一种基于三电阻采样的永磁同步电机相电流重构策略

一种基于三电阻采样的永磁同步电机相电流重构策略

毕然

广东佛山528311

摘要：为降低电机驱动器的成本，本文提出一种三电阻采样的永磁同步电机相电流重构策略。该方法基于SVPWM调制，根据三相PWM脉冲信号宽度进行调整与计算，实现了逆变器在高调制输出下仍能得到正确的采样电流信息。该算法的可行性在2.2kW的通用变频器上得到验证。

关键词：永磁同步电机驱动器、三电阻采样、SVPWM调制、PWM脉宽调整

0引言

随着电力电子技术的发展，交流调速控制系统的性能不断提高。永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具备高效、功率密度大、转动惯量小、动态响应快等优点，在交流调速系统中的得到广泛的应用【1】。永磁同步电机的反电动势与电机运行转速成正比，这表明电动机的最高转速受限于母线电压的容量。SVPWM调制技术取代传统的SPWM调制技术的，可以获得跟高的母线电压利用率高，同时更优化输出电压的谐波效果【2】。在永磁同步电机矢量控制中，需要检测三相定子电流进行交直流变化而完成控制，三相电流检测的准确性直接影响控制效果。在传统调速系统中，一般选用两个电流传感器串入电机绕组完成电机相电流采样，然而传感器成较本高且相互之前存在精度差异。因此，为降低系统成本通常选用电阻替代传感器完成电流采样。电阻电流采样方法又分为单电阻采样、双电阻采样和三电阻采样。单电阻是将采样电阻设置在母线的低压侧接地点，该方法虽然成本低，但采样系统对AD转换速率要求高，同时存在采样盲区，为保证电流采样的准确性需要较复杂的相移算法，但缺点明显，输出的调制率受到限制、噪音高【3】【4】【5】。本文提出的三分流电阻电流重构策略，在降低成本的同时，可以有效避免上述单电阻电流采样存在的问题，同时该电流重构策略同样适用于两电阻采样拓扑。

1三电阻电流采样的基本原理

三电阻采样电流采样方法是在三相两电平全桥逆变电路的三相下桥臂均分别串联一个采样电阻，通过获取电阻上的电压来计算相应的相电流，电路拓扑如图1所示。其中R1、R2、R3为采样电阻，电阻电压信号经过运放放大后送入单片机的AD采样端口，经AD采样转换后由MUC计算重构后得到三相电机相电流。特别地，这种采样方法只有当下桥臂IGBT V4、V6、V2（或反并联二极管）其中之一导通时电机对应的相电流才能流过相应的采样电阻，此时电阻电压波形为正弦交流信号，流过电阻电流的方向与电机实际电电机电流方向相反，为保证进入MUC的电压的为正，需要加入偏置电路，同时为减小采样信号的噪声，一般需要加入RC滤波，后送入MCU进行信号处理。

图 1

2基于SVPWM的三电阻采样相电流重构策略

在图1中所示的电压型三相逆变器定义三相开关信号为 Sa 、Sb 、Sc 。当 Sa = 1 表示A 相上桥臂导通，下桥臂关断；Sa = 0 表示相反。三相逆变器采用 SVPWM 调制方式控制时，会产生8 种开关工作状态，其中包括6个非零矢量V1~V6和2个零电压矢量V0、V7，这些矢量将电压空间平面化分成6 个扇区。以S1扇区为例,如图2（a）所示可以计算合成参考矢量Vref所需的基本矢量为100和 110的作用时间分别为T1和T2。其中，基本矢量的长度为2Vdc/3。周期中剩余时间由零矢量插入。当参考矢量Vref处于其他扇区可以用同样的方法计算。

               2（a）                                       2（b）

根据开关开通损耗最小原理，S1扇区PWM上桥臂IGBT开关形状如图2（b）所示。同理，可得其他扇区的PWM开关形状。由于只有在下桥臂开通时才能进行电流采样，因此程序设定为PWM计数器下溢时进行AD采样一次，同步触发进行三个通道AD采样，这样就可以得同时到三相电流，PWM计数器下溢时刻恰好为T0矢量时间的中点。由于不同扇区PWM开通形状不同，相应地在T0矢量作用时间内，三个下桥臂开通时间长短也不同，从图2（b）可知当参考矢量处于第一扇区时，U相下桥臂开通时间最短，W相下桥臂开通时间最长，为避免某相桥臂导通时间过短而引起采样时采到开关振铃、死区以及AD采样预留时间段等情况，一般将下桥臂PWM开通时间较长的两相电流作为采样电流，通过基尔霍夫定律计算出第三相电流。如参考矢量在第1扇区时读取V相电流和W相电流，计算得到U相电流。同理可得当参考电压位于其他扇区时的采样电流。在以上的论述中，当两相PWM上桥臂脉宽均很宽时，即逆变器输出调制比较高时，则下桥臂脉宽很窄，当其宽度小于最小采样PWM宽度时，无法准确采样两相电流。此时的一种处理方法是将PWM最大占空限制在Ts-Tmin，确保能准确采样到两相电流，但最大占空比受限势必影响最终输出电压从而限制电机的运行转速。针对以上不足采用以下电流重构方法确保在高调制比下仍能正常采样。具体地，当出现两相占空比都比较宽的情况下，处理调整第三相PWM脉冲宽度，从而拓宽中间相的T0矢量所对应的PWM宽度。仍以图2（b）所示的第一扇区为例进行说明。在该扇区U相PWM宽度大于V相PWM宽度大于W相PWM宽度，由于V相PWM宽度居中，设其脉冲宽度为Tmid，且此时其低电平宽度Ts-Tmid小于Tmin，无法准确地采到V相电流，但W相电流可以准确采样。为保证V相电流采样，将三相PWM宽度同时减去Tmid+Tmin-Ts，如此保证了得到全部电机三相电流，并且输出电压保持不变。进一步地，当W相脉宽很窄时，无法通过缩小占空比保证采样的同时而不改变输出电压。此时的处理办法为，存储上一周期的三相电流，延续到在本周期使用，当采样窗口足够时理条件时，再对三相电流更新控制。

3、实验与应用

将本文所提出的电流重构算法应用在2.2kW的通用变频器上。实验测试平台负载为2kW的永磁同步电机，额定转速为1500r/min,额定电流为3.5A，极对数为4，Q轴电感0.68mH，永磁体磁链为63V/Krpm。通用变频器的主控芯片为意法半导体公司的STM32F103ZC。FOC控制频率为10KH，最小采样出口时间设为Tmin=12us。实验时在额定负载下进行，先将电机运行转速设定在1500r/min，测试三相重构电流与实际电机电流是否一致，然后再逐渐提高转速以调高调制比，验证在高调制比下，重构电流的效果。实现结果表明，重构的电机相电流与电机实际电流相吻合，从而证明了本文算法的有效性和可行性。

4、结论

本文提出了一种三相电阻采样相电流重构策略，该策略结合SVPWM空间扇区的划分通过比较三相PWM脉冲宽度，给出了在不同扇区可靠采样的电流；随着驱动器输出调制比升高，采样窗口逐渐缩小，该策略通过将三相占空比同时减小来扩大采样窗口；进一步地当调制比进一步升高，保持当上周期采样电流不变，可完成三相电流采样。实验结果表明，该方法可以广泛地应用在中小功率的变频器上以有效地减小产品成本，提高产品的竞争力。

参考文献

【1】刘计龙,肖飞,沈洋,等.永磁同步电机无位置传感器控制技术研究综述[J].电工技术学报,

2017,32(16):76-88.

【2】周永奎.电动汽车用内埋式永磁同步电机驱动器的研究[D].福建农林大学,2015

【3】李岳,徐鸣,黄跃进,等.基于单电阻的变频压缩机相电流重构方法[J].机电工程,2013,

30(04):454-458.

【4】马鸿雁,孙凯,魏庆,等.PWM逆变器相电流重构研究与误差分析[J].电工技术学报,2011,

26(1):108-114.

【5】ChoY,LaBellaT,LaiJ. A three-phase current reconstruction strategy with on line current offsetCompensation using as ingle current sensor[J].IEEE Transactions on Industrial Electronic,2012,59(7):2924-2933

作者简介：毕然（1987.03），男，满族，黑龙江省巴彦县，硕士学位。研究方向：电力电子与电气传动。