CN113364379A - 用于pmsm的多电流传感器比例误差平衡控制方法 - Google Patents

用于pmsm的多电流传感器比例误差平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于PMSM的多电流传感器比例误差平衡控制方法。在直流电源和永磁同步电机所连接的三相逆变器间设置一个避免直通矢量作用时直流电源正负极短路的阻抗网络；在PWM周期中的两个直通矢量作用下，使用三相的电流传感器分别对三相逆变器的三相输出支路的其中每一路和三相逆变器同一个桥臂支路的电流之和进行采样，依据采样的电流运算获得三相的电流传感器的比例误差系数之间的关系；再计算矫正系数，利用矫正系数反馈控制实现电流传感器比例误差的矫正。本发明方法在直通矢量作用时进行采样电流，同时实现了三相逆变器母线电压的泵升，不会出现采样盲区的问题，扩展了电机的运行范围。

Description

用于PMSM的多电流传感器比例误差平衡控制方法
技术领域
本发明涉及PMSM控制领域的一种三相逆变器-永磁同步电机PMSM平衡控制方法，特别是涉及一种应用于三相逆变器-PMSM控制中的多电流传感器比例误差平衡控制方法。
背景技术
由于具有较高的功率密度，PMSM已被广泛应用于电动汽车、轨道交通和家用电器等应用场合。PMSM的高性能控制依赖于准确的定子电流反馈。为了获得准确的电机三相电流值，电流传感器以及对应的模拟信号调理电路、模/数转换模块必不可少。然而，随着电流传感器以及对应调理电路参数的变化，各个电流传感器之间将会产生不同的采样电流误差。采样电流误差包括偏移误差以及比例误差。其中，偏移误差会在转矩中引入电机基波频率的波动量，比例误差会在转矩中引入电机二倍基波频率的波动量。
为了消除采样电流误差对电机控制性能的影响，各种采样电流误差补偿策略被相继提出。现有方案可以分为两类。一类方法通过观测器或者解析的方法实现采样电流误差的估计与补偿。M.Kim和S.Sul等利用定子电压误差分别提取出了电流传感器偏移误差和比例误差，实现了稳态时的采样电流误差的补偿(IEEE Trans.Ind.Appl.,vol.50,no.9,pp.3365-3373,2014年9月)。现有文献在处理比例误差时，一般是将多个电流传感器的比例误差进行平衡，使多个电流传感器具有相同的比例误差系数，并没有获得准确的比例误差系数。为了解决这一问题，H.Heo和S.Hwang等通过在一个特定转速下给定q轴电流两个不同的参考值来获取两次电流环PI调节器积分项的值，将其作差以获得比例误差系数与准确比例误差系数的关系，从而实现了比例误差系数的准确矫正(Proc.IPEMC-ECCE Asia,2016,pp.374-378)。
另一类方法通过特殊的硬件结构避免了采样电流误差对电机控制性能的影响。其中，单电流传感器采样-三相电流重构技术可以使用一个电流传感器实现电机的高性能控制。由于只使用一个电流传感器，该方法避免了多个电流传感器之间比例误差不平衡的影响。在此基础上，Y.Cho和T.LaBella等给出了应用于单电流传感器采样-三相电流重构技术的电流传感器采样偏移误差补偿方法，进一步消除了电流传感器采样误差的影响(IEEETrans.Ind.Electron.,vol.59,no.7,pp.2924-2933,2012年7月)。与单电流传感器采样-三相电流重构技术不同，J.Lu和Y.Hu等提出了另一种硬件结构来实现传统电压源三相逆变器驱动的PMSM控制中三相电流传感器采样电流误差的估计与补偿。该方法使用电流传感器测量三相逆变器输出相支路与三相逆变器一个桥臂支路电流的和。通过在零矢量和有效矢量作用时对电流进行采样，并将采样值做普通的数值运算，即可获得准确的采样电流误差。由于采用了特殊的硬件结构，这类方法往往需要在特定矢量中进行采样电流，当采样所需矢量的长度不足以完成一次采样时，会导致采样失败。在矢量平面中，可能产生采样失败的区域被称为采样盲区(IEEE Trans.Power Electron.,vol.36,no.5,pp.5748-5759,2021年5月)。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可以消除分布于高调制区的采样盲区，提高直流电压利用率的多电流传感器比例误差平衡方法。
本发明方法在直通矢量作用时进行采样电流，同时实现了三相逆变器母线电压的泵升，不会出现采样盲区的问题，扩展了电机的运行范围。
如图1所示，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
1)在直流电源和永磁同步电机所连接的三相逆变器之间设置一个避免直通矢量作用时直流电源正负极短路的阻抗网络；
2)在三相逆变器的一个PWM周期中的两个直通矢量作用下，使用三相的电流传感器分别对三相逆变器的三相输出支路的其中每一路和三相逆变器同一个桥臂支路的电流之和进行采样，获得三相各自的一个采样电流，然后依据采样电流进行运算获得三相的电流传感器的比例误差系数之间的关系；
3)通过三相电流传感器的比例误差系数之间的关系计算矫正系数，利用矫正系数反馈控制实现电流传感器比例误差的矫正。
所述步骤1)中的阻抗网络包括了第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2和开关管S0，原本直流电源uin并联在三相逆变器上，即直流电源uin的两端分别连接三相逆变器的两个桥臂支路上，第二电容C2并联于直流电源uin、第一电感L1和开关管S0串联后的两端，直流电源uin正极和三相逆变器其中一个桥臂支路之间依次串联有第一电感L1、开关管S0和第二电感L2，第一电容C1并联在开关管S0和第二电感L2串联后的两端，开关管S0的发射极经第一电感L1和直流电源uin正极连接，开关管S0的集电极和第二电感L2连接。
所述的开关管S0采用MOS管或者IGBT管。
所述步骤2)中，三相逆变器的桥臂支路是指两个相的下桥臂相连后的节点与剩余一相的下桥臂之间的支路。
所述步骤2)中，在三相逆变器的一个PWM周期中，A相的上桥臂和下桥臂分别单独导通时***一次直通矢量：以B相和C相的上桥臂和下桥臂均导通、A相仅上桥臂导通状态作为直通矢量VAPsh，以B相和C相的上桥臂和下桥臂均导通、A相仅下桥臂导通状态作为直通矢量VANsh；
然后在为直通矢量VAPsh和直通矢量VANsh情况下分别通过三相的电流传感器采集获得的采样电流值，再按照以下公式获得三相的电流传感器比例误差系数之间的关系，表示为：
kA:kB:kC＝ΔiAM:ΔiBM:ΔiCM
ΔiAM＝iAMP iAMN，ΔiBM＝iBMP iBMN，ΔiCM＝iCMP iCMN
其中，ΔiAM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下A相的电流传感器的采样电流值的差值，iAMP表示直通矢量为VAPsh时A相的电流传感器的采样电流值，iAMN表示直通矢量为VANsh时A相的电流传感器的采样电流值；ΔiBM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下B相的电流传感器的采样电流值的差值，iBMP表示直通矢量为VAPsh时B相的电流传感器的采样电流值，iBMN表示直通矢量为VANsh时B相的电流传感器的采样电流值；ΔiCM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下C相的电流传感器的采样电流值的差值，iCMP表示直通矢量为VAPsh时C相的电流传感器的采样电流值，iCMN表示直通矢量为VANsh时C相的电流传感器的采样电流值；kA、kB、kC分别表示A相、B相、C相处的电流传感器的比例误差系数。
所述步骤3)中，将三相的电流传感器比例误差系数之间的关系代入以下公式：
Figure BDA0003119047320000031
进而获得三个矫正系数x，y，z：
Figure BDA0003119047320000032
其中，x、y、z分别表示A相、B相、C相的电流传感器的矫正系数；
根据矫正系数按照以下公式处理获得矫正的三相电流：
Figure BDA0003119047320000041
其中，iAo、iBo、iCo为矫正后的A相、B相、C相的电流；
最后采用矫正后的三相电流反馈给永磁同步电机的电流环进行控制，消除由于三相传感器比例误差系数误差带来的三相电流不平衡问题。
所述步骤3)中，三相电流传感器之间的比例误差系数关系是通过将两个不同的直通矢量作用下的电流传感器采样值作差来获得。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明在直通矢量作用下进行采样电流与电流传感器比例误差矫正，零矢量与有效矢量被用于电机调速，采样电流与电机调速被分离，因此本发明不会受到因零矢量与有效矢量长度不足而产生的采样盲区的影响。
(2)由于本发明阻抗网络的存在，直通矢量不仅可以提供采样电流窗口，也实现了三相逆变器直流母线电压的泵升，从而实现了电压利用率的提升。
(3)本发明可以有效矫正多电流传感器比例误差的不平衡问题，从而消除了由于电流传感器比例误差的不平衡导致的电机电流畸变与转矩波动。
附图说明
图1是是本发明方法的结构框图。
图2是电流传感器安装位置示意图；
图3是两相直通时电流流向示意图；
图4是B、C两相直通调制方法开关信号示意图；
图5是B、C两相直通调制示意图；
图6是三相电流传感器比例误差对转矩的影响波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的实施例及其实施情况过程如下：
一、布置***
如图2所示，具体实施的整个***由直流电源、对称的阻抗网络，三相逆变器以及永磁同步电机PMSM组成。
图中，uin为直流电源，iA、iB、iC为永磁同步电机PMSM的三相电流，L1＝L2＝L分别为阻抗网络的第一电感、第二电感及其电感值，C1＝C2＝C为阻抗网络的第一电容、第二电容及其电容值。
***允许三相逆变器同一相的上、下桥臂同时导通，该状态为直通矢量。直通矢量为其中的一种电压矢量，在一个PWM周期中直通矢量的占空比为dsh。
图2所示对称的阻抗网络与三相逆变器的构成，可通过调节直通矢量占空比实现母线电压的泵升，此时可以在不增加调制系数的前提下增加三相逆变器输出电压的幅值。这一特性为电机控制提供了另一个采样窗口。
二、电流传感器采样误差与抑制采样误差的电流传感器安装
在三相逆变器的三相输出支路的其中每一路和三相逆变器同一个桥臂支路之间的交叉处安装一个电流传感器，三相输出支路对应的三个交叉处安装三个电流传感器，每个电流传感器同时采集的各自一相输出支路的电流和桥臂支路的电流的和。
电流传感器安装后，考虑采样电流误差，电流传感器采样值表示为：
Figure BDA0003119047320000051
其中，ibr为三相逆变器的桥臂支路的电流，iAM、iBM、iCM为三相的电流传感器的采样电流值，kA、kB、kC为三相的电流传感器的比例误差系数，eA、eB、eC为三相的电流传感器的偏移误差。
三、直通矢量采样-电流传感器比例误差平衡
***允许三相逆变器工作于多种直通状态，包括三桥臂直通、两桥臂直通以及单桥臂直通。综合考虑采样电流的实现与三相逆变器电流应力，本发明选择B、C相同时直通的方式实现直通矢量采样电流。定义A相仅上桥臂导通时的直通矢量为VAPsh以及A相仅下桥臂导通时的直通矢量为VANsh。VAPsh与VANsh对应的三相逆变器状态如图3所示。图3中ish为三相逆变器直通时的直通电流。
所述的三相逆变器的三相分为A相、B相和C相。
在三相逆变器的一个PWM周期中，A相的上桥臂和下桥臂分别单独导通时***一次直通矢量：以B相和C相的上桥臂和下桥臂均导通、A相仅上桥臂导通状态作为直通矢量VAPsh，以B相和C相的上桥臂和下桥臂均导通、A相仅下桥臂导通状态作为直通矢量VAnsh；
本发明具体实施中，电流传感器偏移误差在电机未工作时进行补偿，电流传感器采样偏移误差已经被补偿。
然后在为直通矢量VAPsh和直通矢量VANsh情况下分别通过三相的电流传感器采集获得的采样电流值，再按照以下公式获得三相的电流传感器比例误差系数之间的关系，表示为：
kA:kB:kC＝ΔiAM:ΔiBM:ΔiCM (2)
ΔiAM＝iAMP-iAMN，ΔiBM＝iBMP-iBMN，ΔiCM＝iCMP-iCMN
其中，ΔiAM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下A相的电流传感器的采样电流值的差值，iAMP表示直通矢量为VAPsh时A相的电流传感器的采样电流值，iAMN表示直通矢量为VANsh时A相的电流传感器的采样电流值；
ΔiBM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下B相的电流传感器的采样电流值的差值，iBMP表示直通矢量为VAPsh时B相的电流传感器的采样电流值，iBMN表示直通矢量为VANsh时B相的电流传感器的采样电流值；
ΔiCM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下C相的电流传感器的采样电流值的差值，iCMP表示直通矢量为VAPsh时C相的电流传感器的采样电流值，iCMN表示直通矢量为VANsh时C相的电流传感器的采样电流值；kA、kB、kC分别表示A相、B相、C相处的电流传感器的比例误差系数。
具体实施中，设置相应的调制方式，以实现在一个PWM周期中***直通矢量VAPsh与VANsh。以参考直通矢量位于第I扇区为例，***直通矢量VAPsh与矢量VANsh后的开关信号图如图4所示。其中，SAP，SBP，SCP分别为三相逆变器三相上桥臂开关信号，SAN，SBN，SCN分别为三相逆变器三相下桥臂开关信号。
实现该开关信号的调制方式如图5所示。
四、矫正处理
当电流传感器比例误差系数不同时，将三相的电流传感器比例误差系数之间的关系代入以下公式用以平衡电流传感器比例误差系数：
Figure BDA0003119047320000061
获得三个矫正系数x，y，z：
Figure BDA0003119047320000062
其中，x、y、z分别表示A相、B相、C相的电流传感器的矫正系数；
根据矫正系数按照以下公式处理获得矫正的三相电流：
Figure BDA0003119047320000071
其中，iAo、iBo、iCo为矫正后的A相、B相、C相的电流。
最后采用矫正后的三相电流反馈给永磁同步电机的电流环进行控制，消除由于三相传感器比例误差带来的三相电流不平衡问题。
图6示出了电机运行于1000r/min，电机转矩分别为20N·m、40N·m、60N·m时，三相电流传感器不存在比例误差与存在误差时电机转矩的波形。其中，图6(a)示出了三相电流传感器不存在比例误差时的电机转矩波形；图6(b)示出了三相电流传感器存在比例误差时的电机转矩波形。图中，T表示转矩，是通过使用转矩传感器测量得到的。由图6可知，通过采用本发明的技术方案对多电流传感器比例误差的不平衡问题进行矫正，可以消除由于电流传感器比例误差的不平衡导致的电机电流畸变与转矩波动。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤可以实现多电流传感器比例误差的不平衡的矫正，从而消除了由于电流传感器比例误差的不平衡导致的电机电流畸变与转矩波动。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于PMSM的多电流传感器比例误差平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在直流电源和永磁同步电机所连接的三相逆变器之间设置一个避免直通矢量作用时直流电源正负极短路的阻抗网络；
2)在三相逆变器的一个PWM周期中的两个直通矢量作用下，使用三相的电流传感器分别对三相逆变器的三相输出支路的其中每一路和三相逆变器同一个桥臂支路的电流之和进行采样，获得三相各自的采样电流，然后依据采样电流进行运算获得三相的电流传感器的比例误差系数之间的关系；
3)通过三相电流传感器的比例误差系数之间的关系计算矫正系数，利用矫正系数反馈控制实现电流传感器比例误差的矫正。
2.根据权利要求1所述的一种直通矢量作用下采样多电流传感器比例误差平衡方法，其特征在于：所述步骤1)中的阻抗网络包括了第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2和开关管S0，直流电源uin并联在三相逆变器上，第二电容C2并联于直流电源uin、第一电感L1和开关管S0串联后的两端，直流电源uin正极和三相逆变器其中一个桥臂支路之间依次串联有第一电感L1、开关管S0和第二电感L2，第一电容C1并联在开关管S0和第二电感L2串联后的两端。
3.根据权利要求1所述的一种直通矢量作用下采样多电流传感器比例误差平衡方法，其特征在于：所述步骤2)中，三相逆变器的桥臂支路是指两个相的下桥臂相连后的节点与剩余一相的下桥臂之间的支路。
4.根据权利要求1所述的一种直通矢量作用下采样多电流传感器比例误差平衡方法，其特征在于：所述步骤2)中，在三相逆变器的一个PWM周期中，A相的上桥臂和下桥臂分别单独导通时***一次直通矢量：以B相和C相的上桥臂和下桥臂均导通、A相仅上桥臂导通状态作为直通矢量VAPsh，以B相和C相的上桥臂和下桥臂均导通、A相仅下桥臂导通状态作为直通矢量VANsh；
然后在为直通矢量VAPsh和直通矢量VANsh情况下分别通过三相的电流传感器采集获得的采样电流值，再按照以下公式获得三相的电流传感器比例误差系数之间的关系，表示为：
kA:kB:kC＝ΔiAM:ΔiBM:ΔiCM
ΔiAM＝iAMPiAMN，ΔiBM＝iBMPiBMN，ΔiCM＝iCMPiCMN
其中，ΔiAM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下A相的电流传感器的采样电流值的差值，iAMP表示直通矢量为VAPsh时A相的电流传感器的采样电流值，iAMN表示直通矢量为VANsh时A相的电流传感器的采样电流值；ΔiBM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下B相的电流传感器的采样电流值的差值，iBMP表示直通矢量为VAPsh时B相的电流传感器的采样电流值，iBMN表示直通矢量为VANsh时B相的电流传感器的采样电流值；ΔiCM表示两次直通矢量VAPsh和VANsh下C相的电流传感器的采样电流值的差值，iCMP表示直通矢量为VAPsh时C相的电流传感器的采样电流值，iCMN表示直通矢量为VANsh时C相的电流传感器的采样电流值；kA、kB、kC分别表示A相、B相、C相处的电流传感器的比例误差系数。
5.根据权利要求1所述的一种直通矢量作用下采样多电流传感器比例误差平衡方法，其特征在于：所述步骤3)中，将三相的电流传感器比例误差系数之间的关系代入以下公式：
Figure FDA0003119047310000021
进而获得三个矫正系数x，y，z：
Figure FDA0003119047310000022
其中，x、y、z分别表示A相、B相、C相的电流传感器的矫正系数；
根据矫正系数按照以下公式处理获得矫正的三相电流：
Figure FDA0003119047310000023
其中，iAo、iBo、iCo为矫正后的A相、B相、C相的电流；
最后采用矫正后的三相电流反馈给永磁同步电机的电流环进行控制，消除由于三相传感器比例误差系数误差带来的三相电流不平衡问题。
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