CN116073719B - 一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法和系统，本发明通过使用三相电感星形连接构成假负载替代电机负载并通过软件生成虚拟旋转角度。在标定模式使用标准电流采样元件进行电流采样，并存储稳定状态下的相关标定参数。随后在调控模式下使用批量下线的其他电流采样元件进行电流采样，并通过两个电压闭环反馈分别生成采样电流的延时补偿系数及增益补偿系数，两个补偿过程相互解耦互不影响。本发明有效保证了电流采样的精度及一致性。

Description

一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法和系统
技术领域
本发明涉及三相电流传感器的补偿方法和系统，具体涉及一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法和系统，能够获得三相电流传感器的电流调节增益参数。
背景技术
永磁同步电机在可靠性、功率密度、效率成本等方面相比其他电机具有较大优势，同时伴随电力电子技术不断迭代更新，已然成为电动汽车关键部件之一。矢量控制是永磁同步电机常用的控制手段之一，其主要思想为通过坐标变换将三相静止坐标系下的交流电进行解耦，分解为两相旋转坐标系下的交轴电流和直轴电流，再对其交直轴分量分别进行控制，配合逆变器可以将永磁同步电机等效为直流电机进行控制，具有较好的动态性能。
控制算法在离散的数字系统中进行实现，由于A/D转化过程、硬件滤波过程、电流传感器信号转换过程不可避免，采样电流相比于实际电流存在一定的相位延迟，进而影响到采样电流的实际精度。此外，批量化生产的电驱集成控制器中装配的三相电流传感器在使用时存在一定的增益偏差，也需要进行微调降低其对实际工作时采样精度的影响。电流采样精度直接影响永磁同步电机稳定性、控制精度及效率，高转速运行范围更甚。故有必要在电驱集成控制器批量下线过程中对三相电流传感器的采样延时及增益进行补偿校正。现有技术中，通常采用如下方法：
1、对于电流采样增益的微调：通常向电机发送指定幅值电流指令，通过检测实际反馈电流指令幅值与其相比，进而对实际采样增益进行微调。
2、对于电流采样延时的补偿：高频注入法。
直接搭载永磁同步电机负载，采取经典的电流环闭环作为基础控制架构。在d轴注入高频电压信号得到高频电流信号表达式，综合考虑相电流采样过程的延迟时间修正高频电流采样信号表达式，并使用锁相环对电流采样的相位延时进行提取。其控制结构图如图1所示。
经文献检索除高频注入法众多其他电流采样延时补偿策略都是直接搭载永磁同步电机负载进行的标定实验，在电驱集成控制器大批量下线过程中会耗费较大的电力成本、时间成本、台架损耗成本、空间成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时实现电流采样延时及增益补偿方法和系统，本发明通过使用三相电感星形连接构成假负载替代电机负载并通过软件生成虚拟旋转角度。在标定模式使用标准电流采样元件进行电流采样，并存储稳定状态下的相关标定参数。随后在调控模式下使用批量下线的其他三相电流传感器进行电流采样，并通过两个电压闭环反馈分别生成采样电流的延时补偿系数及增益补偿系数，两个补偿过程相互解耦互不影响。本发明有效保证了电流采样的精度及一致性。
本发明采用的技术方案具体如下：
一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法，包括依次执行的标定模式和调控模式，其中，标定模式下：
基于给定频率的虚拟角度、给定电流指令的幅值及角度计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流和三相驱动电压；具体地，获取给定频率的虚拟角度、给定电流指令的幅值及角度，并计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流；检测参考交直轴电流与反馈交直轴电流信号之间的偏差，分别输出d轴控制电压和q轴控制电压，并结合虚拟角度生成三相驱动电压；
三相驱动电压驱动假负载模块生成三相电流；三相电流传感器实时采样检测假负载模块生成的三相电流，将三相电流与所述虚拟角度进行数学转换，生成并输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号形成反馈进行实时调整，当处于稳定状态后，检测输出的d轴控制电压vd及q轴控制电压vq，提取稳态下的d轴控制电压vd作为标定d轴电压，同时计算标定电压幅值；
其中，假负载模块由三相对称电感采用星形连接构成；
所述调控模式下：基于实际虚拟角度、实际电流指令的幅值及角度计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流和三相驱动电压；具体地，获取实际虚拟角度、实际电流指令的幅值及角度，并计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流；检测参考交直轴电流与反馈交直轴电流信号之间的偏差，分别输出d轴控制电压和q轴控制电压，结合虚拟角度生成三相驱动电压；
三相驱动电压驱动假负载模块生成三相电流；待补偿三相电流传感器实时采样检测假负载模块生成的三相电流，将三相电流与所述虚拟角度进行数学转换，输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号形成反馈进行实时调整；
待处于稳定状态后，存储电流调节增益参数Kcomp及采样延时补偿角度θcomp完成待补偿三相电流传感器的电流采样增益及延时补偿。
其中，实际虚拟角度θeadj、实际电流指令的幅值Isadj通过如下方法实时反馈补偿获得：
Isadj= Iscali -Iscomp
θeadj = θe+ θcomp
式中，Iscali是给定电流指令的幅值，Iscomp是基于标定模式下获取的标定电压幅值和实时经过电压检测与计算器计算的电压幅值之间的偏差，获得的电流指令幅值补偿；θe是给定频率的虚拟角度，θcomp是基于标定模式下获取的标定d轴电压与实时经过电压检测与计算器检测的d轴电压之间的偏差获得的虚拟角度补偿。
进一步地，所述标定电压幅值uscali计算方法如下：
Figure SMS_1
；
式中，vd为d轴控制电压，vq为q轴电压幅值。
进一步地，Kcomp的计算方法如下：
Figure SMS_2
。
一种同时实现电流采样增益及延时补偿系统，用于实现上述同时实现电流采样增益及延时补偿方法，包括：
电流指令生成模块，用于基于给定电流指令的幅值及角度计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流；
虚拟角度生成模块，用于生成给定频率的虚拟角度；
假负载模块，所述假负载模块由三相对称电感采用星形连接构成，三相对称电感受三相驱动电压驱动生成三相电流；
电流检测模块，包括三相电流传感器，三相电流传感器用于检测假负载模块生成的三相电流；
三相驱动电压生成模块，用于生成三相驱动电压；
采样延时及增益补偿模块，用于在调控模式下，存储电流调节增益参数Kcomp及采样延时补偿角度θcomp完成电流待补偿三相电流传感器的电流采样增益及延时补偿。
进一步地，还包括参数存储模块，用于存储标定电压幅值和标定d轴电压。
进一步地，电流检测模块还包括Clark-Park变换器，Clark-Park变换器用于将三相电流与虚拟角度生成模块生成的虚拟角度进行数学转换，输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号。
进一步地，三相驱动电压生成模块包括：电压控制模块，用于检测电流指令生成模块生成的参考交直轴电流与反馈交直轴电流信号之间的偏差，分别输出d轴控制电压和q轴控制电压；
逆变驱动模块，用于接收电压控制模块输出的d轴控制电压和q轴控制电压及虚拟角度生成模块输出的虚拟角度生成三相驱动电压。
进一步地，所述电压控制模块包括q轴电压控制器和d轴电压控制器，其中，q轴电压控制器用于检测电流指令生成模块生成的q轴参考电流iqref与电流检测模块输出的q轴反馈电流iq之间的偏差，经过q轴电压调节器输出q轴控制电压vq；d轴电压控制器用于电流指令生成模块生成的d轴参考电流idref与电流检测模块输出的d轴反馈电流id之间的偏差，经过d轴电压调节器输出d轴控制电压vd。
进一步地，所述逆变驱动模块由逆Park变换器、SVPWM调制器、逆变器组成，其中：
逆Park变换器用于接收电压控制模块输出的d轴控制电压vd、q轴控制电压vq及虚拟角度生成模块输出的虚拟角度θe进行逆Park数学转换生成两相静止坐标系下电压vα、vβ；
SVPWM调制器用于接收两相静止坐标系下电压vα、vβ进行空间矢量脉宽调制，产生脉冲波；
逆变器用于基于脉冲波产生三相驱动电压。
进一步地，标定模式下三相电流传感器采用标准电流采样元件。
进一步地，采样延时及增益补偿模块包括电压检测及计算器、电流幅值调节器和延时补偿调节器，其中电压检测及计算器用于实时检测电压控制模块中输出的d轴控制电压和q轴控制电压；电流幅值调节器用于基于标定模式下参数存储模块中存储的标定电压幅值和实时经过电压检测与计算器计算的电压幅值之间的偏差，获得电流指令幅值补偿；延时补偿调节器用于基于标定模式下参数存储模块中存储的标定d轴电压与实时经过电压检测与计算器检测的d轴电压之间的偏差获得虚拟角度补偿。
进一步地，标定模式下关闭采样延时及增益补偿模块中电流幅值调节器及延时补偿调节器对外输出通道。
本发明的有益效果是：本发明采用三相电感星形连接构成假负载，通过软件生成虚拟旋转角度，并基于传统电流环控制架构进行改进实现电流采样的补偿。由于感性负载并不产生有功故极大节省电力成本，负载体积小节省了空间成本，动态响应更快节约了时间成本，不直接拉动电机负载降低了对台架的损耗。同时本方法相比于上述介绍方法，在考虑电流采样过程中的采样延时因素之外还考虑采样增益偏差对采样精度的影响，并采用双闭环调节的方式同时得到了增益补偿系数及延时补偿系数。
附图说明
图1是现有技术中电流采样延时补偿的控制结构图；
图2是本发明一种同时实现电流采样延时及增益补偿方法的控制结构图；
图3是本发明同步旋转坐标系下的电流指令。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法，包括依次执行的标定模式和调控模式，其中，标定模式具体为：
获取给定频率的虚拟角度、给定电流指令的幅值及角度，并计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流；检测参考交直轴电流与反馈交直轴电流信号之间的偏差，分别输出d轴控制电压和q轴控制电压，并结合虚拟角度生成三相驱动电压；三相驱动电压驱动假负载模块生成三相电流；三相电流传感器实时采样检测假负载模块生成的三相电流，将三相电流与所述虚拟角度进行数学转换，输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号形成反馈进行实时调整，当处于稳定状态后，检测输出的d轴控制电压vd及q轴控制电压vq，提取稳态下的d轴控制电压vd作为标定d轴电压，同时计算标定电压幅值。
其中，假负载模块由三相对称电感采用星形连接构成；
所述调控模式具体为：获取实际虚拟角度、实际电流指令的幅值及角度，并计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流；其中，实际虚拟角度θeadj、实际电流指令的幅值Isadj通过实时反馈补偿获得，补偿的电流值Iscomp是基于标定模式下获取的标定电压幅值和实时经过电压检测与计算器计算的电压幅值之间的偏差获得的；补偿的虚拟角度θcomp是基于标定模式下获取的标定d轴电压与实时经过电压检测与计算器检测的d轴电压之间的偏差获得的。
再检测参考交直轴电流与反馈交直轴电流信号之间的偏差，分别输出d轴控制电压和q轴控制电压，并结合虚拟角度生成三相驱动电压；三相驱动电压驱动假负载模块生成三相电流；三相电流传感器实时采样检测假负载模块生成的三相电流，将三相电流与所述虚拟角度进行数学转换，输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号形成反馈进行实时调整；
待处于稳定状态后，存储电流调节增益参数Kcomp及采样延时补偿角度θcomp完成三相电流传感器的电流采样增益及延时补偿。
图2所示是本发明所涉及的一种同时实现电流采样延时及增益补偿方法的控制结构图，基于同时实现电流采样延时及增益补偿系统实现，系统主要由参数存储模块、电流指令生成模块、电压控制模块、逆变驱动模块、假负载模块、电流检测模块、虚拟角度生成模块、采样延时及增益补偿模块组成，其中电压控制模块由q轴电压控制器和d轴电压控制器组成，逆变驱动模块由逆Park变换器、SVPWM调制器、逆变器组成，假负载模块由三相对称电感采用星形连接构成，电流检测模块主要由待补偿的三相电流传感器及Clark-Park变换器组成，采样延时及增益补偿模块主要由电流幅值调节器、电压检测及计算器、延时补偿调节器组成。
在该控制结构下依次执行如下两种工作模式完成最终采样延时及增益补偿功能：标定模式、调控模式，具体来说：
（一）标定模式
标定模式下关闭采样延时及增益补偿模块中电流幅值调节器及延时补偿调节器对外输出通道，采用标准电流采样元件作为基准测试元件进行后续操作。
首先由参数存储模块发出给定电流指令的幅值Iscali及角度θcali，给定电流指令的幅值Iscali及角度θcali经电流指令生成模块按下式计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流idref、iqref，表示如下：
idref = Iscalicosθcali
iqref = Iscalisinθcali
上述信号在同步旋转坐标系中关系如图2所示。
虚拟角度生成模块按下式生成给定频率f的虚拟角度θe
θe =2πft
t为采样时刻。
假负载模块中的三相电感受逆变驱动模块生成的PWM波驱动，通过电流检测模块中三相电流传感器检测三相电感中的电流ia、ib、ic，与虚拟角度生成模块生成的虚拟角度θe共同输入至Clark-Park变换器中进行数学转换，输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号id、iq。
电压控制模块的q轴电压控制器检测电流指令生成模块生成的q轴参考电流iqref与电流检测模块输出的q轴反馈电流iq之间的偏差，经过q轴电压调节器输出q轴控制电压vq，d轴电压控制器检测电流指令生成模块生成的d轴参考电流idref与d轴反馈电流id之间的偏差，经过d轴电压调节器输出d轴控制电压vd。
逆变驱动模块中逆Park变换器接收电压控制模块输出的d轴控制电压vd、q轴控制电压vq及虚拟角度生成模块输出的虚拟角度θe进行逆Park数学转换生成两相静止坐标系下电压vα、vβ,继而输入至SVPWM调节器中进行空间矢量脉宽调制，其产生的脉冲波作用于逆变器产生三相驱动电压va、vb、vc，三相电压作用于三相对称电感产生三相电流。由于假负载模块中采用感性负载进行连接，故整个操作过程中几乎不产生有功功耗。
当系统处于稳定状态后，采样延时及增益补偿模块中的电压检测及计算器检测电压控制模块中输出的d轴控制电压vd及q轴控制电压vq，提取稳态下的d轴控制电压vd作为标定d轴电压vdcali，并按下式计算标定电压幅值uscali
Figure SMS_3
最后将标定d轴电压vdcali及标定电压幅值uscali发送至参数存储模块进行存储。
（二）调控模式
调控模式下开启采样延时及增益补偿模块中电流幅值调节器及延时补偿调节器对外输出通道，并针对同批下线的其他电驱集成控制器中的三相电流传感器分别进行采样延时及增益补偿。此时，在标定模式运行操作的基础上，采样延时及增益补偿模块中的电流幅值调节器会输出电流指令幅值补偿Iscomp，相应的传入电流指令生成模块的实际电流幅值Isadj为
Isadj = Iscali -Iscomp
采样延时及增益补偿模块中的延时补偿调节器会输出虚拟角度补偿θcomp，此时传入Clark-Park变换器和逆Park变换器中的实际虚拟角度θeadj为
θeadj = θe + θcomp
具体地，电流指令幅值补偿Iscomp是通过比较标定模式下参数存储模块中存储的标定电压幅值uscali和实时经过电压检测与计算器计算的电压幅值us之间的偏差，并将该偏差作为电流幅值调节器的输入产生。虚拟角度补偿θcomp是通过比较标定模式下参数存储模块中存储的标定d轴电压vdcali与实际经过电压检测与计算器检测的d轴电压vd之间的偏差，并将该偏差作为延时补偿调节器的输入产生。本发明中，电流幅值调节器、延时补偿调节器采用PI控制器。
待系统处于稳定状态后，参数存储模块存储电流调节增益参数Kcomp及采样延时补偿角度θcomp,其中Kcomp满足
Figure SMS_4
最终，三相电流传感器经采样延时及增益补偿后，采样的电流Icorrect表示为：
Icorrect (t)= Imeasure(t-θcomp/(2πf))/Kcomp
式中，t为采样时刻，Imeasure为三相电流传感器实际采样获得的电流。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种同时实现电流采样增益及延时补偿方法，其特征在于，包括依次执行的标定模式和调控模式，其中，标定模式下：
基于给定频率的虚拟角度、给定电流指令的幅值及角度计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流和三相驱动电压；三相驱动电压驱动假负载模块生成三相电流；三相电流传感器实时采样检测假负载模块生成的三相电流，生成并输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号形成反馈进行实时调整，当处于稳定状态后，提取稳态下的d轴控制电压v d 作为标定d轴电压；
其中，假负载模块由三相对称电感采用星形连接构成；
所述调控模式下：基于实际虚拟角度、实际电流指令的幅值及角度计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流和三相驱动电压；三相驱动电压驱动假负载模块生成三相电流；待补偿三相电流传感器实时采样检测假负载模块生成的三相电流，生成并输出同步旋转坐标系下的反馈交直轴电流信号形成反馈进行实时调整；待处于稳定状态后，存储电流调节增益参数K comp 及采样延时补偿角度θ comp 完成电流待补偿三相电流传感器的电流采样增益及延时补偿；
其中实际虚拟角度θ eadj 、实际电流指令的幅值I sadj 通过如下方法实时反馈补偿获得：
I sadj = I scali -I scomp ；
θ eadj = θ e + θ comp ；
式中，I scali 是给定电流指令的幅值，I scomp 是基于标定模式下获取的标定电压幅值和实时经过电压检测与计算器计算的电压幅值之间的偏差，获得的电流指令幅值补偿；θ e 是给定频率的虚拟角度，θ comp 是基于标定模式下获取的标定d轴电压与实时经过电压检测与计算器检测的d轴电压之间的偏差获得的虚拟角度补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，标定电压幅值u scali 计算方法如下：
Figure QLYQS_1
；
式中，v d 为d轴控制电压，v q 为q轴电压幅值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电流调节增益参数K comp 的计算方法如下：
Figure QLYQS_2
。
4.一种同时实现电流采样增益及延时补偿系统，其特征在于，用于实现权利要求1所述同时实现电流采样增益及延时补偿方法，包括：
电流指令生成模块，用于基于给定电流指令的幅值及角度计算生成同步旋转坐标系下的参考交直轴电流；
虚拟角度生成模块，用于生成给定频率的虚拟角度；
假负载模块，所述假负载模块由三相对称电感采用星形连接构成，三相对称电感受三相驱动电压驱动生成三相电流；
电流检测模块，包括三相电流传感器，三相电流传感器用于检测假负载模块生成的三相电流；
三相驱动电压生成模块，用于生成三相驱动电压；
采样延时及增益补偿模块，用于在调控模式下，存储电流调节增益参数K comp 及采样延时补偿角度θ comp 完成电流待补偿三相电流传感器的电流采样增益及延时补偿。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，三相驱动电压生成模块包括：电压控制模块，用于检测电流指令生成模块生成的参考交直轴电流与反馈交直轴电流信号之间的偏差，分别输出d轴控制电压和q轴控制电压；
逆变驱动模块，用于接收电压控制模块输出的d轴控制电压和q轴控制电压及虚拟角度生成模块输出的虚拟角度生成三相驱动电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电压控制模块包括q轴电压控制器和d轴电压控制器，其中，q轴电压控制器用于检测电流指令生成模块生成的q轴参考电流i qref 与电流检测模块输出的q轴反馈电流i q 之间的偏差，经过q轴电压调节器输出q轴控制电压v q ；d轴电压控制器用于检测电流指令生成模块生成的d轴参考电流i dref 与电流检测模块输出的d轴反馈电流i d 之间的偏差，经过d轴电压调节器输出d轴控制电压v d 。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述逆变驱动模块由逆Park变换器、SVPWM调制器、逆变器组成，其中：
逆Park变换器用于接收电压控制模块输出的d轴控制电压v d 、q轴控制电压v q 及虚拟角度生成模块输出的虚拟角度θ e 进行逆Park数学转换生成两相静止坐标系下电压vα、vβ；
SVPWM调制器用于接收两相静止坐标系下电压vα、vβ进行空间矢量脉宽调制，产生脉冲波；
逆变器用于基于脉冲波产生三相驱动电压。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，标定模式下三相电流传感器采用标准电流采样元件。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，采样延时及增益补偿模块包括电压检测及计算器、电流幅值调节器和延时补偿调节器，其中电压检测及计算器用于实时检测电压控制模块中输出的d轴控制电压和q轴控制电压；电流幅值调节器用于基于标定电压幅值和实时经过电压检测与计算器计算的电压幅值之间的偏差，获得电流指令幅值补偿；延时补偿调节器用于基于标定d轴电压与实时经过电压检测与计算器检测的d轴电压之间的偏差获得虚拟角度补偿。
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