基于故障容错的电流检测方法及交流电机伺服控制方法.pdf

本发明公开了一种基于故障容错的电流检测方法及交流电机伺服控制方法，该电流检测方法包括：在三相全桥逆变电路中安装两个电流传感器，每个电流传感器均同时检测两条线路的电流值，其中，一个传感器检测的两条线路分别为：A、B相上桥臂的连接线，B、C相下桥臂的连接线；另一个传感器检测的两条线路分别为：A、B相下桥臂的连接线，B、C相上桥臂的连接线；控制三相全桥逆变电路中功率管的导通或截止，根据同一时刻两个电流传感器检测的电流值或者不同时刻同一电流传感器检测的电流值及基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。本发明能够在不增加硬件电路成本的前提下，完成交流电机绕组相电流检测的故障容错控制，结构简单，且节省成本。

1.  一种基于故障容错的电流检测方法，用于交流电机(10)的相电流检测，所述交流电机(10)连接有用于提供三相交流电的三相全桥逆变电路(20)，所述三相全桥逆变电路(20)设有A相、B相、C相引出线，所述A相、B相、C相引出线分别与所述交流电机(10)的三相绕组输入端连接以供电，其特征在于，所述电流检测方法包括：
在所述三相全桥逆变电路(20)中安装两个电流传感器(30)，每个所述电流传感器(30)均同时检测两条线路的电流值，其中，一个所述电流传感器(30)检测的两条线路分别为：A、B相上桥臂的连接线，B、C相下桥臂的连接线；另一个所述电流传感器(30)检测的两条线路分别为：A、B相下桥臂的连接线，B、C相上桥臂的连接线；
控制所述三相全桥逆变电路(20)中功率管的导通或截止，根据同一时刻两个所述电流传感器(30)检测的电流值或者不同时刻同一所述电流传感器(30)检测的电流值及基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。

2.  根据权利要求1所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，
同一时刻两个所述电流传感器(30)检测的电流值为三个上桥臂的功率管同时导通或者三个下桥臂的功率管同时导通的时段内同时采样两个所述电流传感器(30)得到的电流值；
不同时刻同一所述电流传感器(30)检测的电流值包括：
三个上桥臂的功率管同时导通时、三个下桥臂的功率管同时导通时分别采集的电流值。

3.  根据权利要求1所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，还包括：
对所述电流传感器(30)是否故障进行检测的步骤，包括：
三个上桥臂的功率管同时导通时，同时采集两个所述电流传感器(30)的电流值；
三个下桥臂的功率管同时导通时，同时采集两个所述电流传感器(30)的电流值；
将两个所述电流传感器(30)检测的电流值进行比对，确认是否出现故障。

4.  根据权利要求3所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，还包括：
在两个所述电流传感器(30)中的一个出现故障时，通过在三个上桥臂的功率管同时导通时及三个下桥臂的功率管同时导通时分别采集正常工作的所述电流传感器(30)的电流值，并根据基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。

5.  根据权利要求1所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，还包括：
对所述电流传感器(30)的直流偏置误差进行校正的步骤，包括：
采集其中任何一个所述电流传感器(30)分别在三个上桥臂的功率管同时导通时、三个下桥臂的功率管同时导通时的电流值，即得到i_b+i_c和i_c的值，其中，i_b为B相电流值， i_c为C相电流值，若此电流传感器(30)存在的直流偏置误差为α，则采集到的值应分别为i_b+i_c+α和i_c+α，将二者作差即可得到B相电流的准确值i_b，对于采集到的i_c+α通过陷波滤波器消除其直流量α，进而得到准确的C相电流值i_c。

6.  根据权利要求5所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，
通过引入陷波滤波器对采集到的C相电流进行直流偏置误差α的滤除，包括：
建立陷波滤波器的传递函数G_f(s)，
Gf(s)=s2+2ζnωrs+ωr2s2+2ζdωrs+ωr2]]>
其中，ω_r为电机轴端的角速度，ζ_n和ζ_d分别为分子和分母的阻尼系数，需满足0<ζ_n<ζ_d<1；
将C相电流的采集值i_c+α引入到陷波滤波器中，则输出得到其高频噪声及低频直流分量，再用采集到的C相电流值与其作差，即得到C相电流的准确值。

7.  根据权利要求1至6任一所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，
所述电流传感器(30)为电气隔离型传感器。

8.  根据权利要求7所述的基于故障容错的电流检测方法，其特征在于，
所述电流传感器(30)包括但不限于霍尔效应传感器或者电流互感器。

9.  一种交流电机伺服控制方法，采用正弦波驱动的伺服控制方法，其特征在于，通过如权利要求1至8任一所述的电流检测方法检测所述交流电机(10)的相电流信号作为闭环控制的反馈信号。

基于故障容错的电流检测方法及交流电机伺服控制方法
技术领域
本发明涉及交流电机驱动控制领域，特别地，涉及一种用于交流电机的基于故障容错的电流检测方法及交流电机伺服控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术、微控制器技术、电机制造工艺的发展及新材料的涌现，以交流电机为执行机构的伺服系统获得了长足的进步，并逐步取代传统液压和直流系统成为伺服系统的主流。交流伺服系统按执行元件可分为感应电机和永磁同步电机，其中永磁同步电机因其结构简单、体积小、效率高、控制精度高、可靠性好等优点获得了越来越多的科研人员的青睐，并广泛应用在诸如机器人，航空航天、激光加工等要求高精度、高可靠性的场合。
交流永磁同步电机伺服系统按驱动方式可分为两类：正弦波驱动和方波驱动。其中正弦波驱动的控制性能较方波驱动相比更为优越，能够实现高精度定位、宽调速范围及快速的动态响应，但相比于方波驱动而言，正弦波控制算法更为复杂，且需要连续的位置和相电流信号作为闭环控制的反馈。传统的交流永磁同步电机伺服系统中通常采用与电机同轴连接的光电编码器或旋转变压器作为位置传感器，对于相电流的检测通常是在相绕组端安装两个电流传感器分别检测两相电流值，根据基尔霍夫电流定律计算得到第三相的电流值。若其中任何一个电流传感器发生故障，则无法获得全部的三相绕组电流，导致电流闭环控制算法失效。若要完成传感器的故障容错功能，只能加倍传感器的使用数量，不仅会带来成本的上升，也会使系统的体积增大，因此，在不增加电流传感器使用数量的前提下，研究如何完成传感器的故障容错控制具有重要的工程意义。
发明内容
本发明提供了一种基于故障容错的电流检测方法及交流电机伺服控制方法，以解决现有的交流电机绕组的相电流检测无故障容错或者因故障容错导致的传感器数量多及结构复杂、成本高的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种基于故障容错的电流检测方法，用于交流电机的相电流检测，交流电机连接有用于提供三相交流电的三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路设有A相、B相、C相引出线，A相、B相、C相引出线分别与交流电机的三相绕组输入端连接以供电，电流检测方法包括：在三相全桥逆变电路中安装两个电流传感器，每个电流传感器均同时检测两条线路的电流值，其中，一个电流传感器检测的两条线路分别为：A、B相上桥臂的连接线，B、 C相下桥臂的连接线；另一个电流传感器检测的两条线路分别为：A、B相下桥臂的连接线，B、C相上桥臂的连接线；控制三相全桥逆变电路中功率管的导通或截止，根据同一时刻两个电流传感器检测的电流值或者不同时刻同一电流传感器检测的电流值及基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。
进一步地，本发明基于故障容错的电流检测方法中，同一时刻两个电流传感器检测的电流值为三个上桥臂的功率管同时导通或者三个下桥臂的功率管同时导通的时段内同时采样两个电流传感器得到的电流值；
不同时刻同一电流传感器检测的电流值包括：三个上桥臂的功率管同时导通时、三个下桥臂的功率管同时导通时分别采集的电流值。
进一步地，本发明基于故障容错的电流检测方法还包括：对电流传感器是否故障进行检测的步骤，包括：
三个上桥臂的功率管同时导通时，同时采集两个电流传感器的电流值；
三个下桥臂的功率管同时导通时，同时采集两个电流传感器的电流值；
将两个电流传感器检测的电流值进行比对，确认是否出现故障。
进一步地，本发明基于故障容错的电流检测方法还包括：在两个电流传感器中的一个出现故障时，通过在三个上桥臂的功率管同时导通时及三个下桥臂的功率管同时导通时分别采集正常工作的电流传感器的电流值，并根据基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。
进一步地，本发明基于故障容错的电流检测方法还包括：
对电流传感器的直流偏置误差进行校正的步骤，包括：
采集其中任何一个电流传感器分别在三个上桥臂的功率管同时导通时、三个下桥臂的功率管同时导通时的电流值，即得到i_b+i_c和i_c的值，其中，i_b为B相电流值，i_c为C相电流值，若此电流传感器存在的直流偏置误差为α，则采集到的值应分别为i_b+i_c+α和i_c+α，将二者作差即可得到B相电流的准确值i_b，对于采集到的i_c+α通过陷波滤波器消除其直流量α，进而得到准确的C相电流值i_c。
进一步地，通过引入陷波滤波器对采集到的C相电流进行直流偏置误差α的滤除，包括：
建立陷波滤波器的传递函数G_f(s)，
其中，ω_r为电机轴端的角速度，ζ_n和ζ_d分别为分子和分母的阻尼系数，需满足0<ζ_n<ζ_d<1；
将C相电流的采集值i_c+α引入到陷波滤波器中，则输出得到其高频噪声及低频直流分量，再用采集到的C相电流值与其作差，即得到C相电流的准确值。
进一步地，电流传感器为电气隔离型传感器。
进一步地，电流传感器包括但不限于霍尔效应传感器或者电流互感器。
根据本发明的另一方面，还提供一种交流电机伺服控制方法，采用正弦波驱动的伺服控制方法，通过上述的电流检测方法检测交流电机的相电流信号作为闭环控制的反馈信号。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于故障容错的电流检测方法，通过在三相全桥逆变电路中安装两个电流传感器，且每个电流传感器均同时检测两条线路的电流值，其中，一个电流传感器检测的两条线路分别为：A、B相上桥臂的连接线，B、C相下桥臂的连接线；另一个电流传感器检测的两条线路分别为：A、B相下桥臂的连接线，B、C相上桥臂的连接线；既可以通过在同一时刻根据两个电流传感器检测的电流值和基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值，又可以通过同一电流传感器在不同时刻检测的电流值和基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值，使得两个电流传感器中的任何一个发生故障时，仍然可以获得三相绕组的电流值，故能够在不增加硬件电路成本的前提下，完成交流电机绕组相电流检测的故障容错控制，结构简单，且节省成本。
本发明交流电机伺服控制方法，通过采用上述的基于故障容错的电流检测方法来检测交流电机的相电流信号作为闭环控制的反馈信号，由于具有电流检测的故障容错控制，提高了伺服控制的可靠性和准确性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例基于故障容错的电流检测方法中电流传感器的安装示意图；
图2是本发明优选实施例陷波滤波器的幅频及相频特性曲线；
图3是本发明优选实施例电流传感器直流偏置误差校正工作原理框图；
图4是本发明优选实施例电流传感器直流偏置校正的仿真结果。
附图标记说明：
10、交流电机；20、三相全桥逆变电路；30、电流传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的 多种不同方式实施。
本发明的优选实施例提供了一种基于故障容错的电流检测方法，用于交流电机的相电流检测，参照图1，本实施例中，交流电机10连接有用于提供三相交流电的三相全桥逆变电路20，其中，三相全桥逆变电路20包括功率管Q1至Q6，三相全桥逆变电路20设有A相、B相、C相引出线，A相、B相、C相引出线分别与交流电机10的三相绕组输入端连接以供电，本实施例中，交流电机10为永磁同步电机。本实施例电流检测方法包括：在三相全桥逆变电路20中安装两个电流传感器30，每个电流传感器30同时检测两条线路的电流值，其中，一个电流传感器30检测的两条线路分别为：A、B相上桥臂的连接线(即检测流经B、C相上桥臂的电流和i_b+i_c)，B、C相下桥臂的连接线(即检测流经C相下桥臂的电流i_c)；另一个电流传感器检测的两条线路分别为：A、B相下桥臂的连接线(即检测流经A、B相下桥臂的电流和i_b+i_c)，B、C相上桥臂的连接线(即检测流经C相上桥臂的电流i_c)；控制三相全桥逆变电路20中功率管的导通或截止，根据同一时刻两个电流传感器30检测的电流值或者不同时刻同一电流传感器检测30的电流值及基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。本实施例中，按照如图1所示的方式安装好两个电流传感器30后，在采用空间矢量脉宽调制技术的前提下，在零电压矢量(111)，即三个上桥臂的功率管(即Q1、Q3、Q5)同时开通的时段内同时采样两个电流传感器30的电流值，分别得到i_b+i_c和i_c的值，进而根据基尔霍夫电流定律i_a+i_b+i_c＝0得到三相绕组的电流值；或者在零电压矢量(000)，即三个下桥臂的功率管(即Q2、Q4、Q6)同时开通的时段内同时采样两个电流传感器30的电流值，分别得到i_c和i_b+i_c的值，同样根据基尔霍夫电流定律得到三相绕组的电流值。
若在两个零电压矢量(111)和(000)时段，都同时采样两个电流传感器30的电流值，这样其中一个传感器可分别采集到i_b+i_c和i_c的值，另一个传感器可分别采集到i_c和i_b+i_c的值，将两个传感器采集到的i_b+i_c和i_c的值进行比对，以确认两个传感器是否工作正常，将采集数据异常的传感器从系统中切除。然后在零电压矢量(111)和(000)时段分别采集正常工作传感器的电流值，即得到i_c和i_b+i_c的值，进而根据基尔霍夫电流定律i_a+i_b+i_c＝0得到三相绕组的电流值。这样，在两个电流传感器30中任何一个发生故障的情况下，仍然能够获得三相绕组的电流值。本实施例检测方法不仅节省了成本，且结构简单，可靠性高。
在以上电流传感器30安装方式的基础上，也可以实现任一电流传感器30直流偏置误差的校正。优选地，分别在零电压矢量(111)和(000)时段采集其中任何一个传感器的电流值，即得到i_b+i_c和i_c的值，若设此传感器存在的直流偏置误差为α，则采集到的值应分别为i_b+i_c+α和i_c+α，将二者作差即可得到B相电流的准确值i_b，对于采集到的i_c+α需通过陷波滤波器消除其直流量α，该方法主要包括以下两个步骤：
步骤一：建立陷波滤波器的传递函数G_f(s)，其幅频及相频特性曲线如图2所示：
Gf(s)=s2+2ζnωrs+ωr2s2+2ζdωrs+ωr2]]>
其中，s为变量参数，ω_r为电机轴端的电角速度，ζ_n和ζ_d分别为分子和分母的阻尼系数，需满足0<ζ_n<ζ_d<1。
步骤二：如图3所示，将C相电流的采集值i_c+α作为陷波滤波器的输入，则输出得到其高频噪声及低频直流分量，再用采集到的C相电流值与其作差，即得到C相电流的准确值，已知B、C两相电流的准确值之后，再根据基尔霍夫电流定律计算得到A相电流值。图4为采用引入陷波滤波器进行直流偏置误差校正的仿真结果，很好的消除了直流偏置量。
本实施例中，电流传感器30为电气隔离型传感器。可选地，电流传感器为霍尔效应传感器或者电流传感器。
根据本发明的另一方面，还提供一种交流电机伺服控制方法，采用正弦波驱动的伺服控制方法，通过上述实施例的电流检测方法检测交流电机的相电流信号作为闭环控制的反馈信号。由于上述实施例的电流检测方法具有电流检测的故障容错控制，提高了伺服控制的可靠性和准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。