永磁同步电机力矩控制(五):母线低边电流采样

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前文所述,母线低边电流采样由于只要一个采样电阻,一方面可以降低硬件成本,另一方便也可以大大减小Layout的复杂程度。但是由于需要对电流进行重构,因此软件也比相线采样方案复杂得多。

要实现电流的重构,无非就是要把母线低边电流的关系与相线电流的关系找出来,从以下几个方面一步一步入手:

(1) 母线低边的电流波形长什么样?

如下图,在电动状态下,在电机的相线上我们可以看到正弦的电流波形,母线低边上的电流恒为正值(意味着电流一直从电源的正极流向地)。但是从这个图我们还是很难看出母线电流与相电流的关系。

(2) MOSFET开关表

电机三相全桥有6个MOS,但由于上下桥臂上的MOS必须状态互补,因而只有8中开关状态,我们可以来看一下这不同开关状态下,相电流与低端母线电流的关系。

以状态100为例,如上图,显而易见在该状态下流过采样电阻的电流等于A相电流。同理,我们可以得到在其它状态下,采样电阻上的电流与相电流的关系。

(3) PWM调制下的电流采样 

无论是什么样的PWM调制方式,无非是以上八种不同开关状态的组合形式不同而已。以中心对齐方式为例:

三相PWM以中心对齐方式分成七段,在这七段时间内T0和T3时间段内采样电阻上的电流均为0,T1和T2时间段内根据上述开关表可以查出采样电阻上的电流代表的是哪一相的电流。

以本图为例,T1时间段内采样得到的电流对应001状态,为+Ic,T2时间段内采样得到的电流对应011状态,为-Ia, 根据基尔霍夫电流定律Ia+Ib+Ic=0可以计算得到Ib。

(4) 限制条件

在实际应用中,在某些状态下,在某一个PWM周期内,T2为0或者很小,当这个时间小于电流稳定的时间+ADC转换所需要的时间(一般为几个微秒)时,在同一个PWM周期内就无法得到两相的电流了,这个对控制来说是不可接受的。

实际上,在电压矢量的六边形里面,下图所示的灰色区域均存在电流不可检测的问题。

(5) 移相

当PWM向量调制在电流不可重构的黑色区域时,就要用到“移相”了。所谓移相,指的是改变某一相PWM信号的上升和下降沿的时刻,在不改变PWM等效电压矢量值的前提下,使得低边采样能够在该PWM周期内采集到两相的电机电流。

需要用到的一个非常重要的概念是“等冲量结论”:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。

文字比较晦涩,还是上图吧。

a.移相前的PWM_A上升沿和下降沿如黑线所示,整个周期内的PWM合成矢量为 2*T1*V010

b.现将A相的上升沿和下降沿同时往后移动T2时间,整个周期内的PWM合成矢量为:(2*T1-T2)*V010+T2*V011+T2*V110,从正六边形图中易知T2*V011+T2*V110的合成矢量等于T2*V110,因此最终合成矢量为,与移相前一致

c.移相后我们就有了四个时间窗口可以用于测量相线电流,根据开关表,T1和T1-T2时间段内,开关状态为010,可以用于测量Ib,前面一个T2,开关状态为011,可以用于测量-Ia,后一个T2,开关状态为110,可以用于测量-Ic

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