CN103713178B - 电流采样方法与电流采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流采样方法与电流采样装置。本发明提供的电流采样方法，用于测量三相逆变电路的各相逆变电流，包括：判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；对两个电流采样有效相的电流进行采样；利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算另一相的电流。从而根据电压矢量的扇区判断目前哪两相的下桥臂处于开通状态，也就是当前哪两相的电流通过采样电阻，对该两相的电流进行采集，使用电流之间的关系计算得出第三相的电流，从而不需要在三相逆变控制中强制插入采样窗口以创造三相同时具备下桥臂开通的条件，减小了对逆变正常控制的影响。

Description

电流采样方法与电流采样装置

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体而言，涉及一种电流采样方法与电流采样装置。

背景技术

在变频空调器中，三相逆变电路是功率转换模块（IPM，Intelligent Power Module）中的重要部分，而为了保证IPM的正常工作，需要对逆变电路的三相电流进行采集和检测。

图1是根据现有技术的三相逆变电路的示意图，如图所示，三相逆变电路包括由直流电源、三个桥臂、采样电阻，其中桥臂由开关管G1~G6构成，G1、G3、G5分别为U相、V相、W相的上桥臂开关管、G2、G4、G6分别为U相、V相、W相的下桥臂开关管。上下桥臂在各自的PWM信号的控制下进行开断，完成逆变工作。而同一相的上下桥臂不能同时开通，否则会出现短路事故。所以六个开关器件的状态组合有8种，其中两种为三个上桥同时开(此时三个下桥同时关)和三个上桥同时关(此时三个下桥同时开)，另外6种状态可以表示为6个基本电压矢量。

现有技术的三相逆变电路电流采样方法可分为两种：第一种是直接应用电流采样元件如电流互感器或者霍尔电流传感器进行电流采样，这种方法使用电流互感器或者霍尔电流传感器进行电流采样，不受PWM脉宽的限制，但成本高，影响了应用范围。第二种是在IPM模块的下桥臂与地之间连接采样电阻，通过采样电阻获取该相的电流信号。显然，该控制方法要在IPM模块三个下桥臂同时导通时对三个采样电阻同时进行采样。

这种方法使用采样电阻进行电流采样，成本较低，在目前IPM中使用更加广泛。

使用上述第二种电流采样方法需要在电流采点插入采样窗口，在采样时间内强制将三个上桥臂关断，使电流从下桥臂通过，从而可以利用采样电阻获得电流大小。这样操作在PWM波中强制插入采样窗口，影响了逆变的正常控制。而且这种方法不能应用于过调制技术方法中。

针对使用现有技术的电流采样方法PWM波中强制插入采样窗口影响逆变控制的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种电流采样方法与电流采样装置，以解决现有技术中电流采样方法PWM波中强制插入采样窗口影响逆变控制的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电流采样方法，用于测量三相逆变电路的各相逆变电流，该电流采样方法包括：判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；对两个电流采样有效相的电流进行采样；利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算另一相的电流。

进一步地，判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相之后还包括：判断扇区对应的需限制脉宽的相；判断需限制脉宽的相的PWM的脉宽是否大于第一预设值；当需限制脉宽的相的PWM的脉宽大于第一预设值时，减小需限制脉宽的相的PWM脉宽为第二预设值。

进一步地，第一预设值为T_PWM-T_sample，第二预设值不大于T_PWM-T_sample，其中TPWM为PWM波的周期，T_sample为对电流采样需要的时间。

进一步地，判断扇区对应的需限制脉宽的相包括：当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第四扇区时，V相为需限制脉宽的相；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第五扇区时，U相为需限制脉宽的相；当电压矢量处于第三扇区或电压矢量处于第六扇区时，W相为需限制脉宽的相。

进一步地，判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相包括：当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，V相和W相为电流采样有效相；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，U相和W相为电流采样有效相；当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，V相和U相为电流采样有效相。

进一步地，对两个电流采样有效相的电流进行采样包括：对两个电流采样有效相下桥臂连接的采样电阻两端的电压进行采样；根据采样得到的电压值计算得出两个电流采样有效相的电流值。

进一步地，利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流包括：利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值按照基尔霍夫电流定律计算得出另一相的电流。

进一步地，利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值按照基尔霍夫电流定律计算得出另一相的电流包括：当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，I_U=-(I_V+I_W)；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，I_V＝-(I_U+I_W)；当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，I_W＝-(I_V+I_U)，其中，I_U、I_V、I_W分别为U相、V相、W相的电流。

根据本发明的另一方面，提供了一种电流采样装置。该电流采样装置包括：扇区判断模块，用于判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；有效电流采集模块，用于对两个电流采样有效相的电流进行采样；电流计算模块，用于利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流。

进一步地，该电流采样装置还包括：需限制脉宽的相判断模块，用于判断扇区对应的需限制脉宽的相；脉宽比较模块，用于判断需限制脉宽的相的PWM的脉宽是否大于第一预设值；脉宽限制模块，用于当需限制脉宽的相的PWM的脉宽大于第一预设值时，减小需限制脉宽的相的PWM的脉宽为第二预设值。

应用本发明的技术方案，使用本发明实施例的提供的电流采样装置，首先根据电压矢量的扇区判断目前哪两相的下桥臂处于开通状态，也就是当前哪两相的电流通过采样电阻，从而对该两相的电流进行采集，使用电流之间的关系计算得出第三相的电流，从而不需要在三相逆变控制中强制插入采样窗口以创造三相同时具备下桥臂开通的条件，减小了对逆变正常控制的影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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是根据现有技术的三相逆变电路的示意图；

图2是三相逆变电路的电压矢量图；

图3是三相逆变电路的电压矢量扇区判断流程图；

图4是根据本发明实施例的电流采样装置的示意图；

图5是根据本发明实施例的电流采样方法的示意图；

图6A是使用现有技术的电流采样方法的脉宽较窄时的PWM波形图；

图6B是是使用现有技术的电流采样方法的的脉宽较宽时的PWM波形图；

图6C是是使用现有技术的电流采样方法的限制后的PWM波形图；

图7是根据本发明实施例的电流采样方法的减小需限制脉宽的相的PWM脉宽为第二预设值的流程图；

图8是根据本发明实施例的电流采样方法的利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流的流程图；

图9是根据本发明实施例的电流采样方法的第一扇区的PWM波形图；

图10是根据本发明实施例的电流采样方法的第一扇区的电流采样时刻电流流向示意图；

图11是根据本发明实施例的电流采样方法的第二扇区的PWM波形图；

图12是根据本发明实施例的电流采样方法的第二扇区的电流采样时刻电流流向示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

首先对三相逆变电路的控制电压矢量进行介绍，研究逆变电路的电压矢量控制时，电压矢量图是一种通用的简洁的表达方式。图2是三相逆变电路的电压矢量图。如图2所示，U1(100)表示UVW的上桥状态依次为“开关关”，下桥状态为“关开开”，其它电压矢量的表示方法与此类似，如U5（001）表示UVW的上桥状态依次为“关关开”，下桥状态为“开开关”。因此，根据电压矢量的相位θ可将整个矢量区域分为六个扇区，其中，0≤θ<π/3，0≤θ<π/3时为第一扇区，π/3≤θ<2π/3时为第二扇区，2π/3≤θ<π时为第三扇区,5π/3≤θ<4π/3时为第四扇区，4π/3≤θ<5π/3时为第五扇区，5π/3≤θ<2π时为第六扇区。图3是三相逆变电路的电压矢量扇区判断流程图。扇区的判断方法可以按照图3的流程判断，在图中θ为电压矢量的相位，P代表扇区序号。

本发明实施例提供了一种电流采样装置，图4是根据本发明实施例的电流采样装置的示意图，如图4所示，该电流采样装置包括：扇区判断模块41，用于判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；有效电流采集模块43，用于对两个电流采样有效相的电流进行采样；电流计算模块45，用于利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流。其中，扇区判断模块41中判断电压矢量目前所在的扇区的具体方法可以使用图3所示的流程图。

使用本发明实施例的提供的电流采样装置，首先根据电压矢量的扇区判断目前哪两相的下桥臂处于开通状态，也就是当前哪两相的电流通过采样电阻，从而对该两相的电流进行采集，使用电流之间的关系计算得出第三相的电流，而不需要创造三相同时出现下桥臂开通的条件，避免强制插入采样窗口。减小了对逆变正常控制的影响。

进一步地，本发明实施例的电流采样装置还可以包括：需限制脉宽的相判断模块，用于判断扇区对应的需限制脉宽的相；脉宽比较模块，用于判断需限制脉宽的相的PWM的脉宽是否大于第一预设值；脉宽限制模块，用于当需限制脉宽的相的PWM的脉宽大于第一预设值时，减小需限制脉宽的相的PWM的脉宽为第二预设值。其中，第一预设值为T_PWM-T_sample，第二预设值不大于T_PWM-T_sample，其中T_PWM为PWM波的周期，T_sample为对电流采样需要的时间。

根据上述的分析看出，电流采集需要在下桥臂开通的情况下进行，在逆变电路输出电压值要求较高的情况下，控制时相应需要增大PWM波的占空比，然而电流采集也需要一定的时间，随着PWM波占空比的增加，留给电流采集的时间可能不满足电流采集的需要。在现有技术中采用的方式增大电流采样的窗口的宽度，带来的后果是三相的PWM波的占空比都受到限制造成逆变输出电压的最大值降低。在本发明的实现过程中，发明人发现由于电压矢量所在扇区的不同，每相的PWM占空比不同，也就是说，在每个扇区只有两相的PWM需要达到最大的占空比，而且两相中的一相还可以不需要电流采集而使用上述的计算方法得出，从而本实施例首先查找当前扇区对应的PWM波占空比最大的相，也就是需要限制脉宽的一相，比较此时的脉宽是否满足电流采样时间的要求，在不满足的情况下，限制该相脉宽，而对不需要采集电流的那一相不做限制，使该相占空比甚至可以达到100%。从而保证了输出电压的最大值可以达到理论计算值。

本发明实施例还根据电压矢量的不同扇区的PWM波的性质，将每个扇区的电流采样有效相和需限制脉宽的相制作为对应表，表1是根据本发明实施例的电流采样装置的各扇区的电流采样控制方式对应表。

表1各扇区电流采样控制方式

从表1中可以看出，当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第四扇区时，V相为需限制脉宽的相；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第五扇区时，U相为需限制脉宽的相；当电压矢量处于第三扇区或电压矢量处于第六扇区时，W相为需限制脉宽的相。当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，V相和W相为电流采样有效相；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，U相和W相为电流采样有效相；当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，V相和U相为电流采样有效相。

电流计算模块45利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流具体可以包括：利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值按照基尔霍夫电流定律计算得出另一相的电流，也就是三相的电流是从一个节点流入或流出的，符合基尔霍夫电流定律。当压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，U相电流I_U=-(I_V+I_W)；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，V相电流I_V=-(I_U+I_W)；当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，W相电流I_W=-(I_V+I_U)。

有效电流采集模块43对所述两个电流采样有效相的电流进行采样可以具体为：对所述两个电流采样有效相下桥臂连接的采样电阻两端的电压进行采样；根据采样得到的电压值计算得出两个电流采样有效相的电流值。

本发明实施例还提供了一种电流采样方法，该电流采样方法可以通过本发明上述实施例所提供的任一种电流采样装置来执行，并且，该电流采样方法可以应用于包括以上电流采样装置的三相逆变电路，图5是根据本发明实施例的电流采样方法的示意图，该电流采样方法包括：

步骤S51，判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；

步骤S51，对两个电流采样有效相的电流进行采样；

步骤S53，利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流。

本发明实施例的电流采样方法在步骤S51之后还可以包括：判断扇区对应的需限制脉宽的相；判断需限制脉宽的相的PWM的脉宽是否大于第一预设值；当需限制脉宽的相的PWM的脉宽大于第一预设值时，减小需限制脉宽的相的PWM脉宽为第二预设值。其中，第一预设值为T_PWM-T_sample，第二预设值不大于T_PWM-T_sample，其中T_PWM为PWM波的周期，T_sample为对电流采样需要的时间。

具体地，判断扇区对应的需限制脉宽的相可以包括：当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第四扇区时，V相为需限制脉宽的相；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第五扇区时，U相为需限制脉宽的相；当电压矢量处于第三扇区或电压矢量处于第六扇区时，W相为需限制脉宽的相。

判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相可以包括：当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，V相和W相为电流采样有效相；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，U相和W相为电流采样有效相；当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，V相和U相为电流采样有效相。

步骤S55可以包括：利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值按照基尔霍夫电流定律计算得出另一相的电流。具体为当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，I_U=-(I_V+I_W)；当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，I_V=-(I_U+I_W)；当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，I_W=-(I_V+I_U)，其中，I_U、I_V、I_W分别为U相、V相、W相的电流。

步骤S53的采样方法可以为：对两个电流采样有效相下桥臂连接的采样电阻两端的电压进行采样；根据采样得到的电压值计算得出两个电流采样有效相的电流值。

以下分别对本实施例的电流采样方法的一种具体优选方式结合附图与纤有技术的电流采样方法进行比较说明。

对现有技术中的电流采样方法，以电压矢量在第一扇区时的情况为例分析，图6A是使用现有技术的电流采样方法的脉宽较窄时的PWM波形图，图6B是是使用现有技术的电流采样方法的的脉宽较宽时的PWM波形图，图6C是是使用现有技术的电流采样方法的限制后的PWM波形图。在图6A中可以看出在PWM的占空比较小时，PWM波可以保证为电流采样窗口留下足够的电流采样时间，而当脉宽变大时，PWM波形会变为图6B所示，U相和V相的PWM波中电流采样时间已经不能满足电流采样的要求了。为使图示时刻满足电流采样要求，当脉宽变大时，在采样时间内强制将三个上桥臂关断，修正后的PWM波形如图6C所示。这种方式满足了电流采样，但是U相和V相的PWM信号脉宽最大只能达到T_PWM-T_sample，这里的T_PWM为PWM周期，T_sample为电流采样所需要的时间，占空比最大不能达到100%，影响了最大输出电压矢量的幅值。

本实施例的电流采样方法，判断电压矢量所在的扇区，根据表1限制需限制PWM脉宽的相的脉宽，采集电流有效的相的电流，通过计算公式计算另外一相电流。

其中，判断电压矢量所在的扇区可以使用如图3所示流程判断电压矢量作在扇区，P表示电压矢量所在的扇区。

根据表1限制需限制PWM脉宽的相的脉宽，可以如图7所示的流程进行。图7是根据本发明实施例的电流采样方法的减小需限制脉宽的相的PWM脉宽为第二预设值的流程图。在图中T_PWM为PWM载波的周期，T_sample为电流采样所需要的时间，P为电压矢量所在的扇区。

采样电流采样有效相电流，并计算另一相电流的步骤可以使用如图8所示流程。图8是根据本发明实施例的电流采样方法的利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流的流程图。图中P为电压矢量所在扇区，Iu、Iv、Iw分别为U、V、W相的电流，完成电流采样。

使用本实施例的电流采样方法，任何时刻只采样两相电流，另外一相电流通过节点定理来计算，采样时刻只需要对其中的一相PWM信号脉宽进行限制，而另一相的脉宽可以达到100%，从而提高了最大电压矢量的幅值。

图9是根据本发明实施例的电流采样方法的第一扇区的PWM波形图，如图9所示，当V相PWM信号脉宽大于T_PWM-T_sample时，将脉宽限制在T_PWM-T_sample，而U相和W相不作限制。

图10是根据本发明实施例的电流采样方法的第一扇区的电流采样时刻电流流向示意图，V相和W相电流信号直接从RS2和RS3上采集，U相电流由公式I_U=-(I_V+I_W)计算。电流采样时刻，当U相PWM波脉宽增大接近100%时，U相电流从G1流过，其它情况从G2流过。

图11是根据本发明实施例的电流采样方法的第二扇区的PWM波形图，如图11所示，当U相PWM信号脉宽大于T_PWM-T_sample时，将脉宽限制在T_PWM-T_sample，而V相和W相不作限制。

图12是根据本发明实施例的电流采样方法的第二扇区的电流采样时刻电流流向示意图。在第二扇区，U相和W相电流信号直接从RS1和RS3上采集，V相电流由公式I_V=-(I_U+I_W)计算。电流采样时刻，当V相PWM脉宽加大接近为100%时，V相电流从G3流过，其它情况从G4流过。

运用本发明提出的采样控制方法，采样时刻桥臂只需同时有两个下桥臂导通即可实现采样，因此不用同时对三相PWM作限制。线性调制区，电压可以100%输出，过调制区只需要对一相PWM脉宽作限制，最大限度的提高了输出电压。

应用本发明的技术方案，使用本发明实施例的提供的电流采样装置，首先根据电压矢量的扇区判断目前哪两相的下桥臂处于开通状态，也就是当前哪两相的电流通过采样电阻，从而对该两相的电流进行采集，使用电流之间的关系计算得出第三相的电流，而不需要创造三相同时出现下桥臂开通的条件，而对强制插入采样窗口。减小了对逆变正常控制的影响。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

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。

Claims (7)

1.一种电流采样方法，用于测量三相逆变电路的各相逆变电流，其特征在于，包括：

判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；

判断所述扇区对应的需限制脉宽的相；

判断所述需限制脉宽的相的PWM的脉宽是否大于第一预设值；

当所述需限制脉宽的相的PWM的脉宽大于第一预设值时，减小所述需限制脉宽的相的PWM脉宽为第二预设值；

对所述两个电流采样有效相的电流进行采样；

利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算另一相的电流，

其中，第一预设值为T_PWM-T_sample，第二预设值不大于T_PWM-T_sample，其中T_PWM为PWM波的周期，T_sample为对电流采样需要的时间。

2.根据权利要求1所述的电流采样方法，其特征在于，判断所述扇区对应的需限制脉宽的相包括：

当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第四扇区时，V相为需限制脉宽的相；

当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第五扇区时，U相为需限制脉宽的相；

当电压矢量处于第三扇区或电压矢量处于第六扇区时，W相为需限制脉宽的相。

3.根据权利要求1所述的电流采样方法，其特征在于，判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相包括：

当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，V相和W相为电流采样有效相；

当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，U相和W相为电流采样有效相；

当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，V相和U相为电流采样有效相。

4.根据权利要求1所述的电流采样方法，其特征在于，对所述两个电流采样有效相的电流进行采样包括：

对所述两个电流采样有效相下桥臂连接的采样电阻两端的电压进行采样；

根据采样得到的电压值计算得出两个电流采样有效相的电流值。

5.根据权利要求1所述的电流采样方法，其特征在于，利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流包括：利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值按照基尔霍夫电流定律计算得出另一相的电流。

6.根据权利要求5所述的电流采样方法，其特征在于，利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值按照基尔霍夫电流定律计算得出另一相的电流包括：

当电压矢量处于第一扇区或电压矢量处于第六扇区时，I_U＝-(I_V+I_W)；

当电压矢量处于第二扇区或电压矢量处于第三扇区时，I_V＝-(I_U+I_W)；

当电压矢量处于第四扇区或电压矢量处于第五扇区时，I_W＝-(I_V+I_U)，其中，I_U、I_V、I_W分别为U相、V相、W相的电流。

7.一种电流采样装置，其特征在于，包括：

扇区判断模块，用于判断电压矢量目前所在的扇区以及该扇区对应的两个电流采样有效相；

需限制脉宽的相判断模块，用于判断所述扇区对应的需限制脉宽的相；

脉宽比较模块，用于判断所述需限制脉宽的相的PWM的脉宽是否大于第一预设值；

脉宽限制模块，用于当所述需限制脉宽的相的PWM的脉宽大于第一预设值时，减小所述需限制脉宽的相的PWM的脉宽为第二预设值；

有效电流采集模块，用于对所述两个电流采样有效相的电流进行采样；

电流计算模块，用于利用采样得到的两个电流采样有效相的电流值计算得出另一相的电流，

其中，第一预设值为T_PWM-T_sample，第二预设值不大于T_PWM-T_sample，其中T_PWM为PWM波的周期，T_sample为对电流采样需要的时间。