CN113783489A - 一种单直流母线传感器相电流双校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种单直流母线传感器相电流双校正方法，用于降低重构误差，降低畸变率；由单传感器采样所造成的零点漂移，在不***多余的矢量情况下，筛选具有相反矢量的互补矢量，通过动态电流双采样完成零点漂移补偿；通过动态两次同相电流采样，计算出斜率预测与第二次采样同时间同相位的电流值，完成相位误差补偿。

Description

一种单直流母线传感器相电流双校正方法

技术领域

本发明属于单直流母线传感器误差校正技术领域，具体涉及一种单直流母线传感器相电流双校正方法。

背景技术

三相全桥逆变电路广泛应用于变速交流电机驱动、不间断电源、可再生能源接口。实时电流信息对于永磁同步电机的驱动控制至关重要，相电流信息蕴含在直流母线电流信息中，通过对直流母线采样进行相电流重构便是建立在此基础之上。单传感器直流母线采样技术具有成本低、体积小，可以减少多个电流传感器参数不一致带来的电流误差等优点。但由于采用一套电流传感器及信号处理电路，其零点漂移误差会扩大至所有相电流，进而影响电流重构精度，单电流传感器直流母线相电流重构通路中存在的误差如图1所示。深入分析单电流传感器误差扩大效应的产生机理，开发零点漂移校正策略等方法，消除误差扩大效应对电流重构的影响，实现零点漂移误差的自检测及自校正，是提升单电流传感器电流检测方法测量精度的关键。

针对误差扩大效应的校正，目前改进方案有：①对直流中电压纹波特性分析，使用低通滤波器和更先进的电流控制器消除电流测量误差的影响。②使用d轴PI电流调节器的积分环节输出信号，d轴电流控制为零或恒定，输出信号也为零或固定；当定子电流中包含零点漂移误差时，d轴PI电流调节器的积分环节输出信号会在转子速度中产生波动，提出通过建成区直流偏置或重新调整定子电流的输入测量增益进行误差补偿。③通过改变单一传感器安装位置，改变clark坐标变换消除α-β轴的漂移误差，并使用缺陷滤波器估计采样结果中的零点漂移量，进而补偿电流传感器中的直流漂移误差。④分析了零点漂移误差的电流离散波形变化，提出等效电流变化率的概念，通过基于状态观测器的方法计算等效电流变化率和瞬时电流变化率，以进行回溯预测电流校正方法。

但上述所用预测电流法计算量大，由算法导致的计算时间增加，电流校正效果不理想；改变传感器安装位置其电路结构稳定性和抗干扰性差，且无法消除由传感器不一致性带来的测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种单直流母线传感器相电流双校正方法，用于降低重构误差，降低畸变率。

本发明解决其技术问题的技术方案为：一种单直流母线传感器相电流双校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：矢量控制；

S2：更新Ta、Tb、Tc，产生完整的SVPWM矢量，其中Ta为A相PWM波形的占空比、Tb为B相PWM波形的占空比、Tc为C相PWM波形的占空比，并通过随机移相方法，生成含有相反矢量的PWM波形，并使矢量的作用时间一致；

S3：确定采样时间并对直流母线进行采样，在含有相反矢量的PWM中进行三次采样，其中正常的相邻矢量的中间点两次采样值i_{sam_b}、-i_{sam_c}用于相电流重构，而在后面构造的相反矢量中间点多采一次获得-i_{sam_b}用于零点漂移校正和相位延迟补偿；

S4：进行零点漂移校正，得到漂移量Δi_sh漂以及校正后的三相电流值

S5：对零点漂移校正后的三相电流进行采样并进行相位延迟补偿，得到二次校正后的三相电流值；

S6：进行相电流重构，重构完成后继续执行步骤S1。

所述步骤S4具体为：把i_{sam_b}+(-i_{sam_b})的值除以2获得零点漂移量Δi_sh，然后把三相电流采样值分别减去Δi_sh，得到校正后的三相电流值

完成零点漂移的校正。

所述步骤S5具体为：获取零点漂移校正后A相第一次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k-1)，第二次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k)；C相第二次采样时刻为T_{sam_c}即T′_{sam_a}(k)，相位时间误差，

ΔT_{ph_err}＝T′_{sam_a}(k)-T_{sam_a}(k)

对校正值

与采样时刻T_{sam_a}(k-1)、T_{sam_a}(k)之间的斜率计算，

式中

为校正后与C相采样时刻一致的预测电流值，同理获得校正后与B相、A相采样时刻一致的预测电流值。

本发明的有益效果为：

一、相较于传统的单电流传感器相电流重构，关注电流重构精度问题，提出由电压基准芯片的输出精度和稳定性受初始精度、温度、噪声等影响造成漂移量、放大器内部参数不一致和起主导作用的温度变化等因素导致的零点漂移，提出保证相反矢量斜率和采样时刻一致的动态电流双采样高精度电流校正策略，该方案使得零点漂移量Δi_sh消除50％左右。

二、传统PMSM控制中，使用两个传感器可以理想情况下同时获得两相电流信息，保证采样不存在相位延时，但目前单电流传感器相电流重构由于两相采样的时间差导致相位误差出现，并未进行相位补偿。提出动态两次同相电流采样，计算出斜率预估与第二次采样同时间同相位的电流值，完成对相位时间误差ΔT_{ph_err}的消除，进而完成相位误差补偿。

三、该发明在原有单电流传感器相电流重构基础上，完成由传感器和采样造成固有误差进行分析和补偿，提升了相电流的检测精度，为电机的矢量控制***和保护策略提供重要保障。

附图说明

图1是本发明的单电流传感器直流母线相电流重构的误差示意图。

图2是本发明的单直流母线传感器相电流双校正装置及其控制策略***控制框图。

图3是本发明的原有装置及其控制策略***控制框图。

图4是本发明的单直流母线传感器相电流双校正流程图。

图5是本发明V₁₀₀和V₀₁₁作用时等效电路图。

图6是本发明零点漂移校正示意图。

图7是本发明相位延迟校正原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先给出本专利所提出的单直流母线传感器相电流双校正装置及其控制策略图，如图2所示。双校正主要完成：(1)由单传感器采样所造成的零点漂移，在不***多余的矢量情况下，筛选具有相反矢量的互补矢量，通过动态电流双采样完成零点漂移补偿；(2)通过动态两次同相电流采样，计算出斜率预测与第二次采样同时间同相位的电流值，完成相位误差补偿，原有装置如图3所示，从直流母线采样得到电流信息之后，进行电流重构，接着对电流信息进行变换。而图2所不同的在于采样得到电流信息之后进行零点漂移校正和相位延迟补偿后进行重构，接着对电流信息进行变换。

区别在于采样得到电流信息之后，因为电流信息中含有误差，如果直接重构，将会使这种误差引入到闭环内，所以需要在未进入重构时对电流信息进行校正，图2中两个虚线框内分别代表两个校正方法。

图4给出了单直流母线传感器相电流双校正装置及其控制策略控制流程图。

如图3所示，本发明包括以下步骤：

S1：矢量控制；

S2：更新Ta、Tb、Tc，产生完整的SVPWM矢量，其中Ta为A相PWM波形的占空比、Tb为B相PWM波形的占空比、Tc为C相PWM波形的占空比，并通过随机移相方法，生成含有相反矢量的PWM波形，并使矢量的作用时间一致；

S3：确定采样时间并对直流母线进行采样，在含有相反矢量的PWM中进行三次采样，其中正常的相邻矢量的中间点两次采样值i_{sam_b}、-i_{sam_c}用于相电流重构，而在后面构造的相反矢量中间点多采一次获得-i_{sam_b}用于零点漂移校正和相位延迟补偿；

S4：进行零点漂移校正，得到漂移量Δi_sh漂以及校正后的三相电流值

S5：对零点漂移校正后的三相电流进行采样并进行相位延迟补偿，得到二次校正后的三相电流值；

S6：进行相电流重构，重构完成后继续执行步骤S1。

所述步骤S4具体为：把i_{sam_b}+(-i_{sam_b})的值除以2获得零点漂移量Δi_sh，然后把三相电流采样值分别减去Δi_sh，得到校正后的三相电流值

完成零点漂移的校正。

所述步骤S5具体为：获取零点漂移校正后A相第一次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k-1)，第二次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k)；C相第二次采样时刻为T_{sam_c}即T′_{sam_a}(k)，相位时间误差，

ΔT_{ph_err}＝T′_{sam_a}(k)-T_{sam_a}(k)

对校正值

与采样时刻T_{sam_a}(k-1)、T_{sam_a}(k)之间的斜率计算，

式中

为校正后与C相采样时刻一致的预测电流值，同理获得校正后与B相、A相采样时刻一致的预测电流值。

零点漂移误差校正原理：

以第一扇区为例，定义第一次采样值为i_{sam_a}，实际值为i_{re_a}，第二次采样值为i_{sam_c}，实际值为i_{re_c}，零点漂移量为Δi_sh，得到三相电流i_{sam_a}、i_{sam_c}、以及通过三相电流KCL：i_a+i_b+i_c＝0计算出的i_{KCL_b}、如公式所示：

由三相电流KCL计算出的B相电流不存在零点漂移误差，其他扇区误差相情况如表1所示。

表1扇区与误差电流对应关系

由公式(1)可以看出，采样得到的电流信息是带有零点漂移量的，而计算出的另外一相不含有零点漂移量，因此以第一扇区为例，带有零点漂移误差的就是i_a和-i_c，同理总结其他五个扇区包含零点漂移误差的就是表1所总结的，因此每个扇区对应有两个电流信息。

斜率推导：

电压矢量的作用以逆变器开管导通关断形式实现，离散的开关状态导致电流斩波效应，出现一个T_s周期内出现七段电流波形。确定电流变化率必须以电压矢量的作用等效电路为理论依据。各扇区中的电压矢量与相电压对应关系如表2所示。

表2电压矢量与相电压对应关系

是电压矢量和相电压，U_aN、U_bN、U_cN代表相电压，直流母线上的电压为U_dc。逆变器输出的三相相电压为U_aN、U_bN、U_cN，其分别施加在空间上互差120度的平面坐标系上。

八个电压矢量都有其对应其戴维宁等效电路，相电流变化是由电机电压方程推出的，由于电阻电压分量低于电感电压分量，忽略电阻分量，电流变化率可以通过八个电压矢量的戴维南等效电路得出，以V₁₀₀和V₀₁₁为例，其等效电路如图5所示，E_{be_a}、E_{be_b}、E_{be_c}为A、B、C相反电动势(back-emf)。计算i_a电流变化率计算如公式

所示，其他情况同理，其他矢量作用时各相电流变化率如表3所示。

表3电压矢量与相电流变化率对应关系

低转速下电阻分量、反电动势忽略不计，在电流校正过程中时间变化为微秒级，对于校正影响很小。通过以上对于电流变化率的推导，三组矢量(V₁(100)与V₄(110))、(V₂(110)与V₅(001))和(V₃(010)与V₆(101))，为互为相反矢量，对应电流信息同样相反，电流变化率相反，如V₃(010)对应电流信息i_b，V₆(101)对应电流信息-i_b。基于此提出通过相反矢量校正“零点漂移”。如图6零点漂移校正示意图所示。

确定零点漂移量Δi_sh：

由于与V₆(101)作用时间段内，由于电压矢量离散作用导致的斩波效应，电流在不断变化，因此为保证校正精度采样值幅值要相等，即i_{re_b}＝|-i_{re_b}|，需保证电流斜率和采样时刻一样，如公式

所示，式中，i_{max_b}为B相电流在V₃(010)作用时间段内的最大值，T_s为PWM周期，T_sam为第一次采样时间，T′_sam为第二次采样时间。

满足该公式，即可得到公式

式中第一次采样值为i_{sam_b}，第二次采样值为i′_{sam_b}，因此可以得到漂移量Δi_sh，

校正“零点漂移”后的三相电流为：

式中

为校正后三相电流值，不存在零点漂移量。

相位延迟原理：

在实际电机控制策略中，开关频率即PWM的频率在10kHz以上，而电机的电频率远远小于PWM频率，可近似认为在一个PWM波形内电流变化为线性，通过前两次的采样值预测下一时刻的采样值，如图7所示。

相位延迟补偿量计算：

零点漂移校正后A相第一次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k-1)，第二次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k)；C相第二次采样时刻为T_{sam_c}即T′_{sam_a}(k)，相位时间误差，

ΔT_{ph_err}＝T′_{sam_a}(k)-T_{sam_a}(k)

相位延迟补偿：

校正值

与采样时刻T_{sam_a}(k-1)、T_{sam_a}(k)之间的斜率计算，

式中

为校正后与C相采样时刻一致的预测电流值，依照此，可获得校正后与B相、A相采样时刻一致的预测电流值，具体为：

本发明的有益效果为：

一、相较于传统的单电流传感器相电流重构，关注电流重构精度问题，提出由电压基准芯片的输出精度和稳定性受初始精度、温度、噪声等影响造成漂移量、放大器内部参数不一致和起主导作用的温度变化等因素导致的零点漂移，提出保证相反矢量斜率和采样时刻一致的动态电流双采样高精度电流校正策略，该方案使得零点漂移量Δi_sh消除50％左右。

二、传统PMSM控制中，使用两个传感器可以理想情况下同时获得两相电流信息，保证采样不存在相位延时，但目前单电流传感器相电流重构由于两相采样的时间差导致相位误差出现，并未进行相位补偿。提出动态两次同相电流采样，计算出斜率预估与第二次采样同时间同相位的电流值，完成对相位时间误差ΔT_{ph_err}的消除，进而完成相位误差补偿。

三、该发明在原有单电流传感器相电流重构基础上，完成由传感器和采样造成固有误差进行分析和补偿，提升了相电流的检测精度，为电机的矢量控制***和保护策略提供重要保障。

Claims (3)

1.一种单直流母线传感器相电流双校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：矢量控制；

S2：更新Ta、Tb、Tc，产生完整的SVPWM矢量，其中Ta为A相PWM波形的占空比、Tb为B相PWM波形的占空比、Tc为C相PWM波形的占空比，并通过随机移相方法，生成含有相反矢量的PWM波形，并使矢量的作用时间一致；

S3：确定采样时间并对直流母线进行采样，在含有相反矢量的PWM中进行三次采样，其中正常的相邻矢量的中间点两次采样值i_{sam_b}、-i_{sam_c}用于相电流重构，而在后面构造的相反矢量中间点多采一次获得-i_{sam_b}用于零点漂移校正和相位延迟补偿；

S4：进行零点漂移校正，得到漂移量Δi_sh漂以及校正后的三相电流值

S5：对零点漂移校正后的三相电流进行采样并进行相位延迟补偿，得到二次校正后的三相电流值；

S6：进行相电流重构，重构完成后继续执行步骤S1。

2.根据权利要求1所述的一种单直流母线传感器相电流双校正方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：把i_{sam_b}+(-i_{sam_b})的值除以2获得零点漂移量Δi_sh，然后把三相电流采样值分别减去Δi_sh，得到校正后的三相电流值

完成零点漂移的校正。

3.根据权利要求1所述的一种单直流母线传感器相电流双校正方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：获取零点漂移校正后A相第一次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k-1)，第二次采样值

采样时刻T_{sam_a}(k)；C相第二次采样时刻为T_{sam_c}即T′_{sam_a}(k)，相位时间误差，

ΔT_{ph_err}＝T′_{sam_a}(k)-T_{sam_a}(k)

对校正值

与采样时刻T_{sam_a}(k-1)、T_{sam_a}(k)之间的斜率计算，

式中

为校正后与C相采样时刻一致的预测电流值，同理获得校正后与B相、A相采样时刻一致的预测电流值。

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