交流马达驱动器中电流测量偏移误差的闭环补偿

摘要

本申请公开了交流马达驱动器中电流测量偏移误差的闭环补偿。公开了用于补偿永磁同步马达(PMSM)驱动器中的电流测量偏移误差的系统和方法。该系统和方法包括：读取输出电压命令信号；从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征；以及基于特征使用反馈路径补偿闭环中的电流测量偏移误差。

说明书

技术领域

本公开涉及电流测量偏移误差，并且尤其涉及用于永磁同步马达驱动器中的电流测量偏移误差的闭环补偿的系统和方法。

背景技术

诸如汽车、卡车、运动型多用途车、跨界车、小型货车或其他合适的车辆之类的车辆可以包括电动助力转向(EPS)系统。这样的EPS系统通常包括用于在车辆的操作期间提供转向辅助的电动马达。为了提供这种转向辅助，EPS系统可以根据转矩控制的方法来驱动电动马达。电动马达可以包括永磁同步马达(PMSM)驱动器。当使用PMSM驱动器时，EPS系统可以利用磁场定向控制(FOC)。FOC将静止参考坐标系中的交流(AC)相马达电压和电流信号转换到同步旋转的参考坐标系(通常称为d/q轴参考坐标系)，其中，马达电压和电流变为直流(DC)量。FOC转矩控制通常通过闭环电流控制方法来实现，该方法采用电流调节器以最小化命令的电流和测量的电流之间的误差，从而实现完美的电流跟踪。因此，电流控制需要测量马达电流，这可以通过测量PMSM驱动器的相电流来实现，然后相电流经由派克变换(parktransform)被变换到同步坐标系中以在同步参考坐标系中执行控制。

当在相电流测量中发生一定幅度的偏移误差时，在同步参考坐标系中运行的闭环电流控制器会调整马达电压，以使马达电流的测量结果与命令的电流相匹配。由于测量结果不正确，所以电流控制器会导致实际马达电流变得不正确。这种故障模式会导致与马达位置有关的马达转矩和电流误差，这可能会被视为马达轴上的大转矩波动(torqueripple)，并且可能大于(硬件设计的)额定马达电流。当由相电流测量偏移误差引起的转矩波动超过某个阈值时，该偏移误差可能产生与马达转矩命令相反的方向上的马达转矩。当在EPS系统中使用时，在与期望的马达转矩命令相反的方向上产生转矩的故障导致以下情况：无法向驾驶员提供转向辅助，而且与车辆在手动转向模式中操作的情况(即，没有主动EPS系统的情况)相比，驾驶员最终需要施加更大的力。

发明内容

本公开大体上涉及电流测量偏移误差的检测。

公开的实施例的一方面包括一种用于补偿交流(AC)马达驱动器中的电流测量偏移误差的系统。该系统包括处理器和存储器。该存储器包括指令，该指令在由处理器执行时使处理器：读取输出电压信号，从输出电压信号中提取电流测量偏移误差的特征(signature)，以及基于该特征使用反馈路径补偿闭环中的电流测量偏移误差。

公开的实施例的另一方面包括一种用于补偿交流(AC)马达驱动器中的电流测量偏移误差的方法。该方法包括：读取输出电压信号，从输出电压信号中提取电流测量偏移误差的特征，以及基于该特征使用反馈路径补偿闭环中的电流测量偏移误差。

公开的实施例的另一方面包括一种电子装置。该电子装置包括处理器和存储器。该存储器包括指令，该指令在由处理器执行时使处理器：读取输出电压信号，从输出电压信号中提取电流测量偏移误差的特征，以及基于该特征使用反馈路径补偿闭环中的电流测量偏移误差。

在以下对实施例、所附权利要求书和附图的详细描述中公开了本公开的这些和其他方面。

附图说明

当结合附图阅读时，通过以下详细描述，本公开被最好地理解。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。

图1A-1C大体上示出了根据本公开原理的具有闭环电流测量偏移误差补偿的交流(AC)马达驱动系统。

图2大体上示出了根据本公开原理的控制器系统。

图3是大体上示出根据本公开原理的用于AC马达驱动器中的电流测量偏移误差的闭环补偿的方法的流程图。

具体实施方式

以下的讨论针对本公开的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅旨在成为该实施例的示例性讨论，而无意于暗示包括权利要求的本公开的范围限于该实施例。

一些机器(例如，车辆、船、飞机、无人机、动力设备、场地设备、泵、压缩机等)可以包括交流(AC)马达驱动器，该马达驱动器以闭环控制AC马达。电流测量系统可以被包括在闭环中以测量同步马达的电流输出。使用电流测量系统的机器可能受到电流测量偏移误差的影响。

电流测量偏移误差基于电流测量中的非理想性或故障而产生。电流测量偏移误差可能由电流估计器不正确地测量从AC马达输出的电流而导致。在使用电流调节器的闭环系统中，电流调节器产生所需的输出电压信号，以使测量的电流变得等于命令的电流。在这种情况下，当测量的电流与命令的电流不同时，输出电压信号将是不正确的(例如，与基于命令的电流的预期输出电压信号不同)，这是因为电流调节器正在尝试使测量的电流(例如，其与命令的电流不同)与命令的电流相匹配。

测量电路中的逐渐变化(例如，运算放大器(运放)、失调漂移等)可能导致较小的电流测量偏移误差。测量电路的故障可能导致更大的电流测量偏移误差。如所讨论的那样，如果保持不予检测和/或不予缓解，故障模式将导致与马达位置有关的马达转矩和电流误差，该误差可能会被认为是马达轴处的大转矩波动，并且可能大于(硬件设计的)额定马达电流。当由相电流测量偏移误差引起的转矩波动超过某个阈值时，该偏移误差可能产生与马达转矩命令相反的方向上的马达转矩。当在EPS系统中使用时，在与所需的马达转矩命令相反的方向上产生转矩的故障导致以下情况：无法向驾驶员提供转向辅助，而且与车辆在手动转向模式中操作的情况(即，没有主动EPS系统的情况)相比，驾驶员最终需要施加更大的力。

因此，诸如本文所述的那些系统和方法可以被配置为通过提供用于在任何AC马达驱动器和电流测量系统中对电流测量偏移误差进行电子补偿的技术来解决上述问题。在一些实施例中，本文描述的系统和方法能够检测、学习和补偿电流测量偏移误差引起的对AC马达驱动器的影响。例如，使用闭环补偿控制，可以至少部分地补偿电流测量偏移误差的影响。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为提供用于实时检测AC马达驱动器和电流测量系统中的相间电流测量偏移误差的技术。本文描述的系统和方法可以被配置为使用各种数学模型来提取电流测量偏移误差的特征，使用闭环补偿器来补偿电流测量偏移误差，以及校正电流测量偏移误差。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为实时地改变测量的电流以调节AC马达驱动器的操作，从而以更期望的方式来控制AC马达。本文描述的系统和方法可以导致使用包括AC马达的机器的AC马达性能增强、AC马达寿命延长、转向增强以及客户体验增强。

公开的技术适用于具有交流电(AC)电机的任何电动马达驱动器以及任何电流测量架构(涉及同轴(in-line)和低侧(low side)二个方面的电流测量架构)。低侧电流测量系统可以指的是将与负载串联的电流传感器放置在负载和接地之间。同轴电流测量系统可以指的是将电流传感器放置为与电路串联，使得流经电路的电流也流经电流传感器。此外，公开的实施例可以由处理器实现，以在AC马达运行的同时进行实时检测、识别和/或校正。公开的实施例还可以由制造工厂的生产线末端(end of line，EOL)处的处理器来实现。

图1A大体上示出了根据本公开原理的交流(AC)马达驱动系统100(在本文中称为“系统”)。系统100可以包括电流命令生成器102、电流调节器104、电流测量偏移误差补偿控制器106、脉冲宽度调制器108、逆变器110、AC马达112、电流传感器114和电流估计器116。在一些实施例中，电流调节器104、脉冲宽度调制器108、逆变器110、AC马达112、电流传感器114和电流估计器116形成闭环电流控制系统。描绘的AC马达驱动系统100还包括电流控制系统内的另一个闭环。例如，电流调节器104、电流测量偏移误差补偿控制器106、电流传感器114和电流估计器116形成闭环电流测量偏移误差补偿系统。应当注意，根据需要系统10中可以包括更少或更多的组件以执行本文中公开的技术，并且描绘的组件是出于说明性目的。

在一些实施例中，闭环电流测量偏移误差补偿系统可以如下起作用。电流调节器104接收命令或参考电流，并输出对应的输出电压命令信号。电流测量偏移误差补偿控制器106接收输出电压信号。电流测量偏移误差补偿控制器106包括电流测量偏移误差补偿器106A和加法模块106B。

图1B示出了根据本公开原理的电流测量偏移误差补偿控制器106的详细框图。偏移误差特征提取模块118提取电流测量偏移误差的特征。从零命令减去该误差，即，计算误差的负数(negative)，并将其发送至闭环补偿器120，该闭环补偿器120生成基本电流偏移校正信号。坐标系变换模块122对预变换的电流偏移校正信号进行变换，以生成最终电流偏移校正信号。最终电流偏移校正信号在加法模块106B处被加到电流估计值，以确定被输入到电流调节器104的测量的电流，从而使环路闭合。

通过前面的描述，现在将讨论AC马达驱动系统100的附加细节和操作。AC马达112可以生成用于为机器(例如，本文所述的那些机器)供电的旋转力或线性力。AC马达112可以包括恒速马达或其他合适的马达。AC马达驱动系统100可以选择性地控制提供给AC马达112的电能。AC马达驱动系统100可以以变化量和变化频率将电能提供给AC马达112，从而间接地控制AC马达112的速度和转矩。

电流测量系统170可以包括电流传感器114和电流估计器116。电流传感器114可以包括被配置为感测或测量电路中的电流的任何合适的电流传感器。电流传感器可以向电流估计器116提供指示电流的信号。电流传感器可以被配置为接收指示电流的信号并且测量由AC马达112输出的电流量(例如，基于由信号指示的电流)。电流估计器116可以被配置为发送AC马达112的静止坐标系电流或者使用AC马达112的位置估计将测量的电流变换到同步参考坐标系中。

电流命令生成器102可以接收转矩命令

从AC马达112输出的电流I可以由电流传感器114来感测以确定测量的电流

电流调节器104可以接收估计的电流并将其与命令的电流进行比较。如果存在任何变化，则电流调节器104可以发送输出电压命令信号V

电流测量偏移误差补偿控制器106从电流调节器104读取输出电压命令信号。电流测量偏移误差补偿控制器106可包括电流测量偏移误差补偿器106A，其包含偏移误差特征提取模块118、闭环补偿器120和坐标系变换模块122。如将描述的，偏移误差特征提取模块118可以使用数学模型来从输出电压命令信号提取电流测量偏移误差的特征。偏移误差特征提取模块118可以将电流测量偏移误差的特征识别为输出电压命令信号中的第一电气阶(electrical order)的脉动频率。在一些实施例中，偏移误差特征提取模块118可以使用自适应带通滤波器来提取特征，如图1C所示的那样。自适应带通滤波器可以被配置为在变换之前在同步坐标系中执行预滤波，或者根据脉动频率(即，第一电气阶的脉动频率)等于同步频率而在(自适应地)调谐的伪静止坐标系中使用自适应低通滤波器。在一些实施例中，偏移误差特征提取模块118可以对输出电压命令信号执行直接正弦误差提取。在一些实施例中，偏移误差特征提取118可以执行解调以将输出电压命令信号的正弦部分转换为DC信号，并且之后执行低通滤波。

如将要描述的，闭环补偿器120可以接收特征并且使用用于正弦特征的自适应谐振器来产生基本电流偏移校正，或者使用用于DC特征的常规积分器来产生基本电流偏移校正。如图1C所描绘的，在从输出电压命令信号提取的电流测量偏移误差的正弦特征的情况下，谐振控制器可以用于产生基本偏移校正。谐振控制器接收等于零的伪命令输入ΔV

以下讨论与本文所述的系统和方法所使用的数学模型有关。在静止参考坐标系中具有偏移误差的测量的电流可以以数学的方式表示为：

其中，ΔI

当利用参考坐标系变换

其中，ΔI

请注意，变换矩阵是

其中，X可以表示电压或电流。

假设高性能电流调节器具有足够高的带宽，则估计的电流可以被假定为近似等于命令的电流，从而使实际电流变得失真。实际电流可以表示为

然后电压命令的脉动分量可以被计算为：

其中，

图2大体上示出了根据本公开原理的控制器系统200。控制器系统200包括通信地耦接到存储器202的电流测量偏移误差补偿控制器106。电流测量偏移误差补偿控制器106可以包括处理器。处理器可以包括任何合适的处理器，例如本文所述的那些。存储器202可以存储指令，该指令在由电流测量偏移误差补偿控制器106执行时使电流测量偏移误差补偿控制器106至少执行本文公开的技术。具体地，计算机指令在由电流测量偏移误差补偿控制器106执行时，可以使电流测量偏移误差补偿控制器106执行方法300的操作，如下面参考图3进一步描述的。

图3是大体上示出根据本公开原理的用于对AC马达驱动器中的电流测量偏移误差进行电子补偿的方法300的流程图。在302处，方法300读取输出电压命令信号。例如，电流调节器104可以生成输出电压命令信号。在304处，方法300从输出电压命令信号提取电流测量偏移误差的特征。在一些实施例中，输出电压命令信号可以仅包括常量部分，并且在一些实施例中，输出电压命令信号可以包括常量部分和正弦部分。如果输出电压命令信号仅包括常量部分，则可能不会存在电流测量偏移误差，因为输出电压信号的正弦部分表示包括电流测量偏移误差的特征的脉动。因此，当输出电压信号包括常量部分和正弦部分时，当特征具有第一电气阶的频率(即，在同步频率)时，正弦部分被提取为电流测量偏移误差的特征。正弦部分可以对应于输出电压信号的脉动部分，并且可能是由电流调节器104使从电流估计器116输出的估计的电流变为等于命令的电流而导致的。

在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，方法300还包括从输出电压命令信号中直接提取正弦误差。在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，方法300还包括对输出电压命令信号进行变换以将正弦部分变换为直流(DC)特征并对DC特征进行滤波。

在306处，方法300基于该特征使用反馈路径补偿闭环中的电流测量偏移误差。在一些实施例中，方法300随着AC马达驱动器操作AC马达112，实时(例如，小于2秒)补偿电流测量偏移误差。在一些实施例中，方法300基于特征使用反馈路径通过以下方式来补偿闭环中的电流测量偏移误差：生成补偿电流测量偏移误差的校正项，将校正项应用于估计的电流以将经补偿的估计电流输出到电流调节器104，以及验证经由反馈路径从电流调节器104接收的后续输出电压信号不包括电流测量偏移误差。

在一些实施例中，当方法300直接提取正弦误差作为特征时，方法300还可基于特征通过将特征输入到自适应谐振器中以输出校正项来补偿电流测量偏移误差。校正项可以校正电流测量偏移误差。自适应谐振器能够处理任何频率的交流信号。在一些实施例中，方法300计算静止参考坐标系中的电流测量偏移误差的校正项，并将经变换的最终的校正项与同步坐标系估计的电流相加。

在一些实施例中，当方法300对输出电压命令信号进行变换以将正弦部分转换为DC特征并对DC特征进行滤波时，方法300还可以基于DC特征通过将DC特征输入到常规积分器中以输出DC校正项来补偿电流测量偏移误差。DC校正项可以直接在同步参考坐标系中校正电流测量偏移误差。

在任何实施例中，经补偿的估计的电流可以被发送到电流调节器104以使电流调节器104提供输出电压命令信号，该输出电压命令信号缺少电流测量偏移误差的特征。

在一些实施例中，用于补偿交流(AC)马达驱动器中的电流测量偏移误差的系统包括处理器和包括指令的存储器。该指令在被执行时使处理器：读取输出电压命令信号，从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，以及基于该特征使用反馈路径来补偿闭环中的电流测量偏移误差。

在一些实施例中，为了基于特征使用反馈路径来补偿闭环中的电流测量偏移误差，指令还使处理器：生成补偿电流测量偏移误差的校正项，将校正项应用于估计的电流，以将经补偿的估计的电流输出到电流调节器，以及验证经由反馈路径从电流调节器接收到的后续输出电压命令信号不包括电流测量偏移误差。在一些实施例中，随着AC马达驱动器操作AC马达，实时进行对电流测量偏移误差的补偿。在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，指令还使处理器：从输出电压命令信号中直接提取正弦误差。在一些实施例中，为了基于特征补偿电流测量偏移误差，指令还使处理器：将特征输入到自适应谐振器中以输出校正项。在一些实施例中，指令还使处理器：通过将变换后的校正项与同步坐标系的估计的电流相加来补偿静止参考坐标系中的电流测量偏移误差。在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，指令还使处理器：将特征转换为DC信号。在一些实施例中，为了基于特征补偿电流测量偏移误差，指令还使处理器：将DC信号输入到常规积分器中以输出DC校正项。在一些实施例中，指令还使处理器：将DC校正项直接与同步坐标系的估计的电流相加。

在一些实施例中，一种用于补偿交流(AC)马达驱动器中的电流测量偏移误差的方法包括：读取输出电压命令信号，从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，以及基于该特征使用反馈路径来补偿闭环中的电流测量偏移误差。

在一些实施例中，为了基于特征使用反馈路径来补偿闭环中的电流测量偏移误差，该方法还包括：生成补偿电流测量偏移误差的校正项，将校正项应用于估计的电流，以将经补偿的估计电流输出到电流调节器，以及验证经由反馈路径从电流调节器接收到的后续输出电压命令信号不包括电流测量偏移误差特征。在一些实施例中，该方法还包括：随着AC马达驱动器操作AC马达，实时进行对电流测量偏移误差的补偿。在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，该方法还包括：从输出电压命令信号中提取正弦分量。在一些实施例中，为了基于特征补偿电流测量偏移误差，该方法还包括：将该特征输入到自适应谐振器中以输出校正项。在一些实施例中，该方法还包括：通过以下方式补偿电流测量偏移误差：变换静止参考坐标系中的校正项，并且将其与估计的同步坐标系的电流相加。在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，该方法还包括：将特征转换为DC信号。在一些实施例中，为了基于特征补偿电流测量偏移误差，该方法还包括：将DC信号输入到常规积分器中以输出DC校正项。在一些实施例中，该方法还包括：将DC校正与估计的同步坐标系的电流相加，以及在同步参考坐标系中直接补偿电流测量偏移误差。

在一些实施例中，一种电子装置包括处理器和存储指令的存储器。该指令在被执行时使处理器：读取输出电压命令信号，从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，以及基于该特征使用反馈路径来补偿闭环中的电流测量偏移误差。

在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，指令还使处理器：从输出电压命令信号中提取正弦分量。在一些实施例中，为了基于特征补偿电流测量偏移误差，指令还使处理器：将特征输入到自适应谐振器中以输出校正项。在一些实施例中，指令还使处理器：通过变换静止参考坐标系中的校正项并将其与估计的同步坐标系电流相加来补偿电流测量偏移误差。在一些实施例中，为了从输出电压命令信号中提取电流测量偏移误差的特征，指令还使处理器：将特征转换为DC信号。在一些实施例中，为了基于特征补偿电流测量偏移误差，指令还使处理器：将DC信号输入到常规积分器中以输出DC零命令。在一些实施例中，指令还使处理器：将DC零命令转换为正弦零命令，以及通过将正弦零命令应用于d/q测量的电流来补偿静止参考坐标系中的电流测量偏移误差。

以上讨论意在说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了上述公开，许多变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。意图将以下权利要求解释为包含所有这样的变化和修改。

词语“示例”在本文中用来表示用作示例、例子或说明。本文中被描述为“示例”的任何方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更优选或有利。相反，使用“示例”一词旨在以具体方式呈现概念。如在本申请中使用的，术语“或”旨在表示包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文可以清楚地看出，“X包括A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X包含A；X包括B；或X包括A和B二者，则在任何前述情况下均满足“X包括A或B”。另外，在本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一(a/an)”通常应被解释为意指“一个或多个”，除非另有说明或从上下文清楚地指向单数形式。此外，除非如此描述，否则贯穿全文使用术语“实施方式”或“一个实施方式”并不旨在表示相同的实施例或实施方式。

本文描述的系统、算法、方法以及指令等的实现可以以硬件、软件或其任何组合来实现。硬件可以包括，例如，计算机、知识产权(IP)内核、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、光学处理器、可编程逻辑控制器、微代码、微控制器、服务器、微处理器、数字信号处理器或任何其他合适的电路。在权利要求中，术语“处理器”应被理解为单独地或组合地包括任何前述硬件。术语“信号”和“数据”可互换使用。

如在此使用的，术语模块可以包括被设计为与其他组件一起使用的封装的功能硬件单元、控制器(例如，执行软件或固件的处理器)可执行的一组指令、被配置为执行特定功能的处理电路以及与大型系统接合的自含式硬件或软件组件。例如，模块可以包括专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电路、数字逻辑电路、模拟电路、分立电路的组合、门电路和其他类型硬件或者它们的组合。在其他实施例中，模块可以包括存储器，该存储器存储控制器可执行以实现模块的特征的指令。

此外，在一方面，例如，本文描述的系统可以使用具有计算机程序的通用计算机或通用处理器来实现，该计算机程序在被执行时实行本文描述的任何相应的方法、算法和/或指令。附加地或可选地，例如，可以利用专用计算机/处理器，其可以包含用于实行本文描述的任何方法、算法或指令的其他硬件。

此外，本公开的全部或部分实现方式可以采取可从例如计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式。计算机可用或计算机可读介质可以是例如可以有形地包含、存储、传达或传输程序以供任何处理器使用或与其结合使用的任何装置。介质可以是例如电的、磁的、光学的、电磁的装置或半导体装置。也可以使用其他合适的介质。

已经描述了上述实施例、实施方式和方面，以允许容易地理解本发明并且不限制本发明。相反，本发明旨在覆盖所附权利要求的范围内所包括的各种修改和等效布置，该范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖法律允许的所有此类修改和等效结构。