CN108199633B - 高pwm开关频率下相电流重构误差的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法，所述方法步骤如下：一、先将带有通孔的单电流传感器安装在永磁同步电机功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接，此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流；二、采用空间矢量脉宽调制算法，在一个PWM周期内，将原本位于两个零电压矢量中间时刻的电流采样点延时一定时间进行采样，根据延时采样得到的采样值利用零电压矢量采样法的基本原理重构出三相绕组电流。本发明采用延时采样法来抑制高PWM开关频率引起的电流重构误差，提高了电流重构精度，改善了永磁同步电机控制系统的性能。

Description

高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及一种抑制高PWM开关频率下的相电流重构误差的方法。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)相比其他电机具有高可靠性、高功率密度、高控制精度等优点，故其在数控机床、机器人伺服控制、电动汽车、军用武器、深水伺服系统以及航空航天等领域得到了飞速的发展。
单电流传感器技术是一种低成本的永磁同步电机驱动技术，其基本原理是采用一个电流传感器重构出电机三相绕组电流，进而实现电机的矢量控制。采用这种技术，驱动器的体积和成本均得以降低，且减少了传感器附加引线，避免了由于电流传感器采样差异所带来的扰动。
然而，随着开关频率的升高，由于最小采样时间的限制，电流重构盲区增大，电机的有效工作区域减小。同理，随着PWM频率的升高，PWM周期持续时间减小，且最小采样时间Tmin是一个固定不变的值，所以将会产生一定的相电流重构误差。因此，若能抑制这种由高PWM开关频率引起的电流重构误差，对改善整个电机控制系统的性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法，该方法采用延时采样法来抑制高PWM开关频率引起的电流重构误差，提高了电流重构精度，改善了永磁同步电机控制系统的性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法，包括如下步骤：
一、先将带有通孔的单电流传感器安装在永磁同步电机功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接，此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流；
二、采用空间矢量脉宽调制算法，在一个PWM周期内，将原本位于两个零电压矢量中间时刻的电流采样点延时一定时间进行采样，即：首先根据电路参数和PWM频率利用查表的方法得到所需的延时采样时间间隔td，然后在PWM中断程序中嵌入定时器中断，定时时长等于td，从而使得电流采样点滞后；最后根据延时采样得到的采样值利用零电压矢量采样法的基本原理重构出三相绕组电流。
本发明具有如下优点：
1、本发明提供了一种新型拓扑的单电流传感器技术，与传统方法不同的是，单电流传感器不是安装在直流母线上，而是安装在逆变器的两条支路上，采样两条支路的和电流。电机的控制算法采用空间矢量脉宽调制算法(SVPWM)，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，可以得到两个不同相的电流信息，进而重构出电机的三相电流。
2、本发明采用延时采样法来抑制高PWM开关频率引起的电流重构误差，即将原本位于两个零电压矢量中间时刻的电流采样点延时一定时间进行采样，提高了电流重构精度，改善了永磁同步电机控制系统的性能。
附图说明
图1为单电流传感器的安装位置；
图2为单电流传感器的采样点；
图3为两个零电压矢量作用时间内的电流采样结果，(a)零电压矢量V0(100)，(b)零电压矢量V7(111)；
图4为不同PWM频率下单电流传感器输出波形，(a)PWM开关频率为5kHz时的电流传感器输出波形，(b)PWM开关频率为20kHz时的单电流传感器输出波形；
图5为隔离型霍尔电流传感器的电路原理图，Hall_U1为单电流传感器，CA1、CA2、CA3为电容；
图6为电流传感器输出到数字信号处理器(DSP)之间的信号处理电路，UA1为运算放大器，RA1、RA2、RA3为电阻，CA1、CA2、CA3为电容；
图7为二阶RC滤波器示意图，R1和R2为电阻，C1和C2为电容；
图8为延时采样法原理图；
图9为延时采样法程序流程图；
图10为采用延时采样法前后的重构相电流和误差实验结果，(a)fs＝5KHz，误差补偿前；(b)fs＝10KHz，误差补偿前；(c)fs＝20KHz，误差补偿前；(d)fs＝5KHz，误差补偿后；(e)fs＝10KHz，误差补偿后；(f)fs＝20KHz，误差补偿后。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法，所述方法具体实施步骤如下：
如图1所示，先将带有通孔的单电流传感器安装在功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接。此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流。
如图2所示，位于一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻，电流采样点固定，两次的电流采样结果分别为ic和ib+ic，即-ia，如图3所示。再根据ia+ib+ic＝0，便可以重构出电机的三相电流。
由图4可以明显地看出：单电流传感器的输出波形随着PWM频率的上升发生畸变，之前近似方波信号的电流传感器输出波形变得不再平底，具有明显的上升时间和下降时间。这是因为信号的上升和下降时间随着PWM周期的不断减小而变得不可忽视。在开关频率升高以后，单电流传感器的输出波形存在明显的相移。以图4(b)为例，此时若在零电压矢量V0(000)的中间时刻进行采样，将导致采样得到的绕组相电流具有一定误差。
分析导致这种相位延时的影响因素，首先从传感器本身及其后续滤波电路出发。图5为隔离型霍尔电流传感器的电路原理图，图6为电流传感器输出到数字信号处理器(DSP)之间的信号处理电路，由图5和图6可知，该电路采用一个有源二阶RC滤波器，滤除掉电流传感器输出信号中的高频噪声，得到较为光滑的曲线，但是会引起信号的滞后延时。
图7为一个简化的二阶RC滤波器，利用拉普拉斯变化推导出该滤波器的传递函数如下式所示：
Figure BDA0001541966650000051
式中，R1和R2为电阻，C1和C2为电容，H(s)为传递函数，s为拉普拉斯变换中的复变量，Uo(s)和Ui(s)分别为输出与输入信号的传递函数。
另一个导致电流传感器输出相位延时的因素是电机本体参数及逆变器的换相续流过程。电机本身的电路参数会对电流传感器的输出产生一定的滞后作用，且电流相对于电压的相位延时会随着PWM开关频率的增加而增加。
图8为抑制高PWM开关频率引起的电流重构误差的方法原理图，采用延时采样法。由于传感器本身及其后续滤波电路，传感器输出波形将存在一定的延时滞后，当PWM开关频率升高之后，电流信号相对于给定电压矢量信号的相位延时会增大，若电流采样点仍然位于零电压矢量的中间时刻，则会产生采样误差，使得重构结果不准确，影响电机的运行性能，因此需要对这种误差进行补偿处理。本发明采用延时采样法来抑制高PWM开关频率引起的电流重构误差，即将原本位于两个零电压矢量中间时刻的电流采样点延时一定时间进行采样。延时采样的时间间隔记为td，根据上文分析，该延时由滤波延时和电机本体参数延时组成，记为tfd和tpd，且两者大小均与PWM频率呈正相关的关系。表达式如下所示：
td＝tfd+tpd。
因为td的大小与电机本体参数和滤波电路参数有关，且这些参数在固定的电机控制系统中基本保持不变，所以采用提前测量延时得到不同PWM频率下的延时时长可以有效补偿掉重构误差。延时采样法的程序流程图如图9所示，首先根据电路参数和PWM频率利用查表的方法得到所需的延时采样时间间隔td，然后在PWM中断程序中嵌入定时器中断，定时时长等于td，从而使得电流采样点滞后。最后根据延时采样得到的采样值利用零电压矢量采样法的基本原理重构出三相绕组电流。
从图10中可以明显的看出，随着PWM频率的升高，重构得到的相电流与实际相电流相比误差逐渐增加，这是因为PWM频率升高导致的单电流传感器输出的非平底性以及电流信号滞后，该结果验证了上文的误差分析，同时也能间接证明随着PWM频率升高，相电流重构盲区越来越大。在应用相位延时法之后，可以明显看出重构出的A相绕组电流的波形畸变率降低，正弦性变好，相电流重构误差得到明显降低，这验证了该延时采样算法的有效性。
综上，延时采样法可以有效解决高PWM开关频率所带来的相电流重构误差，提高了电流重构精度，提升了电机的运行性能。

Claims (2)

1.一种高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、先将带有通孔的单电流传感器安装在永磁同步电机功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将该支路穿过单电流传感器的通孔再重新连接，此时单电流传感器采样的是两条支路的和电流，具体的，功率管Q4与Q6之间的支路为三相全桥逆变器B相与C相下桥臂之间的支路，功率管Q1和Q3之间的支路为三相全桥逆变器A相与B相上桥臂之间的支路；
二、采用空间矢量脉宽调制算法，在一个PWM周期内，将原本位于零电压矢量V0(000)中间时刻的电流采样点以及位于零电压矢量V7(111)中间时刻的电流采样点均延时一定时间进行采样，即：首先根据电路参数和PWM频率利用查表的方法得到所需的延时采样时间间隔td，然后在PWM中断程序中嵌入定时器中断，定时时长等于td，从而使得电流采样点滞后；最后根据延时采样得到的采样值利用零电压矢量采样法的基本原理重构出三相绕组电流。
2.根据权利要求1所述的高PWM开关频率下相电流重构误差的抑制方法，其特征在于所述延时采样时间间隔td的表达式如下所示：
td＝tfd+tpd，
式中，tfd为滤波延时，tpd为电机本体参数延时。
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