CN108134550A - 用于电机控制系统的容错相电流测量 - Google Patents

Abstract

在具有至少三个相电流测量的电机控制系统中确定传感器故障的系统的实施例包括：幅度计算模块，确定诊断电压的幅度，诊断电压被表示在定子系中，并且基于输入电压命令和最终电压命令之间的差值；以及相位评估模块，基于诊断电压来确定诊断电压的相位值。该系统还包括：传感器故障标识模块，基于诊断电压的相位值来标识电流传感器故障，传感器故障由故障信号来表示；以及电流计算转换模块，基于传感器故障来修改用于确定电机电流的测量的计算方案。

Description

用于电机控制系统的容错相电流测量

背景技术

电动助力转向(EPS)系统通常使用电动机和转矩控制方法来提供转向辅助。当使用永磁同步电机(PMSM)时，可以采用一种称为磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)的方法，该方法允许将静态参考系中的交流(AC)相电机电压和电流信号转换为同步旋转参考系，其通常称为d/q轴参考系，其中电机电压和电流变成直流(DC)量。FOC转矩控制通常通过闭合回路电流控制方法来实现，该方法采用将命令电流和测量电流之间的误差最小化的高性能电流调节器，以实现近乎完美的电流追踪。因此，电流控制需要待测量的电机电流，其典型地通过测量电动机的相电流来实现，然后例如经由派克变换(Park Transform)被变换成同步系以执行同步参考系的控制。

当在相电流测量中出现大的偏移误差时，在同步参考系中操作的闭合回路电流控制对电机电压进行调节，使得电机电流的测量与命令匹配。但是，由于测量不正确，所以实际的电机电流不正确。故障模式导致电机位置相关的电机转矩和电流误差，它们可以被认为是电机轴的大转矩波动，并可能大于额定电机电流(对于硬件设计来说)。当由相电流测量偏移误差引起的转矩波动变得足够大时，可能在与电机转矩命令相对的方向上产生电机转矩。当在EPS系统中使用时，在与期望的电机转矩命令相对的方向上产生扭矩的故障导致操作员需要增加气力。

由于所有三相电流的总和必须总是等于零，所以大多数电动机控制系统通常仅使用两个分流器来测量电流。在许多具有两相电流测量的系统中使用的偏移误差检测方案中，由于哪个特定分流器出现故障是不相关的，所以目标是检测存在偏移误差。由于不同的系统要求，三分流测量系统也正在被广泛地采用。在这类系统中，如果仅在单个相位上发生偏移误差，则可以通过剩余的两个精确测量使用电流调节器在反馈控制模式下继续运行系统，从而提高整个驱动系统的容错性和可靠性。

发明内容

一种用于在具有至少三个相电流测量的电机控制系统中确定传感器故障的系统的实施例包括：幅度计算模块，确定诊断电压的幅度，诊断电压被表示在定子系中，并且基于输入电压命令和最终电压命令之间的差值；以及相位评估模块，基于诊断电压来确定诊断电压的相位值。该系统还包括：传感器故障标识模块，基于诊断电压的相位值来标识电流传感器故障，传感器故障由故障信号来表示；以及电流计算转换模块，基于传感器故障来修改用于确定电机电流的测量的计算方案。

一种在具有至少三个相电流测量的电机控制系统中确定传感器故障的方法的实施例包括由幅度计算模块来确定诊断电压的幅度，诊断电压被表示在定子系中，并且基于输入电压命令和最终电压命令之间的差值。该方法还包括：由相位评估模块基于诊断电压来确定诊断电压的相位值；由传感器故障标识模块基于诊断电压的相位值来标识传感器故障，传感器故障由故障传感器信息信号来表示；以及基于传感器故障来修改用于确定电机电流的测量的计算方案。

基于以下结合附图的描述，这些和其他优点以及各特征将变得更加明显。

附图说明

被认为是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求中被具体地指出并明确地要求保护。基于结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点是显而易见的，其中：

图1是根据一个实施例的电机控制系统的示例性示意图；

图2示出了根据一些实施例的相电流测量诊断模块的示意图；

图3示出了根据一些实施例的用于确定电流传感器故障并且转换电机控制模式的系统；以及

图4示出了根据一个实施例的用于确定电流传感器故障并且转换电机控制模式的方法。

具体实施方式

现在参考附图，其中，将参照具体实施例对本发明进行描述，但不限于此，图1描绘了根据本发明一些实施例的利用电流控制反馈回路中的相电流测量的多相永磁同步电机(PMSM)的转矩控制模块100的框图。如所示，转矩控制模块100包括电机参考电流发生器102、电流调节器模块104和电流测量诊断模块106。图1还描绘了反馈电流测量模块108和电机110。

如本文所使用的，术语“模块”或“子模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器(执行一个或更多个软件或固件程序)、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适的组件。当以软件实现时，模块或子模块可以作为处理电路可读的非暂时性机器可读存储介质在存储器中实现，并且存储由处理电路执行的用于执行方法的命令。此外，图中所示的模块和子模块可以组合和/或进一步划分。

电机参考电流发生器102基于输入信号生成前馈电压命令120和电流命令122。输入信号可以包括电机转矩命令114、电机速度116、源电压信号118和电机参数112。电机转矩命令114表示所命令的转矩值，并且可以从另一个转矩控制模块(未示出，诸如EPS、自主转向或半自主转向控制单元)得到，或者可以对应于通过操作员生成的转矩值。电机速度116是由速度传感器(未示出)测量的电机110的角速度。速度传感器可以包括例如编码器和用于基于由编码器接收的信号来计算电机110的转子的角速度的速度计算电路。源电压信号118表示来自DC电源(未示出)的桥电压。

电机参数112是电机110的估计值，包括例如电机常数K_e(伏特/rad/s)、电机电路电阻R(欧姆)、直轴电感L_d(亨利)和正交轴电感L_q(亨利)。

在一些实施例中，由电机参考电流生成器102生成的电流命令122包括基于电机转矩命令114、源电压信号118和角速度生成的参考d轴电流命令和参考q轴电流命令。电机参考电流生成器102还计算前馈电压命令120，该前馈电压命令120可以包括前馈d轴电压命令和前馈q轴电压命令。电流命令122满足电机转矩命令114和源电压信号118限制。

电流调节器模块104基于前馈电压命令120、电流命令122和测量的电机电流124来确定最终电压命令126。测量的电机电流124包括测量的d轴电流和测量的q轴电流，它们是从定子参考系中的电流测量信号转换而来的。

对于不同类型的电流调节器设计，前馈电压命令通常是不同的。应该理解的是，用于电流测量偏移诊断实施(例如，电流测量诊断模块106)的前馈电压项可以与使用纯静态前馈控制的用于电机控制的前馈电压项类似或相同。此外，最终电压命令可以是电流调节器的输出。然而，如果由逆变器施加到电机110的实际电压或任何其他合适的电压的测量是可用的，则这些电压也可以代替最终电压命令来使用。

电流调节器模块104将最终电压命令126发送到电机110以控制电机110。最终电压命令126也被发送到电流测量诊断装置106。在一些实施例中，极性转换控制器(未示出)接收d轴电压命令和q轴电压命令以作为输入。根据这些输入，极性转换控制器确定电压命令和相位超前角。然后，脉冲宽度调制(PWM)生成模块(未示出)从极性转换控制器接收电压命令和相位超前角以作为输入信号。PWM生成模块还接收由电机位置传感器(未示出)测量的电机110的电机位置或转子角度值，并生成多相占空比值。在一些实施例中，PWM生成模块可以包括生成三个相应占空比值的过调制空间矢量PWM单元。占空比值用于驱动对电机110的相位进行激励的逆变器(未示出)的栅极驱动电路。

为了反馈控制的目的，电流测量模块108基于来自电机110的实际电流128而产生测量的电机电流124。在一些实施例中，电流测量模块108包括电流测量传感器，其从传输到电机110的实际电流128产生测量的电机电流124。因此测量的电机电流124表示由电流测量模块108测量的相电流(例如，两相、三相)的值。

三相A/B/C静态参考系中的具有偏移误差的电流测量可以在数学上表达为：

I_am＝I_a+ΔI_a

I_bm＝I_b+ΔI_b

I_cm=I_c+ΔI_c

其中I_am、I_bm和I_cm是每个相的测量电流，以及I_a、I_b和I_c是每个相的实际电流。ΔI_a、ΔI_b和ΔI_c是与每个相的电流测量相关联的偏移误差。

在一些实施例中，电流测量模块108将静态参考系(也被称为定子参考系)中的AC相电流的测量值转换成等效的测量DC电流分量，其是d/q参考系(转子参考系)中的测量的d轴电流和测量的q轴电流。

在操作中，电流测量模块108可能引入静态参考系中的偏移误差。测量的实际电流包括αβ系中的偏移误差，其也是静态系，并且代表相电流。静态参考系可以按照以下等式来表示：

I_αm＝I_α+ΔI_α

I_βm＝I_β+ΔI_β

其中，I_αm和I_βm是静态参考系中的各个测量电流，I_α和I_β为静态参考系中的实际电流，ΔI_α和ΔI_β为在静态参考系中表示的电流测量偏移误差，具体为和ΔI_β项符号中的+和-符号分别用于正极和负极机电极性系统。符号差异对于两种系统配置来配置检测算法来说可能是重要的。这里的描述是针对正极机电极性系统提供的，但是，本公开可以应用于负极系统。

静态参考系可用于简化此处所示的数学推导：

当变换成同步参考系时，测量的d/q电流变为：

I_dm＝I_d+ΔI_d

＝I_d+ΔI₀cos(θ-φ)

I_qm＝I_q+ΔI_q

＝I_q+ΔI₀sin(θ-φ)

其中θ是电机角度位置，I_dm和I_qm是d/q参考系中相应的测量电流，ΔI_d和ΔI_q是与测量电流相关联的偏移误差。误差项的幅度ΔI₀和相位φ可以根据以下等式计算：

根据误差方程，可以认识到，如果每次仅在一个相位上存在偏移误差，例如ΔI_e，则误差的幅度是，

误差项的相位携带有发生故障的特定分流器的信息，并且该值对于每个分流器都是唯一的。在一些实施例中，三个相位中的单个点故障的相位值(即每次仅发生在一个相位上的误差)分别是：

φ_a＝0

由于任何分流器中的正误差和负误差产生相同的相位值φ_x，所以相位值中的偏移误差的记号对于每个分流器都是唯一的，与误差的符号无关。

为此，假定高性能电流调节器具有足够高的带宽，则测量的电流等于参考电流ΔI_dqr，并且实际电流失真。实际电流可以表示为：

I_dq＝I_dqm-ΔI_dq

＝I_dqr-ΔI_dq

为了诊断偏移误差，可以得到在精确的参数评估的假设下的d/q参考系中的最终电压命令(V_d、V_q)与前馈电压命令(V_dFF、V_qFF)之间的差值(ΔV_d、ΔV_q)

其中I_dr是d轴参考电流命令，I_qr是q轴参考电流命令，ω_e、R、L_d和L_q分别是机器的同步频率(电动机速度)、电机电阻、d轴电感、q轴电感。

这些电压可以如下变换回静态αβ系：

由于小的电感差，并且还因为该诊断通常在较低的速度范围内运行的事实，所以显著性项通常是小的。在一些实施例中，电压项可以近似为：

ΔV_α≈-ΔI₀R cosφ

ΔV_β≈-ΔI₀R sinφ

注意的是，计算电压差值(例如，ΔV_α和/或ΔV_β)不仅限于上述讨论。例如，ΔV_α和ΔV_β可以使用等式的完整项或者使用另一个近似来计算。

图2更详细地示出了一些实施例的电流测量诊断模块106。如所示，电流测量诊断模块106包括用于计算前馈电压和最终电压之间的电压差值210的差值计算模块202(例如，用于计算ΔV_d、ΔV_q、ΔV_α和/或ΔV_β)、可编程带通滤波器模块204、变换模块206和误差检测模块208。

可编程带通滤波器模块204可以包括级联的高通和低通(增益和相位补偿模块)滤波器结构，其包括可编程的高通滤波器模块和低通滤波器模块。带通滤波器模块204接收最终电压命令126与前馈电压命令120之间的电压差值210。可编程高通滤波器模块导致从电压差值210中去除常数分量。因此，高通滤波器模块可具有与电机110(图1)的同步频率ω_e成比例的截止频率。可编程高通滤波器模块可以基于可校准的常数值来进行编程。可校准的常数值可被调谐以减少正弦电压分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块的传递函数可写成如下：

其中k是可校准常数，其可以被调谐以减小正弦分量中的增益和相位误差。可编程高通滤波器模块可以利用同步频率ω_e，并且滤波器引入的增益和相位误差是静态的。而且，利用可编程高通滤波器模块，可校准常数k可以被独立地调谐以确保输入信号的最小失真。可编程高通滤波器模块不限于上述实施例。例如，可以使用更高阶的滤波器，只要可编程滤波器去除电压差值210的常数分量即可。

高通滤波器模块产生被发送到可编程低通滤波器模块的高通滤波电压差值。可编程高通滤波器模块可能将幅度和相位误差引入经滤波的电压差值212，该电压差值212需要由低通滤波器模块(在此也称为增益和相位补偿模块)执行的补偿。在一些实施例中，增益和相位补偿模块包括具有以下传递函数的一阶单位增益可编程低通滤波器(PLPF)：

一阶单位增益可编程低通滤波器可以补偿经滤波的电压差值212，以恢复最终电压命令126的增益和相位。可以根据写成如下内容的约束方程来执行补偿：

∠H(jω_e)-∠L(jω_e)＝0

|H(jω_e)L(jω_e)|＝1

在其他实施例中，增益和相位补偿模块可以利用具有如下所示的传递函数的二阶低通滤波器。

上面所示的二阶低通滤波器可以通过使用两个调谐参数k′和来考虑更具体的瞬态响应。增益和相位补偿可能分别需要不同的k′和来实现稳定的状态规范，其必须用上述方法进行适当地计算。

利用上述的级联滤波器结构，可编程带通滤波器模块204具有以下形式的传递函数，

B(s)＝H(s)L(s),

其中

∠H(jω_e)-∠L(jω_e)＝

|H(jω_e)L(jω_e)|＝1

可编程带通滤波器模块204生成滤波补偿电压差值212，其被发送到变换模块206以进行处理。具体而言，变换模块206通常利用逆派克变换或类似的数学变换将DC系(转子参考系或d/q参考系)中的测量的相电流转换成AC系(定子参考系)，这简化了误差判断的分析。变换模块206的输出发送到误差检测模块208作为诊断电压214，这是在定子系中所表示的。误差检测模块208例如在定子参考系中确定相较于阈值的诊断电压的幅度，并确定是否存在电流测量偏移误差(例如，如果幅度超过阈值)。

电流测量诊断模块106为高同步频率以及同步频率的全频谱提供诊断鲁棒性。

可编程带通滤波器模块204可以数字化地实施以减轻连续时间滤波器的幅度和相位的差异。滤波器的数字实施方式可以基于同步频率，但在离散域中实施，如以下等式所示，其中，ω_e是电动转向系统的电机的同步频率，T_s是实施该滤波器的控制回路的采样时间，

尽管在上述示例中，带通滤波器模块204包括可编程高通滤波器模块和低通滤波器模块，但是进一步设想和理解的是，滤波器可以是例如具有虚构极点的直接的带通滤波器。滤波器也可以设计成更高阶的，例如，四阶或五阶滤波器。此外，可以完全消除差值计算模块202，并且可以直接将最终电压命令126用作带通滤波器模块204的输入以代替差值电压210，而不是处理差值电压210。

电流测量诊断模块106的主要要求是应该能够产生诊断电压信号，如下文所述，可以从该诊断电压信号中提取电流测量偏移误差幅度和相位。

图3图示了根据一些实施例的诊断方案。在这些实施例中，转矩控制模块300包括诊断幅度和相位分析模块302，以基于诊断电压信号来分析电流测量偏移误差的幅度和相位。如上述图1的计算所示，误差幅度是相同的，与特定的分流器无关。

诊断幅度和相位分析模块302可以被划分成进一步模块或子模块。例如，诊断幅度计算模块304可以确定诊断电压310的幅度，如下面更详细描述的。另外，诊断相位评估模块306可以基于诊断电压310来确定相位值。如下面更详细的描述，可以计算多个阈值；只有在幅度超过阈值时才能计算相位值。此外，故障传感器识别模块308可以基于幅度和相位值来识别具体的故障传感器，并且如果识别出故障传感器，则向控制模式转换模块314或其他适当的模块输出适当的通知标志，模式转换模块314或该其他适当的模块配置为调整或控制如何确定测量的电机电流124。

容错控制模块302，特别是故障传感器识别子模块308，基于分别由诊断幅度计算模块304和诊断相位计算模块306计算出的诊断电压310的幅度ΔI₀和相位φ来检测出故障的特定传感器。幅度计算模块304可以如下计算幅度，

相位评估模块306可以如下计算相位：

可以理解的是，在图3的诊断方案中，首先评估幅度，并且如果它大于可校准的阈值ΔI_th，则计算相位(或者可以永久地计算相位，但是只有在幅度超过阈值时才使用)。该幅度可以与其值高于ΔI_th的第二(例如，临界)阈值ΔI_tc进行比较，以指示是否发生了多个同时发生的传感器故障，在这种情况下，诊断方案可以发出关机(或者辅助缓解的丢失)标志。然而，足够大的电阻评估误差也可能导致ΔI_e变得低于ΔI_th或高于ΔI_thc，其分别导致没有检测或错误检测。这可以通过制定随着指示参数误差“量”的指标而改变的阈值ΔI_th和ΔI_thc动态值来克服。这样的指标可以例如从用可编程低通滤波器进行滤波之后的ΔV_dq值获得，因为任何平均成分均意味着存在偏移误差。请注意，如此大的评估误差通常不会发生在适当调谐的系统中，因此这里不包括这个方案的详细讨论。

注意到，可以使用与上面讨论的电压差值有关的多个值作为诊断电压。可以将诊断电压计算成电流之间的差值或者基于电流之间的差值来计算诊断电压，和/或可以将诊断电压计算成电压之间的差值或者基于电压之间的差值来计算诊断电压。例如，诊断电压可以是ΔI₀、ΔI_e或

相位的值可以等于0、-φ_x或者φ_x中的一个，这取决于偏移误差分别处于相位a、b或是c中。然而，为了改善鲁棒性(由于电流调节器的带宽限制所要求的)，在每个误差的标称相位值附近建立φ_w的小检测窗口，并且检查所计算的相位以确定它是否位于特定分流器的检测窗口内。如果该值不在任何窗口内，则意味着同时发生多个故障，并且诊断方案发出关机(或者辅助缓解的丢失)标志。

相位计算可以总结如下：

F_s表示发生故障的传感器，m表示同时发生多个传感器故障。注意，相位检测机制可以通过简单地交换相位b和c的逻辑来配置负极机电极性系统。

一旦幅度超过阈值就评估误差相位以确定哪个传感器发生故障，并且关于已发生故障的特定传感器的标识和其他信息可以经由故障传感器信息信号312被发送到电流计算转换模块314。一旦检测到故障传感器，就通过电流计算转换模块314来修改电流测量，以使用其余正常的传感器，并且系统能够以反馈控制模式运行。请注意，一旦激活该方案(如标志所示)，该方案将被永久禁用，并启用原始诊断方案。这样做是为了确保如果发生其他故障，则系统转换到关机或辅助缓解丢失(前馈控制模式)的状态。前馈控制操作可以通过将诊断标志216直接提供给电流调节器和/或参考生成模块来进行初始化，使得适当地计算最终电压。

图4是根据本发明一些实施例的可以由转矩控制模块100(图1)执行的控制方法的流程图。

基于本公开可以理解的是，该方法的操作顺序不限于如图4所示的依序执行，但是可以根据本公开并且如果适用的话以一个或更多个不同的顺序来执行。

在框410处，转矩控制模块100确定诊断电压的幅度。在一些实施例中，诊断电压可以在定子参考系中表示。

在框420处，基于诊断电压来确定相位值。诊断电压的幅度可以与阈值进行比较以确定是否应该确定相位值。

在框430处，可以基于如上所述的相位值来标识特定的故障传感器。

在框440处，改变电流计算以排除故障传感器的使用，并基于故障传感器信息信号使用正常的传感器。此外，在一些实施例中，同时发生的传感器故障可能导致控制模式转换，例如，诊断标志所指示的系统关闭或前馈控制操作。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。相反，可以修改本发明以包含在此之前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变形、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解的是，本发明的方面可以仅包括一些所描述的实施例。因此，本发明不被视为受前述说明的限制。

Claims (15)

1.一种用于在具有至少三个相电流测量的电机控制系统中确定传感器故障的系统，所述系统包括：

幅度计算模块，确定诊断电压的幅度，诊断电压被表示在定子系中，并且基于输入电压命令和最终电压命令之间的差值；

相位评估模块，基于诊断电压来确定诊断电压的相位值；

传感器故障标识模块，基于诊断电压的相位值来标识电流传感器故障，传感器故障由故障信号来表示；以及

电流计算转换模块，基于传感器故障来修改用于确定电机电流的测量的计算方案。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，故障信号包括故障传感器信息，故障传感器信息被配置成矩阵以表示一个或更多个多相故障。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，相位评估模块被配置为基于超过阈值的所述幅度来确定所述相位值。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述阈值是基于诊断电压的幅度的可校准阈值。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，基于下式来计算与诊断电压有关的电流测量偏移误差的幅度：

其中，ΔV_α和ΔV_β表示静态参考系中的诊断电压，R表示电阻。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，基于下式来计算所述相位值：

其中，ΔV_α和ΔV_β表示静态参考系中的诊断电压。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，相位评估模块从标称相位值来计算检测窗口值，其中，第一传感器故障由落入负检测窗口值和正检测窗口值之间的所述相位值来确定。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，第二传感器故障由落入被从非零相位误差值中减去的检测窗口值与被加到非零相位误差值的检测窗口之间的所述相位值来确定。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，输入电压命令是由参考生成器基于转矩命令所生成的前馈电压命令，最终电压命令被配置为发送至电机并基于电机电流的测量。

10.一种在具有至少三个相电流测量的电机控制系统中确定传感器故障的方法，所述方法包括：

由幅度计算模块来确定诊断电压的幅度，诊断电压被表示在定子系中，并且基于输入电压命令和最终电压命令之间的差值；

由相位评估模块基于诊断电压来确定诊断电压的相位值；

由传感器故障标识模块基于诊断电压的相位值来标识传感器故障，传感器故障由故障传感器信息信号来表示；以及

基于传感器故障来修改用于确定电机电流的测量的计算方案。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，故障信号包括故障传感器信息，故障传感器信息被配置成矩阵以表示一个或更多个多相故障。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，相位评估模块被配置为基于超过阈值的所述幅度来确定所述相位值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述阈值是基于诊断电压的幅度的可校准阈值。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，相位评估模块从标称相位值来计算检测窗口值，其中，第一传感器故障由落入负检测窗口值和正检测窗口值之间的所述相位值来确定。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，输入电压命令是由参考生成器基于转矩命令所生成的前馈电压命令，最终电压命令被配置为发送至电机并基于电机电流的测量。