一种无位置传感器控制的电流误差系统及在线校正方法与流程

本发明涉及电机驱动控制领域，尤其是一种电流误差系统及在线校正方法。

背景技术：

三相电机驱动器通常由逆变器、微处理器、三相电流传感器、位置传感器、相关线缆、相关电路等组成，其中三相电流传感器为系统提供电机三相绕组电流反馈信号，从而实现系统闭环控制。因此，系统控制性能的优劣很大程度上取决于电流反馈信号还原真实信号的准确度，高精度的电流反馈信号可以保障系统的高性能，而含有误差的电流反馈信号将导致系统出现不平衡三相电流、转矩脉动、转速波动等有害现象。在一个实际的控制器设计及制造之初，各方面性能与参数都处于一个比较理想的状态，因此，电流传感器误差相对较小。但是，由于老化、环境等多方面的影响，这些电流传感器的精度将会受到威胁，从而出现难以避免的偏置误差、增益误差、相间不平衡误差等多种类型的误差。为了解决上述问题，现有技术主要是采用线下估计的方案对偏置误差进行估计，但是这一类方案却会面临时变的问题，而且增益误差无法估计也是其面临的难题。另一类方案需要将整个系统作为电流传感器误差估计环路，利用电流传感器误差对电机转速的影响，并借助位置或速度传感器实现对电流传感器误差的估计[相关方法在文献1-3中有记载，其中文献1为kwang-woonlee,sang-ilkim,"dynamicperformanceimprovementofacurrentoffseterrorcompensatorincurrentvector-controlledspmsmdrives,"ieeetransactionsonindustrialelectronics,vol.66,no.9,pp.6727-6736,sep.,2019.(期刊论文)，文献2为negessebeletebelayneh,chang-hwanpark,jang-mokkim,"compensationofarmcurrentsensorerrorsinmodularmultilevelconverter,"ieeetransactionsonindustryapplications,vol.55,no.5,pp.5005-5012,sep./oct.2019.(期刊论文)，文献3为quocnamtrinh,pengwang,yitang,leonghaikoh,fookhoongchoo,"compensationofdcoffsetandscalingerrorsinvoltageandcurrentmeasurementsofthree-phaseac/dcconverters,"ieeetransactionsonpowerelectronics,vol.33,no.6,pp.5401-5414,jun.2018.(期刊论文)]。这一类方案可以实现电流传感器误差的在线校正，但是这一类方案严重依赖系统速度反馈信号，因此，位置或速度传感器对于该方案的实施具备不可替代的重要作用，而且正是由于这一类方案严重依赖位置或速度传感器，因此，位置或速度传感器的误差将对这一类方案产生影响。另外，针对没有安装位置或速度传感器的电机驱动系统，这一类方案就失效了。针对上述问题的考虑，电流传感器误差校正方案应当具备快速、准确、不大量依赖系统其它部件的特性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无位置传感器控制的电流误差系统及在线校正方法。为了解决现有电流传感器误差校正技术针对没有安装位置传感器的电机驱动器所面临的诸多问题，本发明提供一种适用于无位置传感器控制的电机驱动系统电流传感器误差在线自校正控制方案，不仅具备系统无位置传感器控制的正常功能，并且针对电流传感器的误差问题提供在线精准校准方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无位置传感器控制的电流误差系统，在没有安装位置传感器的三相电机驱动器中，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，将电机三相绕组分别正向穿过三相电流传感器信号采集口，将逆变器b、c两相桥臂下支路输入线缆正向穿过a相电流传感器信号采集口，将逆变器a、c两相桥臂下支路输入线缆正向穿过b相电流传感器信号采集口，将逆变器a、b两相桥臂下支路输入线缆正向穿过c相电流传感器信号采集口，利用三相电流传感器在某个零电压矢量作用下读数值的不同，分别估算出电流传感器的偏置误差，再利用其他基本电压矢量作用下的电流值，可以估算出电流传感器的增益误差，从而保障驱动系统电机电流信号的正常反馈，并保障无位置传感器估算的精度。

本发明还提供无位置传感器控制的电流误差系统的在线校正方法，具体步骤如下：

步骤1：考虑三相电流传感器偏置误差和增益误差的影响，iam、ibm、icm分别为公式(1)所示：

其中，fa、fb、fc分别是a相电流传感器、b相电流传感器、c相电流传感器的偏置误差，ka、kb、kc分别是a相电流传感器、b相电流传感器、c相电流传感器的增益误差；

步骤2：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：

在开关周期的两端(v0作用下)分别进行电流采样，得到每相2个电流值，然后利用平均值算法计算得到iam_0、ibm_0、icm_0的值，如公式(4)所示，三个电流值的大小直接就是三相电流传感器的偏置误差值；

在开关周期的中间(v7作用下)进行电流采样，得到每相1个电流值iam_7、ibm_7、icm_7；

其中，iam_0、ibm_0、icm_0分别表示在零电压矢量v0作用下三个电流传感器的采样值，iam_7、ibm_7、icm_7分别表示在零电压矢量v7作用下三个电流传感器的采样值，iam_0_1、ibm_0_1、icm_0_1分别表示在逆变器每个开关周期开始时零电压矢量v0作用下三个电流传感器的采样值，iam_0_2、ibm_0_2、icm_0_2分别表示在逆变器每个开关周期结束时零电压矢量v0作用下三个电流传感器的采样值；

步骤3：因为三相电机三相绕组电流值为零，即ia+ib+ic＝0，在公式(2)中，偏置误差由iam_0、ibm_0、icm_0分别直接得到；

当基本电压矢量v2作用时，a、b两相电流传感器电流值为公式(5)所示，其中，iam_2、ibm_2分别表示电压矢量v2作用下a、b两相电流传感器的采样值；

利用公式(5)中的每一项分别减去公式(3)的前两项，得到公式(6)：

由公式(6)得到ka和kb的关系为公式(7)所示：

当某个开关周期中包含基本电压矢量v2时，a相、b相两个电流传感器在v2作用状态下进行采样，得到iam_2、ibm_2。当某个开关周期中包含基本电压矢量v6时，a相、c相两个电流传感器在v6作用状态下进行采样，得到iam_6、icm_6；

当基本电压矢量v6作用时，a、c两相电流传感器电流值为公式(8)所示，其中，iam_6、ibm_6分别表示电压矢量v6作用下a、c两相电流传感器的采样值；

利用公式(8)中每一项分别减去公式(3)的第一、三项，得到公式(9)：

由公式(9)得到ka和kc的关系为公式(10)所示：

由公式(7)和公式(10)得到三相电流传感器增益误差的关系为公式(11)所示：ka:kb:kc＝(δiam_2·δiam_6):(δiam_6·δibm_2):(δiam_2·δibm_6)(11)

假设三相电流传感器增益误差补偿系数分别为x、y、z，则其需要满足公式(12)、公式(13)的要求；

得到x、y、z的大小为公式(14)：

最终，利用公式(12)与公式(14)，将每相电流传感器的检测值乘以公式(14)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没有安装位置传感器的三相电机驱动系统，其电流传感器误差在线校正问题，本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明电流传感器误差估计方案适用于没有安装位置传感器的三相电机驱动系统：由于现有技术需要系统提供电机转速信息来估算电流传感器的误差，因此，针对没有安装位置传感器的三相电机驱动系统，这些方案就失效了，而本方案由于其估计电流传感器误差的过程不需要系统提供位置或转速信息，而直接利用电流传感器在基本电压矢量作用下的信号值便可实现其误差的估计，因此，本发明适用于没有安装位置传感器的三相电机驱动系统；

(2)本发明电流传感器误差估计方案无需改变系统正常运行控制策略：由于现有技术需要将整个驱动系统作为其电流传感器误差估计方案的回路，并且需要运用复杂观测器及滤波器等算法，另外，由于无位置控制算法本身计算量就非常大，因此，现有方案会对电机正常运行控制策略产生影响，而本发明由于其电流传感器误差估计通路非常短，仅需要电流传感器到微处理器进行信号处理即可，另外，本方案提出的利用基本电压矢量作用下的电流反馈值估算电流传感器误差的方案，其电流采样值在其中一个零电压矢量作用下就是传统意义上的三相电流，因此，本发明不会对系统正常运行产生影响；

(3)本发明电流传感器误差估计方案对于微处理器产生的计算负担小：由于现有方案需要利用大量观测器、数字滤波器等复杂数学计算，因此其对微处理器产生的计算负担很大，而本发明仅需利用四个电流采样点处的电流值，运用少量简单四则运算即可实现电流传感器误差的实时在线估计，因此本发明对于微处理器产生的计算负担小；

(4)本发明电流传感器误差估计需要信号采样点少，估计速度快：由于现有技术需要大量电机转速信息并加以观测器、数字滤波器等复杂算法以实现电流传感器误差的估计，因此现有技术需要信号采样点多，占用系统内存大，估计速度慢，而本发明仅需四个电流采样点的电流值，运用少量四则运算即可实现电流传感器误差的精准在线估计，因此，本方案占用系统内存少，估计速度快。

附图说明

图1是本发明无位置传感器的电流传感器误差校正方案。

图中vdc是电机驱动系统直流母线电压，ia、ib、ic分别是a相电流、b相电流、c相电流的真实值，iam、ibm、icm分别是a相电流、b相电流、c相电流的采样值，ial、ibl、icl分别是a、b、c三相相桥臂下支路输入线缆电流值。

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。

一种无位置传感器控制的电流误差系统，在没有安装位置传感器的三相电机驱动器中，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，将电机三相绕组分别正向穿过三相电流传感器信号采集口，将逆变器b、c两相桥臂下支路输入线缆正向穿过a相电流传感器信号采集口，将逆变器a、c两相桥臂下支路输入线缆正向穿过b相电流传感器信号采集口，将逆变器a、b两相桥臂下支路输入线缆正向穿过c相电流传感器信号采集口，利用三相电流传感器在某个零电压矢量作用下读数值的不同，分别估算出电流传感器的偏置误差，再利用其他基本电压矢量作用下的电流值，可以估算出电流传感器的增益误差，从而保障驱动系统电机电流信号的正常反馈，并保障无位置传感器估算的精度。

步骤1：在图1中，考虑三相电流传感器偏置误差和增益误差的影响，iam、ibm、icm分别为公式(1)所示：

其中，fa、fb、fc分别是a相电流传感器、b相电流传感器、c相电流传感器的偏置误差，ka、kb、kc分别是a相电流传感器、b相电流传感器、c相电流传感器的增益误差；

步骤2：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：

在开关周期的两端(v0作用下)分别进行电流采样，得到每相2个电流值，然后利用平均值算法计算得到iam_0、ibm_0、icm_0的值，如公式(4)所示。这三个电流值的大小直接就是三相电流传感器的偏置误差值。

在开关周期的中间(v7作用下)进行电流采样，得到每相1个电流值iam_7、ibm_7、icm_7；

其中，iam_0、ibm_0、icm_0分别表示在零电压矢量v0作用下三个电流传感器的采样值，iam_7、ibm_7、icm_7分别表示在零电压矢量v7作用下三个电流传感器的采样值，iam_0_1、ibm_0_1、icm_0_1分别表示在逆变器每个开关周期开始时零电压矢量v0作用下三个电流传感器的采样值，iam_0_2、ibm_0_2、icm_0_2分别表示在逆变器每个开关周期结束时零电压矢量v0作用下三个电流传感器的采样值

步骤3：因为三相电机三相绕组电流值为零，即ia+ib+ic＝0，在公式(2)中，偏置误差由iam_0、ibm_0、icm_0分别直接得到；

当基本电压矢量v2作用时，a、b两相电流传感器电流值为公式(5)所示，其中，iam_2、ibm_2分别表示电压矢量v2作用下a、b两相电流传感器的采样值；

利用公式(5)中的每一项分别减去公式(3)的前两项，得到公式(6)：

由公式(6)得到ka和kb的关系为公式(7)所示：

当某个开关周期中包含基本电压矢量v2时，a相、b相两个电流传感器在v2作用状态下进行采样，得到iam_2、ibm_2。当某个开关周期中包含基本电压矢量v6时，a相、c相两个电流传感器在v6作用状态下进行采样，得到iam_6、icm_6。

当基本电压矢量v6作用时，a、c两相电流传感器电流值为公式(8)所示，其中，iam_6、ibm_6分别表示电压矢量v6作用下a、c两相电流传感器的采样值。

利用公式(8)中每一项分别减去公式(3)的第一、三项，得到公式(9)：

由公式(9)得到ka和kc的关系为公式(10)所示：

由公式(7)和公式(10)得到三相电流传感器增益误差的关系为公式(11)所示：

ka:kb:kc＝(δiam_2·δiam_6):(δiam_6·δibm_2):(δiam_2·δibm_6)(11)

假设三相电流传感器增益误差补偿系数分别为x、y、z，则其需要满足公式(12)、公式(13)的要求；

得到x、y、z的大小为公式(14)：

最终，利用公式(12)与公式(14)，将每相电流传感器的检测值乘以公式(14)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。