一种基于滤波原理的交流电机电流测量偏移误差补偿方法与流程

本文涉及一种基于滤波原理的交流电机电流测量偏移误差补偿方法，属于电机控制技术。

背景技术：

在交流电机驱动器的矢量控制中，精确的电流测量至关重要。然而，实际系统中的电流测量总会存在误差，进而会引起定子绕组电流的瞬态和稳态误差，直接影响转矩控制性能，导致转矩非线性变化、纹波转矩激增以及由纹波电流和转矩所引起的附加损耗。

电流测量路径包含多个部件，比如：霍尔传感器、匹配电路、噪声滤波电路以及模拟—数字(A/D)转换器。一个或多个部件的各种因素可能会影响测量误差，如设备公差、温度漂移、器件老化和噪音等。即使在一个精确设计的测量系统中，微小的电流测量误差也是不可避免。

Dae-Woong Chung在《Analysis and compensation of current measurement error in vector-controlled AC motor drives》中提出了一种基于速度波动的电流测量误差补偿方法。检测由电流测量误差引起的速度波动，通过修改速度控制器的转矩指令来抑制速度波动。这种方法需要精确的电机机械参数，且是通过修改控制器命令以补偿速度或者转矩，没有补偿电流测量误差本身。

Kyung-Rae Cho在《Correction on current measurement errors for accurate flux estimation of ac drives at low stator frequency》中提出了一种利用电流控制器的命令电压基准来补偿电流测量误差的方法。但是这种补偿方法在运行速度条件上有限制，只适用于低速运转的交流电机。

H.-S.Jung在《Diminution of current-measurement error for vector-controlled AC motor drives》中同样提出了利用d轴电流控制器的积分输出补偿由电流测量误差引起的速度周期性波动的方法。但是该方法的电流控制器性能好坏以及控制器带宽很大程度上取决于前馈反电动势电压的准确性上。另外，该方法的收敛速度不够理想。

相比于上述已经公开的检测及补偿方法，本发明在不增加驱动电路硬件成本的情况下，能够动态补偿电流测量偏移误差，且不要求精确获得电机机械参数，对电机的速度运行范围没有限制。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有的由电流测量偏移误差引起交流电机驱动系统的转矩脉动的问题。本发明适用于任意稳态工况下三相对称正弦波交流电机驱动系统。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于滤波原理的交流电机电流测量偏移误差补偿方法，补偿过程包括以下步骤：

1)通过转速传感器获取当前电机的转速，进而得到当前电流的基频，并在DSP中设计以电流基频为零点、对直流全通的陷波滤波器与低通滤波器组成的复合式滤波器；

2)利用上述步骤1)所涉及的复合式滤波器处理采样电流；

3)再将步骤2)中得到的偏移误差is_off从采样电流is_mea中减去，得到无偏移误差的电流量is，即：

is＝is_mea-is_off

4)再将步骤3)中得到的无偏移误差的电流量is，经过Park变换转换至同步轴电流idq0，然后将同步轴电流反馈会电机矢量控制器中。

进一步地，所述步骤1)中的陷波滤波器和低通滤波器组成的复合式滤波器，为了将基频电流滤除，将基频设置为陷波滤波器传递函数的零点，s域传递函数如下：

其中，ωe为电流基频，γ为常数；

由于电流测量偏移误差在采样电流中表现为直流偏置，需要使得滤波器对直流无衰减，即滤波器传递函数在s＝0时Gfilter(s)＝1；因此，在陷波滤波器后再加一级低通滤波器，低通滤波器s域传递函数如下：

其中，b＝γ。

进一步地，所述步骤2)中，在采样电流反馈回路中，将采样电流is_mea送入陷波滤波器，处理后的值再送入低通滤波器，即可滤除采样电流中的基频含量，得到偏移误差量is_off。

进一步地，所述步骤1)中，电机的转速环和电流环采用PI控制。

进一步地，所述步骤4)中，电流量is中的S代表a、b，经过Park变换转换至同步轴电流idq0，具体公式如下，

有益效果：本发明与现有技术相比：本发明提供了一种基于滤波原理的交流电机电流测量偏移误差补偿方法，能够有效抑制由电流测量偏移误差所引起的转矩脉动，不增加硬件成本，设计简单，易于工程实现。

附图说明

图1采用基于滤波原理的交流电机电流测量偏移误差补偿方法的系统框图；

图2复合式滤波器处理采样电流流程图；

图3陷波滤波器与低通滤波器结合的复合式滤波器Bode图；

图4未采用本发明所提补偿方法的转矩波形；

图5采用本发明所提补偿方法的转矩波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

电流测量偏移误差在实际电机控制中不可避免，且会恶化电机转矩控制性能。由于电流测量偏移误差在测量误差中表现为直流偏置，因此可以在采样电流中滤除基频电流以得到偏移误差，再将偏移误差从采样电流中减去，即可消除采样电流中含有的电流测量偏移误差。

一种基于滤波原理的交流电机电流测量偏移误差补偿方法，补偿过程包括以下步骤：

1)通过转速传感器获取当前电机的转速，进而得到当前电流的基频，并在DSP中设计以电流基频为零点、对直流全通的陷波滤波器与低通滤波器组成的复合式滤波器；

2)利用上述步骤1)所涉及的复合式滤波器如图2所示，处理采样电流；

3)再将步骤2)中得到的偏移误差is_off从采样电流is_mea中减去，得到无偏移误差的电流量is，即：

is＝is_mea-is_off

4)再将步骤3)中得到的无偏移误差的电流量is，经过Park变换转换至同步轴电流，然后将同步轴电流反馈会电机矢量控制器中。

所述步骤1)中的陷波滤波器和低通滤波器组成的复合式滤波器，为了将基频电流滤除，将基频设置为陷波滤波器传递函数的零点，s域传递函数如下：

其中，ωe为电流基频，γ为常数；

由于电流测量偏移误差在采样电流中表现为直流偏置，需要使得滤波器对直流无衰减，即滤波器传递函数在s＝0时Gfilter(s)＝1；因此，在陷波滤波器后再加一级低通滤波器，低通滤波器s域传递函数如下：

其中，b＝γ。

所述步骤2)中，在采样电流反馈回路中，将采样电流is_mea送入陷波滤波器，处理后的值再送入低通滤波器，即可滤除采样电流中的基频含量，得到偏移误差量is_off。

所述步骤1)中，电机的转速环和电流环采用PI控制。

所述步骤4)中，电流量is中的S代表a、b，经过Park变换转换至同步轴电流idq0，具体公式如下，

实施例

现以一个永磁同步电机控制为例，详细介绍本发明实施过程。

在发明所提补偿方法中，首先，需要检测或者预估得到电机的转速，进而得到电流的基频。其次，设计陷波滤波器。设检测到的转速为ωe，为了让陷波在基频的幅值特性为0，则陷波滤波器的传递函数如下：

另一方面，由于电流测量偏移误差为直流，即需要滤波器在频率为0处幅值特性为1，这里在陷波后面加一级低通滤波，使得传递函数满足Gfilter(0)＝1，则低通滤波设计如下：

考虑到陷波的频率点以及低通滤波在高频部分有足够的衰减，在这里设置为γ＝0.96，则复合式滤波器的传递函数为

该陷波滤波器与低通滤波器结合的复合式滤波器的Bode图如图3所示。

设计完滤波器以后，根据图1所示框图，在电机控制系统中加入补偿环节。首先利用电流传感器获取电流随时间变化的值，并将这些值设置为一个数组，同时通过转速传感器获取电机转速，进而获得电流基频；其次，在控制器中根据电流基频在电机矢量控制的电流反馈环节中加入复合式数字滤波器；然后，利用复合式滤波器处理电流值数组，滤除采样电流中的基频成分，得到采样电流的偏移值；最后，将采样电流偏移值从采样电流值中减去。随后，利用Park变换将除去偏移误差的采样电流转换为同步轴电流，并将此同步轴电流反馈到永磁同步电机矢量控制流程中。

在MATLAB中建立了一个交流电机控制模型，记录了在没有补偿环节情况下受电流采样误差影响的转矩波形，如图4所示。同时，为了方便比较，在加入补偿环节后的转矩波形如图5所示。可见本发明所提及的补偿方法可以有效地减小转矩脉动。