具体实施方式

下面的讨论针对所公开的主题的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可以是优选的，但是不应将所公开的实施例解读为或以其他方式用于限制包括权利要求书的本公开的范围。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仅旨在作为该实施例的示例，而不旨在暗示包括权利要求书的本公开的范围受限于该实施例。

某些运动控制应用(例如，车辆、船舶、飞机、无人机、动力设备、场地设备、泵、压缩机等)可以包括同步电动机驱动器，该同步电动机驱动器控制利用闭环控制进行操作的同步电动机。电流测量系统可以包括在闭环中，以测量由同步电动机输出的电流。电流测量系统可能受电流测量增益误差的影响。

电流测量增益误差可以是指测量电流与真实电流或实际电流之间的差异。测量电流可以由电流测量系统来测量，并且命令电流或参考电流可以由机器的操作员输入或针对机器预先配置。电流测量增益误差的示例原因可以包括分流电阻的不准确估计、运算放大器增益、温度过高或其某种组合。

通常，可能没有检测到电流测量增益误差。此外，可能存在一个或多个故障电流传感器，该一个或多个故障电流传感器是造成机器中的电流测量增益误差的原因。取决于电流测量增益误差的原因、电流测量增益误差的严重性和/或继续使用一个或多个故障电流传感器，电动机可能经受不合期望的效果。如果未检测到和/或未经校正，这样的(多个)电流测量增益误差可能导致整体系统性能降级和/或电动机故障。此外，整体系统降级可能影响同步电动机的寿命和/或客户购买包括同步电动机的设备的吸引力。作为结果，期望的是检测、识别和减轻电流测量增益误差。

因此，系统和方法，诸如本文描述的系统和方法，可以配置为通过提供用于检测和识别电流测量增益误差并基于电流测量增益误差采取预防措施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可以检测、学习和补偿电流测量增益误差对电动机驱动器的影响。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以配置为提供用于实时检测在反馈控制同步电动机驱动器中使用的电流测量系统中的电流测量增益误差的技术。此外，本文描述的系统和方法可以识别经受电流测量增益误差的特定相。本文描述的系统和方法可以识别出现故障并在那个相造成电流测量增益误差的特定电流传感器。

本文描述的系统和方法可以配置为使用各种数学模型来提取电流测量增益误差的特征，基于该特征来检测电流测量增益误差是否存在，并且识别存在电流测量增益误差的同步电动机的相。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以配置为基于检测到的电流测量增益误差、被识别为具有电流测量增益误差的相和/或被识别为引起电流测量增益误差的电流传感器来采取预防措施。预防措施可以包括使同步电动机驱动器保持处于与同步电动机操作所处的操作模式相同的操作模式中，或者改变为与同步电动机驱动器当前操作所处的操作模式不同的操作模式。本文描述的系统和方法可以配置为使用不同的操作模式，例如电流模式和电压模式。

公开的实施例至少提供以下益处：包括用于检测针对同步电动机驱动器所使用的电动机电流测量系统中的(静态)增益误差的诊断技术。该诊断适用于任何条件下的相电流测量系统以及适用于低边电流测量系统和直插型电流测量系统二者。公开的电流测量传感器增益误差的建模以及电流测量传感器增益误差的特征的提取使得能够检测电流测量传感器增益误差，并且识别存在电流测量传感器增益误差的相，以识别故障电流传感器。所公开的技术适用于具有交流电(AC)电机的任何电动机驱动器以及任何电流测量架构(直插和低边二者)。低边电流测量系统可以指的是将电流传感器放置在功率转换器的相桥臂的低开关与地面之间。直插电流测量系统可以指的是将电流传感器放置成与电动机相绕组串联，使得流过电动机相的电流也流过电流传感器。此外，公开的实施例可以通过处理器实现，以用于在操作同步电动机时的实时检测、识别和/或校正。公开的实施例还可以通过制造工厂的生产线末端(EOL)处的处理器来实现。

图1大体示出了根据本公开的原理的电流测量增益误差检测与相识别系统100(在本文中称为“系统”)。系统100可以包括电流控制器102、电流测量增益误差检测器104、脉冲宽度调制器112、逆变器114、同步电动机116、电流传感器118和电流估计组件120。应该注意的是，根据需要，系统100中可以包括更少的组件或更多的组件，以执行本文公开的技术，并且所描绘的组件仅是为了说明的目的。同步电动机116可以生成用于为运动控制系统提供动力的旋转力或线性力，诸如本文描述的那些。系统100的各种组件可以用作同步电动机驱动器130的一部分(例如，电流控制器102、电流测量增益误差检测器104、脉冲宽度调制器112、逆变器114或其某种组合)。同步电动机驱动器130可以是利用并控制发送到同步电动机116的电能的电子设备。同步电动机驱动器130可以牵涉到以不同的量和不同的频率向同步电动机116施加电压，从而间接地控制同步电动机116的速度和/或转矩。

电流测量系统140可以包括电流估计组件120和电流传感器118。可以使用能够检测电路中的电流的任何合适类型的电流传感器118。电流传感器118可以向电流估计组件120提供指示电流的信号。电流估计组件120可以能够接收指示电流的信号并且估计由同步电动机116输出的电流的量。

电流控制器102可以接收由用户使用计算设备输入的或者默认针对同步电动机116预编程的命令电流(I*)。在一些实施例中，电流控制器102在反馈控制同步电动机驱动器中使用，以利用最小误差追踪命令电流。电流控制器102将输出电压信号传送到脉冲宽度调制器112。脉冲宽度调制器112可以控制与在相一致的时间段内输出电压信号低时相比，输出电压信号高时的时间比例。控制输出电压信号高或低时的时间比例可以控制同步电动机116的方向。逆变器114可以是电压源逆变器，并且可以改变馈送到同步电动机116的电源的频率，以控制同步电动机116的速度。同步电动机116可以接收输出电压信号(V)作为输入。同步电动机116可以使用该输入来输出电流I的量，该电流I的量可以等于命令电流或与命令电流不同。

从同步电动机116输出的电流I可以由电流传感器118感测。电流估计组件120将估计的电流输出到电流控制器102。因此，如所描绘，系统100使用用于电流控制的闭环。

电流控制器102可以接收估计的电流，并且将估计电流与命令电流进行比较。如果存在任何变化，那么电流控制器102可以传送输出电压信号(V*)，输出电压信号(V*)将使测量电流与命令电流I*匹配。这样，如果假定命令电流I*是恒定的，并且估计电流等于命令电流I*，那么估计电流也是恒定的。为了保持恒定的测量电流，电流控制器102可以使输出电压信号脉动，特别是在存在电流测量误差时。

电流测量增益误差检测器104读取来自电流控制器102的输出电压信号。电流测量增益误差控制器104可以包括解调器106、误差检测器108和相隔离器110。解调器106可以包括取决于同步电动机的位置的数学变换或数学运算。在一些实施例中，系统100可以包括一个或多个旁路滤波器。旁路滤波器可以配置为在变换之前在同步坐标系中执行预滤波，或者在根据同步频率两倍的脉动频率(自适应地)调谐的伪稳态坐标系中使用自适应低通滤波器。

如将要描述的，误差检测器108可以使用数学模型来提取电流测量增益误差的特征(例如，在存在增益误差的事件中)。误差检测器108接收输出电压信号。误差检测器108基于输出电压信号确定是否存在电流测量增益误差。例如，如果误差检测器108确定输出电压信号仅包括恒定部分，而没有正弦部分，那么误差检测器108确定在输出电压信号中没有表示电流测量增益误差。正弦部分可以是指输出电压信号的脉动部分，并且可以至少表示电流测量增益误差的特征。如果误差检测器108确定输出电压信号包括恒定部分和正弦部分，那么电流测量增益误差检测器108确定检测到参数不平衡，因为正弦部分表示电流测量增益误差的特征。

误差检测器108可以使用数学变换106以基于存在特征来确定电流测量增益误差是否存在。例如，误差检测器108可以确定来自106的经变换的电压信号的幅度，并且将输出电压信号的幅度与阈值进行比较。如果该幅度满足阈值，那么误差检测器108确定存在电流测量增益误差。此外，如将要描述的，相隔离器110确定存在电流测量增益误差的同步电动机的至少一个相。在一些实施例中，相隔离器110可以确定一个以上的相包括电流测量增益误差。另外，相隔离器110可以使用该信息来识别包含电流测量增益误差的特定电流传感器118。

相隔离器110可以使用数学模型来识别其他信息，其中其他信息与特定电流传感器118为什么引起电流测量增益误差有关。该信息可能涉及电流传感器产生分流电阻的不准确估计、运算放大器增益或其某种组合。误差检测器108可以输出电流测量增益误差的幅度。相隔离器110可以输出存在电流测量增益误差的(多个)相和/或特定的故障电流传感器118。包括在系统100中的控制器或电路可以采取预防措施，例如使同步电动机驱动器130的操作模式改变或保持不变、在计算设备的显示器上呈现关于故障电流传感器118的通知等。

下面的讨论与本文描述的系统和方法所使用的数学模型有关。在执行了从静态(abc)到同步(dq0)坐标系应用的参考坐标系变换之后，系统和方法可以利用电流测量系统的模型。所测量的具有增益误差的电动机相电流可以表示如下：

I_am＝(1+ΔK_ga)I_a

I_bm＝(1+ΔK_gb)I_b

I_cm＝(1+ΔK_gc)I_c

等式1。

其中I_x和I_xm表示相x的实际电流和测量电流，而ΔK_gx表示测量中的增益误差。可以将参考坐标系变换应用于等式1，计算dq0电流估计值，其中参考坐标系变换(例如，Clarke-Park变换)表示如下：

h_dq0＝Th_abc

等式2。

其中h可以表示电压、电流或磁通匝连数，β是三相机器的等于的常数，并且θ是电气位置。Clarke-Park逆变换表示如下：

h_abc＝T_ih_dq0

等式3。

下面将等式2中的Clarke-Park变换应用于等式1中表示的测量的具有增益误差的电动机相电流，以计算dq0电流估计值，这表示如下：

等式4。

ΔI_gd＝ΔK_gsI_d+ΔK_gp(cos(2θ+φ_gp)I_d+sin(2θ+φ_gp)I_d)

等式5。

ΔI_gq＝ΔK_gsI_q+ΔK_gp(sin(2θ+φ_gp)I_d-cos(2θ+φ_gp)I_q)

等式6。

等式7。

等式4至等式7可以按照如下矩阵形式表示：

DC分量 具有独特电流测量增益误差特征的AC分量

等式8。

等式8中表示的数学模型代表感测子系统，并且代表在同步电动机的闭环电流控制未激活时测量的电流是什么。在一些实施例中，当在反馈电流控制的同步电动机驱动器中采用高带宽电流控制器102时，测量的电流可以约等于或正好等于命令电流或参考电流，其可以表示如下：

等式9。

其中ω_d和ω_q是电流控制器的闭环带宽参数设置。当带宽足够高时，实际电流值可以近似如下：

等式10。

其中和是电流命令值。

在一些实施例中，命令的或实际的电动机电压然后可以计算如下：

等式11。

通过解调dq电压波形，可以提取对于电流测量增益误差来说独特的脉动分量(正弦部分)ΔV_dq。在一些实施例中，数学变换可以应用于具有每电动旋转两个的适当频率的电压信号，如下：

等式12。

在一些实施例中，对于非凸极机器来说，即L_d＝L_q＝L，变换的电压信号的DC部分表示如下：

等式13。

可以进一步操控变换的电压信号，以确定诊断电压幅度和诊断电压相位，如下：

等式14。

其中并且

使用包括本文描述的等式的数学模型，可以通过将DC信号与适当的预定义的阈值进行比较来检测电流测量增益误差。

图2大体示出了根据本公开的原理的用于检测和识别电流测量增益误差的块图200。方块图200包括用于解调的块202、用于电流测量增益误差检测器204的块以及故障相识别器206。电流测量增益误差检测器204包括幅度与相位计算块208以及增益误差检测器块210。块202、204和206可以分别由解调器106、误差检测器108和相隔离器110执行。

解调块202可以从电流控制器102接收最终的同步坐标系电压(例如，输出电压信号)。在执行滤波以提取诊断电压V_u和V_u之后，解调块202可以将等式12应用于最终的同步坐标系电压。幅度与相位计算块208可以计算诊断电压幅度V_m，如等式14中所述，其包含存在电流测量增益误差的信息。增益误差检测器块210可以将诊断电压幅度与预定阈值进行比较，以检查是否超过阈值。还可以利用等式14使用电动机速度电阻和电感的估计值以及电流命令值幅度来执行比较。例如，在电流命令值高于预定电流阈值时，可以将诊断电压幅度与阈值进行比较。如果诊断电压幅度满足阈值，那么增益误差检测器块210可以输出电流测量增益误差指示符U_cm，其指示一个或多个电动机相中存在电流测量增益误差。

故障相识别器块206可以从幅度与相位计算块208接收诊断电压相位信号，并且利用诊断电压相位信号来识别存在电流测量增益误差的特定电动机相P_cm(例如，三相同步电动机中的A、B或C)。故障相识别器块206可以基于诊断电压相位来识别包含电流测量增益误差的特定电流传感器118。在由增益误差检测器210检测到电流测量增益误差时，故障相识别器块206利用诊断电压相位φ连同电流角度命令值α^*以及电阻和电感的估计值(如等式14中所述)，以通过将增益误差相识别器信号P_cm设置为A、B、C或M来确定(相A、B、C中的)单个电动机相是否包含增益误差或者多个相是否同时具有增益误差，其中M指示多个相中同时的增益误差。在单个相不平衡的情况下，故障相识别器块206识别特定相。增益误差相识别逻辑如下：

其中表示φ_gp的估计值，并且φ_w是用于增益误差相识别的相位角公差窗口。注意，当不平衡分别处于相A、B、C中时，诊断电压相位变得等于0、φ₀、-φ₀。这可以通过将任何单一相中的增益误差的值设置为非零值并将其他偏差设置为零来确定。例如，如果由于相B中的增益误差而使等式5中的ΔK_gb非零且ΔK_ga和ΔK_gc为零，那么得到的相位角φ_gp变为φ₀。可以使用等式5对其他相执行类似的计算。

图3大体示出了根据本公开的原理的控制器系统300。控制器系统300包括与存储器302通信耦接的电流测量增益误差控制器104。电流测量增益误差检测器104可以包括处理器。处理器可以包括任何合适的处理器，诸如本文描述的那些。存储器302可以存储指令，该指令在由电流测量增益误差检测器104执行时使电流测量增益误差检测器104至少执行本文公开的技术。特别地，在由电流测量增益误差检测器104执行时，计算机指令可以使电流测量增益误差检测器104执行方法400的操作，如下面参考图4进一步所述。控制器系统300可以通信耦接到计算设备304。计算设备304可以包括处理器、存储器、网络接口和/或显示器。在一些实施例中，计算设备304的显示器可以呈现从电流测量增益误差检测器104接收的通知。

图4是大体示出了根据本公开的原理的用于电流测量增益误差与相识别的方法400的流程图。在402，方法400读取输出电压信号。例如，电流控制器102可以生成输出电压信号。在404，方法400从输出电压信号提取电流测量增益误差的特征。在一些实施例中，输出电压信号可以仅包括恒定部分，并且在一些实施例中，输出电压信号可以包括恒定部分和正弦部分。如果输出电压信号仅包含恒定部分，那么可能不会存在电流测量增益误差，因为输出电压信号的正弦部分表示包含电流测量增益误差的特征的脉动。因此，当输出电压信号包括恒定部分和正弦部分时，提取正弦部分作为电流测量增益误差的特征。正弦部分可以对应于输出电压信号的脉动部分，并且可能由于电流控制器102保持包含电流测量增益误差的测量电流和/或估计电流等于命令电流而产生。

在406，方法400从输出电压信号中检测是否存在电流测量增益误差。即，如果提取了电流测量增益误差的特征，那么方法400确定诊断电压幅度并将该幅度与阈值进行比较。在一些实施例中，在与阈值进行比较时，方法400可以使用等式14。如果诊断电压幅度满足阈值，那么方法400检测到存在电流测量增益误差。如果诊断电压幅度不满足阈值，那么方法400没有检测到存在电流测量增益误差。

在408，响应于检测到电流测量增益误差的存在，方法400识别存在电流测量增益误差的诊断电压相位。方法400可以使用等式14来确定诊断电压相位，并且然后使用诊断电压相位来识别有故障的特定电流传感器。因此，方法400可以基于诊断电压相位来识别包含电流测量增益误差的电流传感器118。例如，各个不同的电流传感器118可以测量各个不同的相。方法400可以基于与引起电流测量增益误差的电流传感器118有关的信息来确定同步电动机驱动器要进行操作的操作模式。利用上述一个或多个等式，方法400可以提供关于低侧电流测量系统和直插电流测量系统出现电流传感器故障的信息。

该信息可以指示已经存在不准确的分流电阻估计、运算放大器增益、过热温度或其某种组合。由于一些电流测量增益误差在某种操作条件下对机器没有不利影响，方法400可以选择继续在电动机驱动器当前正在操作的相同操作模式(例如，电压模式或电流模式)下进行操作。然而，在一些实施例中，方法400可以选择将操作模式改变为与电动机驱动器当前正在操作的操作模式不同的操作模式(例如，电压模式或电流模式)。在一些实施例中，方法400可以在用户使用的计算设备上呈现通知，指示所识别的电流传感器118有故障，并且指令操作员去检查、维修和/或更换故障电流传感器118。

在一些实施例中，用于检测电动机驱动器中的电流测量增益误差的系统包括处理器以及包含指令的存储器。指令在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增益误差的特征，基于该特征检测电流测量增益误差是否存在，并且响应于检测到电流测量增益误差的存在而识别存在电流测量增益误差的相。

在一些实施例中，响应于识别到存在电流测量增益误差的相，指令还使处理器基于该相来识别引起电流测量增益误差的电流传感器。在一些实施例中，指令还使处理器基于与电流传感器为什么引起电流测量增益误差有关的信息来确定同步电动机驱动器要进行操作的操作模式，并且使同步电动机驱动器在该操作模式下操作。在一些实施例中，信息包括分流电阻的不准确估计、运算放大器增益或其某种组合。在一些实施例中，操作模式是与电动机驱动器当前操作的操作模式相同的操作模式。在一些实施例中，操作模式是与电动机驱动器当前操作的操作模式不同的操作模式。在一些实施例中，为了基于特征检测电流测量增益误差是否存在，指令还使处理器确定输出电压信号的幅度满足阈值。

在一些实施例中，用于检测电动机驱动器中的电流测量增益误差的方法包括：读取输出电压信号；从输出电压信号中提取电流测量增益误差的特征；基于该特征检测电流测量增益误差是否存在；并且响应于检测到电流测量增益误差的存在而识别存在电流测量增益误差的相。

在一些实施例中，响应于识别到存在电流测量增益误差的相，该方法还包括基于该相来识别引起电流测量增益误差的电流传感器。在一些实施例中，该方法还包括基于与电流传感器为什么引起电流测量增益误差有关的信息来确定同步电动机驱动器要进行操作的操作模式，使同步电动机驱动器在该操作模式下操作。在一些实施例中，信息包括分流电阻的不准确估计、运算放大器增益或其某种组合。在一些实施例中，操作模式是与电动机驱动器当前正在操作的操作模式相同的操作模式。在一些实施例中，操作模式是与电动机驱动器当前正在操作的操作模式不同的操作模式。

在一些实施例中，电子设备包括处理器和存储器。存储器包括指令，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增益误差的特征、基于该特征检测电流测量增益误差是否存在、并且响应于检测到电流测量增益误差的存在而识别存在电流测量增益误差的相。

在一些实施例中，响应于识别到存在电流测量增益误差的相，指令还使处理器基于该相来识别引起电流测量增益误差的电流传感器。在一些实施例中，指令还使处理器基于与电流传感器为什么引起电流测量增益误差有关的信息来确定同步电动机驱动器要进行操作的操作模式，并且使同步电动机驱动器在该操作模式下操作。在一些实施例中，信息包括分流电阻的不准确估计、运算放大器增益或其某种组合。在一些实施例中，操作模式是与电动机驱动器当前正在操作的操作模式相同的操作模式。在一些实施例中，操作模式是与电动机驱动器当前正在操作的操作模式不同的操作模式。

上述讨论旨在说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了以上公开内容，许多变化和修改将对于本领域技术人员来说变得显而易见。以下权利要求旨在被解读为涵盖所有这些变化和修改。

本文使用“示例”一词来表示充当示例、例子或说明。本文中描述为“示例”的任何方面或设计不一定要解读为比其它方面或设计更优选或更有利。而是，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”旨在表示包含性的“或”，而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文清楚，否则“X包括A或B”旨在表示自然包含性排列中的任一个。也就是说，如果X包括A；X包括B；或X包括A和B二者，则在上述情况中的任一个下均满足“X包括A或B”。另外，除非另有说明或从上下文清楚是指单数形式，否则如在本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应当解读为是指“一个或多个”。此外，除非如此描述，否则全文中术语“一种实施方式”或“一个实施方式”的使用并不旨在表示相同的实施例或实施方式。

可以以硬件、软件或其任何组合来实现本文描述的系统、算法、方法、指令等的实施方式。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它合适的电路。在权利要求中，术语“处理器”应当理解为单独地或组合地包括前述硬件中的任一个。可互换地使用术语“信号”和“数据”。

如本文使用的，术语模块可以包括设计成与其它组件一起使用的封装功能硬件单元、由控制器(例如，执行软件或固件的处理器)可执行的指令集、配置为执行特定功能的处理电路、以及与更大的系统对接的独立硬件或软件组件。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、组合的分立电路、门和其它类型的硬件或其组合。在其它实施例中，模块可以包括存储器，该存储器存储由控制器可执行以实现模块的特征的指令。

此外，在一个方面，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，该计算机程序在执行时实施本文描述的相应方法、算法和/或指令中的任一个。另外或替代地，例如，可以利用专用计算机/处理器，该专用计算机/处理器可以包含用于实施本文描述的方法、算法或指令中的任一个的其它硬件。

此外，本公开的全部或部分实施方式可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品是从例如计算机可用介质或计算机可读介质可访问的。计算机可用介质或计算机可读介质可以是任何设备，其例如可以有形地包含、存储、传递或传输程序，以供任何处理器使用或与任何处理器结合使用。介质可以例如是电子的、磁性的、光学的、电磁的或半导体器件。其它适合的介质也是可用的。

已经描述了上述实施例、实施方式和方面，以便允许对本发明的容易理解，并且不限制本发明。相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和等同布置，应赋予该范围最广泛的含义，以涵盖如法律准许的所有此类修改和等同方案。