CN111313786A - 一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器及校正方法 - Google Patents

一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器及校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器，在三相电机驱动器中，逆变器由直流母线电压供电，将逆变器三相桥臂中点分别与电机三相绕组相连，将电机A、B、C三相绕组输入线缆分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，另外，将逆变器C相桥臂下支路输入线缆也分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，利用三相电流传感器在离线状态下的采样值估计并消除偏置误差，并利用三相电流传感器在正常运行工况下两个零电压矢量作用下的采样值估计三相电流传感器的增益误差关系，对增益误差进行消除。本发明电流传感器误差估计所需信号采样、记录次数极少，误差估计计算量忽略不计，对***正常运行控制没有影响。

Description

一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器及校正方法
技术领域
本发明涉及电机驱动器领域，尤其是一种三相电机驱动器及校正方法。
背景技术
现代电力电子变换技术的快速发展极大的促进了交流电机***的整体性能，当前三相交流电机驱动器需要安装若干高精度电流传感器来实现三相电流的闭环控制，从而保障***正常、高效运行。然而，在一个实际的控制器中，由于各个器件实际参数与设计参数不完全一致、各相之间的不对称、以及运行环境恶劣、驱动器自身老化等综合因素，最终导致这些电流传感器的精度往往会受到各种各样的挑战，出现电流采样过程中难以避免的偏置误差和增益误差。为了解决上述问题，现有技术主要是采用线下估计的方法对偏置误差进行消除，然而这种方案却难以估计电流传感器的增益误差。另一类方案主要是利用控制***的控制变量来实现电流传感器误差的估计，然而这一类方案需要将整个控制***作为其电流传感器误差估计的回路，因此，其具有一定局限性[相关内容在文献1-3中有记载，其中，文献1为Younghoon Cho,Thomas LaBella,Jih-Sheng Lai,"A three-phase currentreconstruction strategy with online current offset compensation using asingle current sensor,"IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.59,no.7,pp.2924-2933,Jul.2012.(期刊论文)，文献2为Kwang-Woon Lee,Sang-Il Kim,"Dynamic performance improvement of a current offset error compensator incurrent vector-controlled SPMSM drives,"IEEE Transactions on IndustrialElectronics,vol.66,no.9,pp.6727-6736,Sep.,2019.(期刊论文)，文献3为NegesseBelete Belayneh,Chang-Hwan Park,Jang-Mok Kim,"Compensation of arm currentsensor errors in modular multilevel converter,"IEEE Transactions on IndustryApplications,vol.55,no.5,pp.5005-5012,Sep./Oct.2019.(期刊论文)]。其主要局限性表现为：首先，由于电流传感器误差估计回路长，硬件构成种类复杂、数量繁多，因此，电流传感器误差估计耗时长、精度易受其他因素影响，如负载波动、负载类型、***参数变化、运行工况等。其次，由于这一类方案需要利用大量观测器、数字滤波器等复杂算法参与运算，因此其计算量通常很大，这会给***带来极大的运算负担。最后，这一类方案的适用性不强，尤其是这一类方案本身缺陷导致的针对惯性负载的有效性大大降低，因为惯性负载面临电流传感器误差的表现形式通常为不可测量的转矩脉动分量，而不是可测的转速波动。针对上述问题考虑，电流传感器误差校正策略应当具有估计速度快、计算负担小、适用性强等特点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器及校正方法，该驱动器不仅具备正常驱动器所必备的正常功能，且针对常规运行控制不需要做更改，并且仅通过额外增加线下估计和一次在线电流采样过程即可实现电流传感器误差的高精度估计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器，在三相电机驱动器中，逆变器由直流母线电压供电，将逆变器三相桥臂中点分别与电机三相绕组相连，将电机A、B、C三相绕组输入线缆分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，另外，将逆变器C相桥臂下支路输入线缆也分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，利用三相电流传感器在离线状态下的采样值估计并消除偏置误差，并利用三相电流传感器在正常运行工况下两个零电压矢量作用下的采样值估计三相电流传感器的增益误差关系，最终对增益误差进行消除。
本发明还提供涉及具备电流误差校正能力的三相电机驱动器的校正方法，步骤如下：
步骤1：考虑偏置误差和增益误差的影响，iPA、iPB、iPC的值表示为公式(1)：
Figure BDA0002383863180000021
其中，fA、fB分别是A相电流传感器、B相电流传感器的偏置误差，kA、kB分别是A相电流传感器、B相电流传感器的增益误差；
依据逆变器不同开关状态下的电路拓扑，结合公式(1)得到三相电流采样值与两个零电压矢量之间的关系，如公式(2)至公式(4)所示，其中iPA_0、iPB_0、iPC_0分别是三相电流传感器在逆变器每个开关周期V0作用下的电流值；
在开关周期的两端V0作用下，分别对三相传感器进行采样，得到每相各2个电流值，利用公式(4)的平均算法得到V0作用下每相的电流值iPA_0、iPB_0、iPC_0；
在开关周期的中间V7作用下，分别对三相传感器进行采样，得到每相各1个电流值iPA_7、iPB_7、iPC_7；
Figure BDA0002383863180000031
Figure BDA0002383863180000032
Figure BDA0002383863180000033
首先需要对电流传感器的偏置误差进行估计，在得到偏置误差数值并予以消除的基础上，再对其增益误差进行估计与消除；
步骤2：偏置误差；
当***处于非运行状态时，逆变器的六个开关管均处于开路状态，电机三相绕组中的电流均为0，C相桥臂下支路电路电流也为0，因此，iPA、iPB、iPC此时的实际值为公式(5)所示的三相偏置误差，对三相电流传感器进行分别采样，得到的三个值分别作为对应相传感器偏置误差的估计值，如公式(5)所示：
Figure BDA0002383863180000034
步骤3：增益误差；
增益误差的估计需要首先将已经估计出的偏置误差从检测到的电流信号中予以抵消，然后再估计增益误差；
利用公式(2)的每一项减去公式(3)对应的项得到公式(6)，其中，ΔiPA、ΔiPB、ΔiPC为定义变量；
Figure BDA0002383863180000035
从公式(6)看出，利用定义的三个变量便可求得三相电流传感器增益误差的相互关系，如公式(7)所示：
kA:kB:kC＝ΔiPA:ΔiPB:ΔiPC＝(iPA_0-iPA_7):(iPB_0-iPB_7):(iPC_0-iPC_7) (7)
为了能够均衡的对三相电流传感器增益误差进行补偿，定义补偿系数x、y、z，如公式(8)所示，其中，iPA'、iPB'、iPC'为补偿后的三相电流检测值；
Figure BDA0002383863180000041
补偿系数x、y、z需要满足公式(9)所示的双重约束：
Figure BDA0002383863180000042
通过公式(9)求得补偿系数x、y、z为公式(10)所示的值：
Figure BDA0002383863180000043
最终，利用公式(8)与公式(10)，将每相电流传感器的检测值乘以公式(10)中对应的补偿系数，将每相电流传感器的增益误差予以消除。
本发明的有益效果在于针对三相电机驱动***电流传感器误差校正问题，本发明具有以下优点：
(1)本发明电流传感器误差估计所需信号采样、记录次数极少：由于现有技术需要大量***输入、输出变量信息，通过观测器、滤波器等算法估算电流传感器误差，因此，其往往需要设置大量信号采样点，并予以记录分析，导致***内存消耗较大，本方案仅需离线、在线分别一次电流采样即可实现电流传感器误差的精准估计，所需信号采样、信号记录次数极少；
(2)本发明电流传感器误差估计计算量可以忽略不计：由于现有技术对电流传感器误差的估算方案通常依赖大量复杂观测器、数字滤波器等，因此，其计算量往往非常大，给微处理器造成极大运算负担，本方案针对偏置误差，利用离线估计的方案实现其精准估计，针对增益误差，仅需少量四则运算即可实现精准估计，所需计算量可以忽略不计；
(3)本发明电流传感器误差估计对***正常运行控制没有影响：由于现有技术的实现缺陷，导致其需要控制***进行大量计算来实现其电流传感器误差的估算能力，因此，其势必会对***正常运行控制带来一定限制或影响，本方案仅需要利用两次电流采样值，并经过少量几次四则运算即可实现电流传感器误差的精准估计，并且当***正常运行时，V0和V7两个零电压矢量下的电流采样值中，V7状态下的情况与通常模式下的没有分别，可以无需更改用于正常***控制，V0状态下的采样值则被用于电流传感器误差的校正。
附图说明
图1是本发明具备电流误差校正能力的三相电机驱动器拓扑结构。
图2是本发明电流传感器误差校正方案在线校正部分在扇区I的电流采样点设置方案。
图中VDC是电机驱动***直流母线电压，iA、iB、iC分别是A相电流、B相电流、C相电流的真实值，iPA、iPB、iPC分别是A相电流、B相电流、C相电流的采样值，iCL是C相桥臂下支路输入线缆电流值，Ts是逆变器的开关周期，T0、T1、T2、T7分别是基本电压矢量V0、V1、V2、V7在每个逆变器开关周期内的作用时间，SA、SB、SC分别是逆变器A、B、C三相桥臂开关状态，iPA_0_1、iPB_0_1、iPC_0_1分别是三相电流传感器在逆变器每个开关周期开始时的电流采样值，iPA_0_2、iPB_0_2、iPC_0_2分别是三相电流传感器在逆变器每个开关周期结束时的电流采样值，iPA_7、iPB_7、iPC_7分别是三相电流传感器在逆变器每个开关周期中间的电流采样值。
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。
一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器，在三相电机驱动器中，逆变器由直流母线电压供电，将逆变器三相桥臂中点分别与电机三相绕组相连，将电机A、B、C三相绕组输入线缆分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，另外，将逆变器C相桥臂下支路输入线缆也分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，利用三相电流传感器在离线状态下的采样值估计并消除偏置误差，并利用三相电流传感器在正常运行工况下两个零电压矢量作用下的采样值估计三相电流传感器的增益误差关系，最终对增益误差进行消除。
步骤1：在图1中，考虑偏置误差和增益误差的影响，iPA、iPB、iPC的值表示为公式(1)：
Figure BDA0002383863180000061
其中，fA、fB分别是A相电流传感器、B相电流传感器的偏置误差，kA、kB分别是A相电流传感器、B相电流传感器的增益误差；
依据逆变器不同开关状态下的电路拓扑，结合公式(1)得到三相电流采样值与两个零电压矢量之间的关系，如公式(2)至公式(4)所示，其中iPA_0、iPB_0、iPC_0分别是三相电流传感器在逆变器每个开关周期V0作用下的电流值；
在开关周期的两端(V0作用下)分别对三相传感器进行采样，得到每相各2个电流值，利用公式(4)的平均算法得到V0作用下每相的电流值iPA_0、iPB_0、iPC_0；
在开关周期的中间(V7作用下)分别对三相传感器进行采样，得到每相各1个电流值iPA_7、iPB_7、iPC_7。
Figure BDA0002383863180000062
Figure BDA0002383863180000063
Figure BDA0002383863180000064
本发明首先需要对电流传感器的偏置误差进行估计，在得到偏置误差数值并予以消除的基础上，再对其增益误差进行估计与消除；
步骤2：偏置误差；
当***处于非运行状态时，逆变器的六个开关管均处于开路状态，电机三相绕组中的电流均为0，C相桥臂下支路电路电流也为0，因此，iPA、iPB、iPC此时的实际值为公式(5)所示的三相偏置误差，对三相电流传感器进行分别采样，得到的三个值分别作为对应相传感器偏置误差的估计值，如公式(5)所示：
Figure BDA0002383863180000071
步骤3：增益误差；
增益误差的估计需要首先将已经估计出的偏置误差从检测到的电流信号中予以抵消，然后再估计增益误差；
利用公式(2)的每一项减去公式(3)对应的项得到公式(6)，其中，ΔiPA、ΔiPB、ΔiPC为定义变量；
Figure BDA0002383863180000072
从公式(6)可以看出，利用定义的三个变量便可求得三相电流传感器增益误差的相互关系，如公式(7)所示：
kA:kB:kC＝ΔiPA:ΔiPB:ΔiPC＝(iPA_0-iPA_7):(iPB_0-iPB_7):(iPC_0-iPC_7) (7)
为了能够均衡的对三相电流传感器增益误差进行补偿，定义补偿系数x、y、z，如公式(8)所示，其中，iPA'、iPB'、iPC'为补偿后的三相电流检测值；
Figure BDA0002383863180000073
补偿系数x、y、z需要满足公式(9)所示的双重约束：
Figure BDA0002383863180000074
通过公式(9)求得补偿系数x、y、z为公式(10)所示的值：
Figure BDA0002383863180000075
最终，利用公式(8)与公式(10)，将每相电流传感器的检测值乘以公式(10)中对应的补偿系数，将每相电流传感器的增益误差予以消除。

Claims (2)

1.一种具备电流误差校正能力的三相电机驱动器，其特征在于：
所述具备电流误差校正能力的三相电机驱动器，在三相电机驱动器中，逆变器由直流母线电压供电，将逆变器三相桥臂中点分别与电机三相绕组相连，将电机A、B、C三相绕组输入线缆分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，另外，将逆变器C相桥臂下支路输入线缆也分别正向穿过A、B、C三相电流传感器信号采集口，利用三相电流传感器在离线状态下的采样值估计并消除偏置误差，并利用三相电流传感器在正常运行工况下两个零电压矢量作用下的采样值估计三相电流传感器的增益误差关系，最终对增益误差进行消除。
2.一种利用权利要求1所述具备电流误差校正能力的三相电机驱动器的校正方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：考虑偏置误差和增益误差的影响，iPA、iPB、iPC的值表示为公式(1)：
Figure FDA0002383863170000011
其中，fA、fB分别是A相电流传感器、B相电流传感器的偏置误差，kA、kB分别是A相电流传感器、B相电流传感器的增益误差；
依据逆变器不同开关状态下的电路拓扑，结合公式(1)得到三相电流采样值与两个零电压矢量之间的关系，如公式(2)至公式(4)所示，其中iPA_0、iPB_0、iPC_0分别是三相电流传感器在逆变器每个开关周期V0作用下的电流值；
在开关周期的两端V0作用下，分别对三相传感器进行采样，得到每相各2个电流值，利用公式(4)的平均算法得到V0作用下每相的电流值iPA_0、iPB_0、iPC_0；
在开关周期的中间V7作用下，分别对三相传感器进行采样，得到每相各1个电流值iPA_7、iPB_7、iPC_7；
Figure FDA0002383863170000012
Figure FDA0002383863170000013
Figure FDA0002383863170000021
首先需要对电流传感器的偏置误差进行估计，在得到偏置误差数值并予以消除的基础上，再对其增益误差进行估计与消除；
步骤2：偏置误差；
当***处于非运行状态时，逆变器的六个开关管均处于开路状态，电机三相绕组中的电流均为0，C相桥臂下支路电路电流也为0，因此，iPA、iPB、iPC此时的实际值为公式(5)所示的三相偏置误差，对三相电流传感器进行分别采样，得到的三个值分别作为对应相传感器偏置误差的估计值，如公式(5)所示：
Figure FDA0002383863170000022
步骤3：增益误差；
增益误差的估计需要首先将已经估计出的偏置误差从检测到的电流信号中予以抵消，然后再估计增益误差；
利用公式(2)的每一项减去公式(3)对应的项得到公式(6)，其中，ΔiPA、ΔiPB、ΔiPC为定义变量；
Figure FDA0002383863170000023
从公式(6)看出，利用定义的三个变量便可求得三相电流传感器增益误差的相互关系，如公式(7)所示：
kA:kB:kC＝ΔiPA:ΔiPB:ΔiPC＝(iPA_0-iPA_7):(iPB_0-iPB_7):(iPC_0-iPC_7) (7)
为了能够均衡的对三相电流传感器增益误差进行补偿，定义补偿系数x、y、z，如公式(8)所示，其中，iPA'、iPB'、iPC'为补偿后的三相电流检测值；
Figure FDA0002383863170000024
补偿系数x、y、z需要满足公式(9)所示的双重约束：
Figure FDA0002383863170000031
通过公式(9)求得补偿系数x、y、z为公式(10)所示的值：
Figure FDA0002383863170000032
最终，利用公式(8)与公式(10)，将每相电流传感器的检测值乘以公式(10)中对应的补偿系数，将每相电流传感器的增益误差予以消除。
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