转角度补偿、Park变换和反Clark变换，并得到新的三相电流值i′_a、i′_b、i′_c。其中Clark变换公式如下：

接着为了主动补偿因电流采样硬件延时，计算电流采样延时补偿角度Δθ；计算公式如下：Δθ＝K*ω_r；其中，K为转子位置传感器跟踪误差系数，通过转子位置传感器手册获得。

对上述得到的i_αβ进行Park变换，得到i′_αβ；公式如下：i′_αβ＝e^jΔθ*i_αβ，其中，e为数学常数；

即：

其中，i_αp＝i_α+ji_βi_αβ，其中，i_αβ为复数表达式，j为虚数单位，i_α和i_β为正常时间标量表达形式，二者为相同物理量的不同表达形式，i′_αβ亦同，下文对此处理不再赘述。

接着对i′_αβ实施反Clark变换得到i′_abc；公式如下：i′_abc＝iClark*i′_αβ，其中i′_abc为对i′_a、i′_b、i′_c的简要总称，i_abc同理；

即：

在上述过程中，首先对当前三相电流值进行Clark变换，再结合当前转子转速，再进行角度补偿、Park变换和反Clark变换，得到新的三相电流值，这过程补偿了系统综合电流和电机转子位置采样延时差，以及转子位置跟踪偏差，该补偿方案的引入使得直流估算电流所需要的三相电流和当前电压保持角度同步，降低估算误差，而且该补偿方法计算简单，标定工作量较少。

在进一步的实施例中，如图2所示，所述死区补偿具体包括以下内容：将Svpwm扇区信息Sector以及扇区对应的的当前占空比t′₁、t′₂根据计算公式进行死区补偿并得到每个扇区对应的新的占空比t₁、t₂；计算公式如下：

t₁＝t′₁+Error

t₂＝t′₂+Error

其中，t′₁、t′₂为每个Sector范围当前的主、副矢量作用占空比，t₁、t₂分别为每个Sector范围新的主、副矢量作用占空比；Error为固定补偿值。利用对占空比进行死区补偿，减少因Pwm死区的引入造成直流电流在低速的时候估算误差，在直流电流估算中的占空比输入综合考虑死区影响，对占空比进行补偿，因此能够直接降低电流估算偏差。

所述死区补偿还包括以下内容：获取三相Svpwm的当前占空比t′_a、t′_b、t′_c，根据计算公式进行死区补偿得到三相Svpwm新的占空比t_a1、t_b1、t_c1；计算公式如下：

t_a1＝t′_a+Sign(i_a)*Error

t_b1＝t′_b+Sign(i_b)*Error

t_c1＝t′_c+Sign(i_c)*Error

其中，i_a、i_b、i_c为当前三相电流值，Error为固定补偿值，Sign是符号函数；

Sign符号函数表达式如下：

三相Svpwm占空比t′_a、t′_b、t′_c，经过死区补偿得到三相Svpwm新的占空比t_a1、t_b1、t_c1，将新的占空比送给硬件Pwm模块调制来控制电机。在现有技术中，一般采用死区补偿来处理三相Svpwm得到的占空比，用于实现硬件Pwm模块调制来控制电机；在本实施例中，将死区补偿的中间值应用直流电流估算中，因此减少了占空比因为死区而对直流电流估算造成的偏差，提高直流电流估算的精准度。

在进一步的实施例中，如图3所示，基于得到的新的三相电流值i′_a、i′_b、i′_c、以及每个扇区对应的新的占空比t₁、t₂，进行直流电流简易估算，计算公式如下：

基于Svpwm扇区信息形成关于Sector的扇区集ζ，所述扇区集ζ＝{1，2，3，4，5，6，θ}，其中θ表示其他；设定参数集合ψ，所述参数集合ψ＝{0，t₁，-t₂}；基于扇区集ζ中的元素，从参数集合ψ中确定t_a、t_b、t_c的值；扇区集ζ中元素1表示第一扇区，元素2表示第二扇区，元素3表示第三扇区，元素4表示第四扇区，元素5表示第五扇区，元素6表示第六扇区，元素θ表示其他扇区；当Sector为扇区集ζ中某个元素时，t_a、t_b、t_c的值从参数集合ψ中选择；具体判断内容如下：

若Sector＝1，则t_a＝0，t_b＝t₁，t_c＝-t₂，

若Sector＝2，则t_a＝t₁，t_b＝-t₂，t_c＝0，

若Sector＝3，则t_a＝t₁，t_b＝0，t_c＝-t₂，

若Sector＝4，则t_a＝-t₂，t_b＝0，t_c＝t₁，

若Sector＝5，则t_a＝-t₂，t_b＝t₁，t_c＝0，

若Sector＝6，则t_a＝0，t_b＝-t₂，t_c＝t₁，

若Sector＝θ，则t_a＝0，t_b＝0，t_c＝0，

对上述简易估算得到的

实施一阶惯性滤波得到最终的i_dc，计算公式如下：

其中，T_c为一阶惯性滤波器时间常数，S为拉普拉斯变换微分算子。

本发明实现控制器对高压供电电流的全转速范围的高精度估算，省去一个电流传感器，降低器件失效率的同时，有利于控制器小型化，轻量化设计；解决传统估算方案标定工作量大，实现复杂的问题，本方案操作容易，实现简单，参数少，运算量低；无标定表格，节约芯片存储单元。

在另一个实施例中，提供了一种电机控制器直流电流估算系统，用于实现上述的电机控制器直流电流估算方法，包括：

数据采集模块，用于获取电机的信息并形成数据库；所述数据库至少包括以下元素：当前三相电流值、当前转子转速、Svpwm扇区信息、以及获取三相Svpwm的当前占空比t′_a、t′_b、t′_c；

数据转换处理模块，用于转换处理数据库中的第一元素；首先对当前三相电流值i_a、i_b、i_c进行Clark变换并得到i_αβ；对i_αβ以及当前转子转速ω_r，进行旋转角度补偿、Park变换和反Clark变换，并得到新的三相电流值i′_a、i′_b、i′_c。其中Clark变换公式如下：

接着为了主动补偿因电流采样硬件延时，计算电流采样延时补偿角度Δθ；计算公式如下：Δθ＝K*ω_r；对上述得到的i_αβ进行Park变换，得到i′_αβ；公式如下：i′_αβ＝e^jΔθ*i_αβ，其中，e为数学常数；

即：

其中，i_αβ＝i_α+ji_βi_αβ，其中，i_αβ为复数表达式，j为虚数单位，i_α和i_β为正常时间标量表达形式，二者为相同物理量的不同表达形式，i′_αβ亦同，下文对此处理不再赘述。

接着对i′_αβ实施反Clark变换得到i′_abc；公式如下：i′_abc＝iClark*i′_αβ，其中i′_abc为对i′_a、i′_b、i′_c的简要总称，i_abc同理；

即：

补偿模块，用于补偿处理数据库中的第二元素；将Svpwm扇区信息Sector以及每个扇区的当前占空比t′₁、t′₂根据计算公式进行死区补偿并得到每个扇区对应的新的占空比t₁、t₂；计算公式如下：

t₁＝t′₁+Error

t₂＝t′₂+Error

其中，t₁、t₂分别为每个Sector范围主、副矢量作用占空比；Error为固定补偿值。根据计算公式进行死区补偿得到三相Svpwm新的占空比t_a1、t_b1、t_c1；计算公式如下：

t_a1＝t′_a+Sign(i_a)*Error

t_b1＝t′_b+Sign(i_b)*Error

t_c1＝t′_c+Sign(i_c)*Error

其中，i_a、i_b、i_c为当前三相电流值，Error为固定补偿值，Sign是符号函数；

Sign符号函数表达式如下：

估算模块，用于对转换处理后的第一元素以及补偿处理后的第二元素进行估算并得到直流电流的估算值。基于得到的新的三相电流值i′_a、i′_b、i′_c、以及每个扇区对应的新的占空比t₁、t₂，进行直流电流简易估算，计算公式如下：

基于Svpwm扇区信息形成关于Sector的扇区集ζ，所述扇区集ζ＝{1，2，3，4，5，6，θ}，其中θ表示其他；设定参数集合ψ，所述参数集合ψ＝{0，t₁，-t₂}；基于扇区集ζ中的元素，从参数集合ψ中确定t_a、t_b、t_c的值；扇区集ζ中元素1表示第一扇区，元素2表示第二扇区，元素3表示第三扇区，元素4表示第四扇区，元素5表示第五扇区，元素6表示第六扇区，元素θ表示其他扇区；当Sector为扇区集ζ中某个元素时，t_a、t_b、t_c的值从参数集合ψ中选择；具体判断内容如下：

若Sector＝1，则t_a＝0，t_b＝t₁，t_c＝-t₂，

若Sector＝2，则t_a＝t₁，t_b＝-t₂，t_c＝0，

若Sector＝3，则t_a＝t₁，t_b＝0，t_c＝-t₂，

若Sector＝4，则t_a＝-t₂，t_b＝0，t_c＝t₁，

若Sector＝5，则t_a＝-t₂，t_b＝t₁，t_c＝0，

若Sector＝6，则t_a＝0，t_b＝-t₂，t_c＝t₁，

若Sector＝θ，则t_a＝0，t_b＝0，t_c＝0，

对上述简易估算得到的

实施一阶惯性滤波得到最终的i_dc，计算公式如下：

其中，T_c为一阶惯性滤波器时间常数，S为拉普拉斯变换微分算子。

Claims (6)

1.一种电机控制器直流电流估算方法，其特征在于，包括以下流程：

获取关于电机的信息并形成数据库；所述数据库中至少包括以下元素：当前三相电流值、当前转子转速、以及Svpwm扇区信息；所述Svpwm扇区信息包括若干个扇区，以及扇区相对应的当前占空比；

对数据库中的第一元素进行转换处理；所述转换处理至少包括以下流程：对当前三向电流值以及当前转子转速转换处理并得到新的三相电流值；

对数据库中的第二元素进行死区补偿；所述死区补偿至少包括以下流程：对扇区对应的当前占空比进行死区补偿并得到对应的新的占空比；

基于新的三相电流值、扇区以及新的占空比进行直流电流估算并得到直流电流的估算值；

对直流电流的估算值进行一阶惯性滤波，进而得到最终的直流电流估算值；

所述转换处理具体包括以下流程：

对当前三相电流值i_a、i_b、i_c进行Clark变换并得到i_αβ；

对i_αβ以及当前转子转速ω_r，进行旋转角度补偿、Park变换和反Clark变换并得到新的三相电流值i′_a、i′_b、i′_c；

计算电流采样延时补偿角度Δθ；计算公式如下：Δθ＝K*ω_r；其中，K为转子位置传感器跟踪误差系数；

对i_αβ进行Park变换，得到i′_αβ；计算公式如下：i′_αβ＝e^jΔθ*i_αβ

即：

对i′_αβ实施反Clark变换得到i′_abc；计算公式如下：

i′_abc＝iClark*i′_αβ

即：

所述死区补偿具体包括以下流程：

将Svpwm扇区信息Sector以及每个扇区的当前占空比t′₁、t′₂根据计算公式进行死区补偿并得到每个扇区对应的新的占空比t₁、t₂；计算公式如下：

t₁＝t′₁+Error

t₂＝t′₂+Error

其中，t₁、t₂分别为每个Sector范围主、副矢量作用占空比；Error为固定补偿值；

若Sector＝1，则，

若Sector＝2，则，

若Sector＝3，则，

若Sector＝4，则，

若Sector＝5，则，

若Sector＝6，则，

若Sector＝θ，则，

2.根据权利要求1所述的一种电机控制器直流电流估算方法，其特征在于，

所述死区补偿还包括以下流程：

获取三相Svpwm的当前占空比t′_a、t′_b、t′_c，根据计算公式进行死区补偿得到三相Svpwm新的占空比t_a1、t_b1、t_c1；计算公式如下：

t_a1＝t′_a+Sign(i_a)*Error

t_b1＝t′_b+Sign(i_b)*Error

t_c1＝t′_c+Sign(i_c)*Error

其中，i_a、i_b、i_c为当前三相电流值，Error为固定补偿值，Sign是符号函数；

Sign符号函数表达式如下：

将三相Svpwm新的占空比t_a1、t_b1、t_c1送给硬件Pwm模块调制来控制电机。

3.根据权利要求1所述的一种电机控制器直流电流估算方法，其特征在于，

Clark变换公式如下：

i_αβ＝i_α+ji_βi_αβ，其中，i_αβ为复数表达式，i_α和i_β为正常时间标量表达形式。

4.根据权利要求1所述的一种电机控制器直流电流估算方法，其特征在于，

所述直流电流估算计算公式如下：

基于Svpwm扇区信息形成关于Sector的扇区集ζ，所述扇区集ζ＝{1，2，3，4，5，6，θ}，其中，θ表示其他扇区；

设定参数集合ψ，所述参数集合ψ＝{0，t₁，-t₂}；

基于扇区集ζ中的元素，从参数集合ψ中确定t_a、t_b、t_c的值；

扇区集ζ中元素1表示第一扇区，元素2表示第二扇区，元素3表示第三扇区，元素4表示第四扇区，元素5表示第五扇区，元素6表示第六扇区，元素θ表示其他扇区；当Sector为扇区集ζ中某个元素时，t_a、t_b、t_c的值从参数集合ψ中选择；具体判断内容如下：

若Sector＝1，则t_a＝0，t_b＝t₁，t_c＝-t₂；

若Sector＝2，则t_a＝t₁，t_b＝-t₂，t_c＝0；

若Sector＝3，则t_a＝t₁，t_b＝0，t_c＝-t₂；

若Sector＝4，则t_a＝-t₂，t_b＝0，t_c＝t₁；

若Sector＝5，则t_a＝-t₂，t_b＝t₁，t_c＝0；

若Sector＝6，则t_a＝0，t_b＝-t₂，t_c＝t₁；

若Sector＝θ，则t_a＝0，t_b＝0，t_c＝0。

5.根据权利要求1所述的一种电机控制器直流电流估算方法，其特征在于，

对

实施一阶惯性滤波得到最终的i_dc，计算公式如下：

其中，T_c为一阶惯性滤波器时间常数，S为拉普拉斯变换微分算子。

6.一种电机控制器直流电流估算系统，其特征在于，用于实现权利要求1至5任意一项所述的电机控制器直流电流估算方法，包括：

数据采集模块，用于获取电机的信息并形成数据库；

数据转换处理模块，用于转换处理数据库中的第一元素；

补偿模块，用于补偿处理数据库中的第二元素；

估算模块，用于对转换处理后的第一元素以及补偿处理后的第二元素进行估算并得到直流电流的估算值。

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