CN101997475B - 采样电动机相电流的方法及用于采样电动机相电流的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采样电动机相电流的方法及用于采样电动机相电流的设备，通过采用3个可观测相位和幅值的矢量V_s1、V_s2、V_s3和1个补偿矢量的组合来形成指定的电压指令矢量，从而获得可观测的电动机三相电流，并提高采样精度，使电动机能稳定地转动。

Description

采样电动机相电流的方法及用于采样电动机相电流的设备

技术领域

本发明涉及电动机相电流检测技术领域，尤其涉及电动机相电流采样方法及用于电动机相电流采样设备。

背景技术

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)的控制需要位置和转速信息，这些信息通常采用编码器获得，然而，这类位置传感器的性能受震动或湿度的影响会变差，从而导致驱动系统的可靠性下降。此外，传感器的复杂机械安装也限制了PMSM在某些场合的应用。因此，为符合工业应用需求，解决编码器给系统带来的缺陷，研究一种可靠且低成本的PMSM无传感器控制方法，已成为电动机驱动控制领域中一个重要的发展方向。

在无传感器的电动机控制系统中，需要精确的测量电动机相电流以提供高性能的控制。传统方法是使用霍尔效应传感器来对电动机相电流进行检测，但其体积庞大，价格昂贵，难以集成在电力电子装置中。

目前，在空间电压矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulaion，SVPWM)的逆变器驱动系统中，当使用非零的基本矢量时，可以通过测量直流母线的电流来确定电动机相电流，每个基本矢量在PWM周期中被指定具体的时间，以生成指令电压矢量。基于此原理，通过在直流母线串联功率检流电阻，来实现对电动机相电流的重构，其控制结构如图1所示。然而，在实际电路中，由于存在开关器件开通和关断时产生的电流尖峰和上下桥臂的死区时间，实际Ra上的电流信号和采样时间如图2所示，因此产生非观测区域，它存在于低速指令矢量形成区域和每个扇区内基本适量的边界区域，目前，无法采样到该非观测区域时刻的电流，从而造成电动机无法正常稳定的转动。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明提供了一种采样电动机相电流的方法及用于电动机相电流采样电路，通过采用3个可观测相位和幅值的矢量V_s1、V_s2、V_s3和1个补偿矢量的组合来形成指定的电压指令矢量，从而获得反映相电流的可观测的直流总线电流，提高采样精度，使电动机能稳定地转动。

为了达到上述技术效果，本发明提供了一种采样电动机相电流的方法，用于采样电动机相电流，采样电动机相电流系统包括控制器、与所述控制器连接的逆变器和与所述逆变器输出端连接的电动机，所述逆变器包括六个开关管，所述六个开关管将所述逆变器形成上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂的公共端连接所述电动机，在所述逆变器的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端串联采样电阻，当采样时刻处于死区时间时，电动机相电流采样方法步骤包括：

控制器根据三组控制指令控制所述开关管的开关状态，所述控制指令包括三位控制字，每位控制字为0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断；

采集流经所述采样电阻用于给所述电动机提供电的电流信息；

根据空间矢量脉冲宽度调制算法将所述三组控制指令处理成三个空间矢量V_s1、V_s2和V_s3，使所述V_s1、所述V_s2和所述V_s3生成的时间大于等于最小采样时间；

根据平行四边形法平移所述V_s3，使所述V_s3与所述V_s1和所述V_s2形成三角形；

所述控制器根据两组控制指令控制所述开关管的开关状态；

根据所述空间矢量脉冲宽度调制算法将所述两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′；

将所述V_s1′和所述V_s2′合成一控制所述电动机转速的补偿矢量；

根据所述电流信息和所述补偿矢量控制所述电动机转动。

相应地，本发明还提供了一种用于采样电动机相电流的设备，包括：

逆变器，所述逆变器包括六个开关管和采样电阻，所述六个开关管将所述逆变器形成上桥臂和下桥臂，所述采样电阻与所述逆变器的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端进行串联；

控制器，包括第一控制单元、采集单元、第一处理单元、平移单元、第二控制单元、第二处理单元、合成单元和第三控制单元，所述第一控制单元用于根据三组控制指令控制所述开关管的开关状态，所述控制指令包括三位控制字，每位控制字为0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断；所述采集单元用于采集流经所述采样电阻用于给所述电动机提供电的电流信息；所述第一处理单元用于根据空间矢量脉冲宽度调制算法将所述三组控制指令处理成三个空间矢量V_s1、V_s2和V_s3，使所述V_s1、所述V_s2和所述V_s3生成的时间大于等于最小采样时间；所述平移单元用于根据平行四边形法平移所述V_s3，使所述V_s3与所述V_s1和所述V_s2形成三角形；所述第二控制单元用于根据两组控制指令控制所述开关管的开关状态；第二处理单元用于根据所述空间矢量脉冲宽度调制算法将所述两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′；合成单元用于将所述V_s1′和所述V_s2′合成一控制所述电动机转速的补偿矢量；第三控制单元用于根据所述电流信息和所述补偿矢量控制所述电动机转动。

作为本发明用于采样电动机相电流的设备优选实施方式，所述采样电阻仅与所述逆变器的直流母线负端串联连接。

作为本发明用于采样电动机相电流的设备优选实施方式，所述采样电阻为三个，所述采样电阻分别与所述逆变器的三相下桥臂输出端串联连接。

实施本发明采样电动机相电流的方法及用于采样电动机相电流的设备，具有如下有益效果：通过采用3个可观测相位和幅值的矢量V_s1、V_s2、V_s3和1个补偿矢量的组合来形成指定的电压指令矢量，从而获得反映相电流的可观测的直流总线电流，提高采样精度，使电动机能稳定地转动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例；对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有逆变器直流母线单电阻采样电路结构示意图；

图2为图1中Ra实际上的采样时刻；

图3为本发明采样电动机相电流的方法一个实施例的步骤示意图；

图4为图3的电动机相电流采样电路结构示意图；

图5为空间矢量及扇区分布示意图；

图6为开关管处于(Sa，Sb，Sc)＝(011)状态时的电流走向示意图；

图7为三相PWM调制的非观测区域；

图8为实际采样点时刻示意图；

图9为理想采样点时刻示意图；

图10为合成电压矢量的方法示意图；

图11为本发明用于采样电动机相电流的设备结构示意图；

图12为本发明电动机相电流采样方法采用双电阻进行采样电流信息的电路结构示意图；

图13为本发明电动机相电流采样方法采用三电阻进行采样电流信息的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图3，图3为本发明采样电动机相电流的方法一个实施例的步骤示意图。该电动机相电流采样方法步骤具体为：

步骤S101：在所述逆变器电路的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端串联采样电阻；

具体的，采样电动机相电流系统包括控制器、逆变器和电动机，逆变器的输入端与控制器连接，逆变器的输出端与电动机连接，逆变器包括六个开关管，该六个开关管将逆变器形成上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的公共端连接电动机，在逆变器的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端串联采样电阻，再根据六个开关管的开关状态，并结合空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector PulseWidth Modulation，SVPWM)算法，进而重构电动机的三相电流，其逆变器电路结构示意图如图4所示。SVPWM算法的原理如下：

SVPWM是将定子电流产生有磁场分为6个相限和6个基本矢量、2个零适量，如图5所示，任意方向的定子磁场都是由两个相邻的基本矢量合成得到。每个基本矢量都对应一种开关状态，通过改变六个开关管的导通状态可以随意切换6个基本矢量，如表1所示，1代表上桥臂开关管导通、下桥臂开关管关断，0代表下桥臂开关管导通、上桥臂开关管关断，其中，000和111分别代表两个零矢量，因为当三个上管同时导通或者三个下管同时导通时，电动机中没有电流流入或者流出。这8个开关状态产生六个有效向量U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)和两个零矢量U0(000)，U7(111)。当变频器开关处于有效状态是，例如处于(Sa，Sb，Sc)＝(0，1，1)，其电流流通路径如图6所示。由图6可见，该状态下，直流母线电流Idc即为交流电动机的相电流。

表1：

通过直流母线进行电流重构计算电动机电流时，由于理想开关情况和实际器件特性之间的差别，使得电动机相电流具有一定的不可观测区域，它存在于低速时指令矢量形成区域和每个扇区内基本矢量的边界区域，如图7阴影部分所示。对于一个有效的采样，其采样时刻时间为图8所示的t_s，t_s必须大于一个最小的时间限制T_min，T_min包括为了防止开关管直通的死区时间，开关管开通关断时的电流尖峰时间(d_i/d_t)，以及A/D采样和保持时间，其采样对应的理想情况和实际情况分别如图8和图9所示。从图8可以看出，在实际采样的情况下，当进行采样区域的中点采样时，其采样的时刻为式(1)所示，T_min的时间由式(2)组成：

$t_s=t_a+\frac{{t_s}^{\′}}{2}+t_{\mathrm{dt}}+t_{\mathrm{rs}}={\mathrm{\τ}}_a+\frac{t_s+t_{\mathrm{dt}}+t_{\mathrm{rs}}}{2}---\left(1\right)$

T_min＝T_dt+T_rs+T_ad                                (2)

式中T_dt为开关死区时间，T_rs为开关关断电流尖峰时间，T_ad为采样和保持时间。

在三相PWM调制时，当t_s小于T_min时，产生如图7阴影部分所示的非观测区域，为了使电动机的稳定地转动，这个区域需要减小和避免。

步骤S102：控制器根据三组控制指令控制所述开关管的开关状态；

具体的，当采样时刻处于死区时间时，控制器根据三组控制指令控制六个开关管的开关状态，该控制指令包括三位控制字，每位控制字为0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断。

步骤S103：采集流经所述采样电阻用于给所述电动机提供电的电流信息；

具体的，控制器在控制六个开关管开关状态之后，采样电阻R_sh采集流经采样电阻R_sh的电流信息。

步骤S104：根据空间矢量脉冲宽度调制算法将所述三组控制指令处理成三个空间矢量V_s1、V_s2和V_s3；

具体的，根据SVPWM算法将三组控制指令处理成三个空间矢量，使V_s1、V_s2和V_s3生成的时间大于等于最小采样时间，如图10所示。

步骤S105：根据平行四边形法移动所述V_s3，使所述V_s3与所述V_s1和所述V_s2形成三角形；

具体的，根据平等四边形法移动V_s3，使V_s3与V_s1和V_s2形成三角形，如图11所示，这样产生的矢量V_s1、V_s2和V_s3之间相互抵消。

步骤S106：所述控制器根据两组控制指令控制所述开关管的开关状态；

具体的，该两组控制指令与前面三组控制指令相同，也是通过三位控制字组成，每位控制字0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断，但是该两组控制指令控制开关管状态生成的空间矢量时间比前面三组控制指令控制开关管状态生成的空间矢量时间长。

步骤S107：根据所述空间矢量脉冲宽度调制算法将所述两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′；

步骤S108：将所述V_s1′和所述V_s2′合成一控制所述电动机转速的补偿矢量；

具体的，电动机的转动除了需要电之外，还需要速度环，所以还需要一个与目标矢量一致的补偿矢量作为电动机的速度环，控制器再次根据两组控制指令控制开关管的开关状态，并结合SVPWM算法将两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′，通过将空间矢量V_s1′和V_s2′合成一控制电动机转速的补偿矢量V_s4，这样通过采用3个可观测相位和幅值的矢量V_s1、V_s2、V_s3和1个补偿矢量V_s4的组合来形成指定的电压指令矢量，从而获得反映相电流的可观测的直流总线电流。矢量V_s1、V_s2和V_s3具有与电压指令矢量的时间相同的组合时间。V_s1作用时间为t1到t2，V_s2作用时间为t2到t3，V_s3作用时间为t3到t4，V_s4作用时间为t4到t5，图10为合成电压矢量的方法，其合成原理如式(3)所示：

$\underset{t1}{\overset{t5}{\∫}}{V}_s=\underset{t2}{\overset{t1}{\∫}}{V}_{s1}+\underset{t3}{\overset{t2}{\∫}}{V}_{s2}+\underset{t4}{\overset{t3}{\∫}}{V}_{s3}+\underset{t5}{\overset{t4}{\∫}}{V}_{s4}---\left(3\right)$

通过如式(3)所示的合成原理，就可以用V_s1、V_s2、V_s3和V_s4来有效代替V_s这个非观测的矢量，从而实现非观测区域的有效观测。

步骤S109：根据所述电流信息和所述补偿矢量控制所述电动机转动。

需要说明的是，本发明所提供的采样电动机相电流的方法还可以用于通过双电阻和三电阻进行采样电流信息，其双电阻采样电路结构示意图如图11所示，通过在每一相的下桥臂输出端各串联一个采样电阻Ra和Rb，三电阻采样电路结构示意图如图12所示，通过在每一相的下桥臂输出端各串联一个采样电阻Ra、Rb和Rc。在下桥臂流过电动机的负载电流时，可以直接采样得到电动机的三相负载电流信息。采用双电阻和三电阻进行电流信息采样的原理与前面实施例的原理相同，在此不再赘述。

参见图13，图13为本发明用于采样电动机相电流的设备结构示意图。该设备包括：

逆变器11，逆变器11包括六个开关管1101和采样电阻1102，六个开关管1101将逆变器11形成上桥臂和下桥臂，采样电阻1102与逆变器11的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端进行串联；具体的，采样电阻仅与所述逆变器的直流母线负端串联连接。该采样电阻也可以为三个，采样电阻分别与逆变器的三相下桥臂输出端串联连接。

控制器12，包括第一控制单元1201、采集单元1202、第一处理单元1203、平移单元1204、第二控制单元1205、第二处理单元1206、合成单元1207和第三控制单元1208，第一控制单元1201用于根据三组控制指令控制开关管1101的开关状态，控制指令包括三位控制字，每位控制字为0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断；采集单元1202用于采集流经采样电阻1102用于给电动机提供电的电流信息；第一处理单元1203用于根据空间矢量脉冲宽度调制算法将三组控制指令处理成三个空间矢量V_s1、V_s2和V_s3，使所述V_s1、所述V_s2和所述V_s3生成的时间大于等于最小采样时间；平移单元1204用于根据平行四边形法平移V_s3，使V_s3与所V_s1和V_s2形成三角形；第二控制单元1205用于根据两组控制指令控制开关管1101的开关状态；第二处理单元1206用于根据空间矢量脉冲宽度调制算法将两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′；合成单元1207用于将V_s1′和V_s2′合成一控制电动机转速的补偿矢量；第三控制单元1208用于根据电流信息和补偿矢量控制电动机转动。

需要说明的是，逆变器11的电路结构示意图如图4所示，该用于采样电动机相电流的设备的原理与采样电动机相电流的方法的原理相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明电动机相电流采样方法及用于电动机相电流采样电路，通过采用3个可观测相位和幅值的矢量V_s1、V_s2、V_s3和1个补偿矢量的组合来形成指定的电压指令矢量，从而获得反映相电流的可观测的直流总线电流，提高采样精度，使电动机能稳定地转动。

以上所披露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围。因此，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的技术范围和系统结构。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围和系统结构之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种采样电动机相电流的方法，用于采样电动机相电流，采样电动机相电流系统包括控制器、与所述控制器连接的逆变器和与所述逆变器输出端连接的电动机，所述逆变器包括六个开关管，所述六个开关管将所述逆变器形成上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂的公共端连接所述电动机，在所述逆变器的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端串联采样电阻，其特征在于，当采样时刻处于死区时间时，电动机相电流采样方法步骤包括：

控制器根据三组控制指令控制所述六个开关管的开关状态，所述控制指令包括三位控制字，每位控制字为0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断；

采集流经所述采样电阻用于给所述电动机提供电的电流信息；

根据空间矢量脉冲宽度调制算法将所述三组控制指令处理成三个空间矢量V_s1、V_s2和V_s3，使所述V_s1、所述V_s2和所述V_s3生成的时间大于等于最小采样时间；

根据平行四边形法平移所述V_s3，使所述V_s3与所述V_s1和所述V_s2形成三角形；

所述控制器根据两组控制指令控制所述六个开关管的开关状态；

根据所述空间矢量脉冲宽度调制算法将所述两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′；

将所述V_s1′和所述V_s2′合成一控制所述电动机转速的补偿矢量；

根据所述电流信息和所述补偿矢量控制所述电动机转动。

2.一种用于采样电动机相电流的设备，其特征在于，包括：

逆变器，所述逆变器包括六个开关管和采样电阻，所述六个开关管将所述逆变器形成上桥臂和下桥臂，所述采样电阻与所述逆变器的直流母线负端或至少二相的下桥臂输出端进行串联；

控制器，包括第一控制单元、采集单元、第一处理单元、平移单元、第二控制单元、第二处理单元、合成单元和第三控制单元，所述第一控制单元用于根据三组控制指令控制所述六个开关管的开关状态，所述控制指令包括三位控制字，每位控制字为0或1，其中0代表下桥臂开关管导通和上桥臂开关管关断，1代表上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断；所述采集单元用于采集流经所述采样电阻用于给所述电动机提供电的电流信息；所述第一处理单元用于根据空间矢量脉冲宽度调制算法将所述三组控制指令处理成三个空间矢量V_s1、V_s2和V_s3，使所述V_s1、所述V_s2和所述V_s3生成的时间大于等于最小采样时间；所述平移单元用于根据平行四边形法平移所述V_s3，使所述V_s3与所述V_s1和所述V_s2形成三角形；所述第二控制单元用于根据两组控制指令控制所述六个开关管的开关状态；第二处理单元用于根据所述空间矢量脉冲宽度调制算法将所述两组控制指令处理成两个空间矢量V_s1′和V_s2′；合成单元用于将所述V_s1′和所述V_s2′合成一控制所述电动机转速的补偿矢量；第三控制单元用于根据所述电流信息和所述补偿矢量控制所述电动机转动。

3.如权利要求2所述的用于采样电动机相电流的设备，其特征在于，所述采样电阻仅与所述逆变器的直流母线负端串联连接。

4.如权利要求2所述的用于采样电动机相电流的设备，其特征在于，所述采样电阻为三个，所述采样电阻分别与所述逆变器的三相下桥臂输出端串联连接。

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