CN111293948B - 母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法 - Google Patents

母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法，包括三相桥式逆变器电路以及母线电流检测单元，该调制方法包括如下步骤：生成初始相位；对初始时刻进行检验；由PWM初始相位的上升沿位置确定采样时刻；对直流母线电流值进行采样；根据式ia+ib+ic＝0，求出第三相电流ib的大小。本发明中通过分析可能影响电流稳定的相关因素，设置合理的采样延时，保证了直流母线电流采样的准确性。

Description

母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法
技术领域
本申请涉及一种电流采样技术，具体涉及永磁同步电动机的电机相电流的检测领域。
背景技术
永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有功率密度高、调速范围宽以及动态响应快等诸多优点，广泛应用于伺服驱动、电动汽车等领域。而在永磁同步电机驱动系统中，电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)因其良好的静态和动态性能，成为现有永磁同步电机伺服系统的主要控制方式。电机相电流是矢量控制系统和保护策略的关键参数，准确的检测电机相电流对提高控制系统性能具有重要意义。一般情况下，为了获得相电流信息，往往使用两个以上的采样电阻或电流传感器来采集电流信息。但是，这样的设计增加了电机驱动器的电路复杂程度，提高了生产成本。为了节约成本，简化电路，缩小体积，母线电流采样技术越来越受到重视。
母线电流采样必须在非零基本电压矢量单独作用时才能获得电流信息。但是，在传统的SVPWM调制方式下，会出现基本电压矢量作用时间过短而无法观测到相电流的情况。这些不可观测区域的存在，导致了无法在整个电压空间矢量六边形区域内重构出三相电流。针对传统的SVPWM调制方式与母线电流采样不兼容的问题，现有的解决方案大致可分为两类：移相法和测量矢量插入法。但是这两类方法的缺点表现在：1、移相法通过移动PWM波形的方法来增大电流的可观测区域，但这种方法仍可能出现移相后的电压矢量作用时间小于最小采样时间的情况，可观测范围有限。2、测量矢量插入法是通过在SVPWM周期内插入一个额外基本电压矢量，用以测量相电流信息。但是也增加了开关次数，加大了开关损耗，并且引入了高频谐波。
因此，有必要研究一种新的母线电流检测方法，以克服上述问题。
发明内容
为克服传统的母线电流采样技术存在的问题，本申请提出一种母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法。
本发明的技术方案为：一种母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法，包括三相桥式逆变器电路以及母线电流检测单元，该调制方法包括如下步骤：
步骤一、生成初始相位：在三路PWM的一个周期TS内随机选取三个PWM的上升沿时刻Ta，Tb，Tc作为初始相位；
步骤二、对初始时刻进行检验：在确定初始相位后，对随机选取的三个时刻Ta，Tb，Tc进行检验，若Ta-Tb，Tb-Tc，Ta-Tc中任何一个小于最小采样时间Tmin，则重复步骤一；
最小采样时间为Tmin，满足如下公式：
Tmin＝Ton+Tdb+Trise+Tsr+Tcon
上述公式中，Ton为IGBT导通时间、Tdb为PWM死区时间，Trise为电流上升时间，Tcon为A/D转化时间，Tsr为采样电路运放器摆率；
步骤三、由PWM初始相位的上升沿位置确定采样时刻：对采样的时刻给予一定的延时Tdelay，延时满足如下公式：
Tdelay＝Trise+Tsr
第一次采样时刻Tsample1＝(Ta+Tb)/2+Tdelay；
第二次采样时刻Tsample2＝(Ta+Tc)/2+Tdelay。
Ta、Tb和Tc分别为三相PWM上升沿时刻，Trise为电流上升时间，Tsr为采样电路运放器摆率；
步骤四、对直流母线电流值进行采样：分别进行两次采样：第一次采样和第二次采样数据分别为S1th和S2th，则直流母线电流检测单元的采样值Va、Vc的实际值应为Va＝S1th-offset，Vc＝S2th-offset；通过如下公式可求出实际相电流：
ia＝GVa＝G(S1th-offset)
ic＝-GVc＝-G(S2th-offset)
G为直流母线电流检测单元的增益，offset为设定的电流偏置；
步骤五、根据式ia+ib+ic＝0，求出第三相电流ib的大小。
进一步的，母线电流采样电路安装在三相桥式逆变器的高边或低边。
进一步的，上升沿时刻Ta，Tb，Tc满足如下关系：
(1)三个时刻出现PWM周期内的任意非对称位置；
(2)PWM的上升沿时刻距离周期结束的时间大于占空比TA，TB，TC。
同时，本发明还提出了一种计算机程序存储介质，其上存储程序，该程序用于执行母线电流非对称脉冲宽度调制及采样功能，程序包括如下步骤：
步骤一、输入三路PWM的占空比TA、TB、TC，计算计数器应计次数CTRx(x为A、B、C)，CTRx(x为A、B、C)为CTRA＝TA×PRD、CTRB＝TB×PRD、CTRC＝TC×PRD，PRD为设定的预定值；
步骤二、每路PWM的上升沿时刻与下降沿时刻分别由动作寄存器的值COMPAx(x为a、b、c)以及COMPBx(x为a、b、c)决定，当计数器计数达到COMPA时，上升沿产生；当计数器计数达到COMPB时，下降沿产生；COMPAx满足如下公式：
Figure GDA0003743615880000031
步骤三、生成初始相位：在0到PRD-CTRx的范围内随机产生一个正整数赋予COMPAx(x为a、b、c)确定PWM的上升沿的位置，即确定PWM的初始相位；
COMPBx(x为a、b、c)根据如下公式求得：COMPBx＝COMPAx+CTRx；
步骤四、判断三路PWM中任意两路的初始相位之差是否小于Cmin，如满足下述条件，则重复步骤三；如不满足条件，则执行步骤五；
|CompAa-CompAb|≤Cmin|||CompAb-CompAc|≤Cmin|||CompAa-CompAc|≤Cmin
Cmin根据如下公式求得：
Figure GDA0003743615880000032
步骤五：确定COMPBx，并输出COMPAx和COMPBx值。
进一步的，还包括步骤六：利用母线电流采样单元进行直流母线电流采样，获得a、c相实际电流ia、ic。
进一步的，还包括步骤七：根据公式ia+ib+ic＝0，求出第三相电流ib。
本发明的设计带来了如下有益的技术效果：
一、相较与传统的SVPWM调制方法，本发明通过随机确定PWM初始相位的方法产生非对称的PWM调制波形，在PWM周期内，使非零基本电压矢量单独作用的时间大于最小采样时间，从而解决了传统SVPWM调制无法兼容直流母线采样的问题。直流母线采样非对称脉宽调制方法未改变原PWM的占空比，保持了SVPWM良好的动静态特性，在此调制方法下的合成电压矢量V＇ref与原合成电压矢量Vref保持一致，不会对控制系统性能产生影响。
二、与现有的解决方案相比，发明的母线采样非对称脉宽调制方法通过第一步较验，排除了PWM波形不完整的情况；通过第二步检验舍去无效母线采样非对称脉冲宽度调制波形并重新确定初始相位，避免了不可观测区域的出现，能够在整个电压矢量空间内重构出三相电流，解决了可观测范围受限的问题。该调制方法未改变开关次数，没有增加开关损耗，减少了谐波的引入。
三、基于母线采样非对称脉宽调制方法本发明所提出的电流采样和重构策略，通过分析可能影响电流稳定的相关因素，设置合理的采样延时，保证了直流母线电流采样的准确性。
附图说明
图1永磁同步电机母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法控制系统；
图2母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法流程图；
图3a-3b直流母线电流检测电路；
图4a-4b电压矢量V1(100)和V2(110)作用时电流路径；
图5第1扇区PWM与直流母线电流；
图6实际电流与理想电流；
图7a-7b不可观测区域示意图；
图8SVPWM调制方式下不可观测区域PWM波形；
图9母线采样非对称脉冲宽度调制方法PWM波形；
图10母线电流与采样时刻；
图11母线电流非对称脉冲宽度调制及采样原理流程图；
图12PWM发波示意图；
图13COMPx取值范围；
图14算法流程图。
具体实施例
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法具有控制系统，控制系统包括如图1所示的电路连接，以及如图2所示的母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法流程图，在直流母线采样相电流重构技术中，通过将电流检测单元安装在直流母线上，以获得直流母线上的电流信息。
另外，如图3a-3b所示，电流检测单元既可安装在三相桥式逆变器的高边，也可安装在低边。直流母线瞬时电流与电机的相电流之间的关系取决于逆变器的开关状态，即在不同的基本电压矢量作用下直流母线电流与电机的相电流的关系不同，高低两边流过的电流与相电流的关系也不相同。
例如，在第一扇区，V1(100)和V2(110)为该扇区的两个非零基本电压矢量。当V1(100)作用时，VT1以及VT4导通，VT3，VT5和VT6关断，电机A相电流ia流过了直流母线，此时的直流母线电流idc与电机A相电流相等，idc＝ia，如图4a所示。V2(110)作用时，VT1，VT2以及VT3导通，VT4，VT5和VT6关断，流过直流母线的为电机A相电流ia和电机B相电流ib，此时的直流母线电流idc＝ia+ib，如图4b所示。由于电机三相电流ia、ib、ic的关系为：
ia+ib+ic＝0 (1)
V2(110)作用时，实际流过直流母线的电流为：
idc＝-ia-ib＝ic (2)
因此，在每个非零基本电压矢量单独作用时进行直流母线电流采样，即一个PWM周期内采样两次，可得到两相电流信息。
由此可推断出不同基本电压矢量作用时直流母线电流与电机相电流的关系，如表1。
表1直流母线电流与电机相电流的关系
Figure GDA0003743615880000051
在传统的SVPWM调制方式下，一个扇区内，分别有两个非零基本矢量和两个零矢量共同作用。以第1扇区为例，在一个PWM周期内，当两个零矢量作用时，逆变电流只有上桥臂导通或只有下桥臂导通，直流母线的电流为零；当两个非零矢量作用时，直流母线就会有电流流过，此时在直流母线上可以测得电流信息，如图5所示。
由于PWM是对称的，将前半周期作为分析对象，两个非零矢量的作用时间分别为Tsig1和Tsig2，在这两个时间段内可以对直流母线电流进行采样可得到B相电流值ia和C相电流的负值-ic。
在实际电路中，由于IGBT导通时间Ton、PWM死区时间Tdb以及AD转换时间的存在，直流母线在桥臂导通时并不能立即出现电流，又因为电流上升时间Trise和采样电路运放器摆率Tsr的存在，母线电流不能立即稳定，往往需要一定的时间，如图6所示。
综上所述，为实现电流信息的精准采样，必须给予采样过程时间上的保证。因此，将能采样到准确电流信息的最低时间定义为最小采样时间Tmin，
Tmin＝Ton+Tdb+Trise+Tsr+Tcon (3)
Tcon为A/D转化时间。
当Tsig1≤Tmin或Tsig2≤Tmin情况时，由于PWM占空比接近，开关状态维持时间太短，无法测量到准确的电流信息，故将在扇区内出现这种情况的区域称为不可观测区域，如图7所示。
综上可知，传统SVPWM调制方式存在不可观测区域，无法兼容直流母线采样，不能在整个电压矢量空间重构相电流。因此，传统的SVPWM调制方式不能完全进行母线电流采样。
对传统SVPWM调制方式进行分析，以第一扇区为例，图8所示的是在传统SVPWM调制方式下该扇区内不可观测区域各基本电压矢量的作用时间。可以看到，图8中基本电压矢量V1的作用时间T1很短，小于最小采样时间。令该扇区的合成电压为Vref，作用时间为Ts，则：
VrefTs＝V1T1+V2T2 (4)
这样的采样，改变了原电压合成矢量的大小和方向，对电机控制系统产生影响。
在上述的基础上，针对对称脉冲宽度调制方法进行改进，设计一种非对称脉冲宽度调制方法。首先，随机确定三路PWM上升沿位置，即初始相位。设三路PWM上升沿时刻分别为Ta，Tb，Tc，在PWM周期TS内随机选取三个时刻作为Ta，Tb，Tc，这样三路PWM可以出现在周期内的任意位置，而不是传统SVPWM的对称形式，可以增大基本电压矢量的作用时间。但是如果PWM的初始相位出现在周期末端，会出现周期结束时，PWM波还没有完全发出的情况。为了保证PWM波形的完整性，必须保证PWM的上升沿时刻距离周期结束大于占空比TA，TB，TC。
其次，虽然三路PWM的位置随机，但仍有几率出现电压矢量作用时间过短的情况，所以在确定初始相位后，还要进行一次检验，若Ta-Tb，Tb-Tc，Ta-Tc中任何一个小于最小采样时间均不符合要求，都需要重新选取初始相位，直到合适为止图9为第一扇区内母线采样非对称脉冲宽度调制方法PWM波形。
如图9所示非对称的PWM势必会引入该扇区之外的电压矢量，如V3。如过该矢量改变了原来的合成电压矢量，势必会对控制系统产生影响。令该扇区的合成电压为V’ref，则有
Figure GDA0003743615880000061
其中T’1，T’2，T’3，T’0和T’7分别是母线采样非对称脉冲宽度调制方式下电压矢量V1，V2，V3，V0和V7的作用时间，Tmov1，Tmov2和Tmov3分别是三路PWM与原波形的相位差。
由式(5)可知，非对称脉冲宽度调制方法并没有改变原电压合成矢量的大小和方向，未对电机控制系统产生影响。
由于重构三相电压至少要获得两相电流信号，所以在一个PWM周期内必须对直流母线采样两次，如图12所示，T1、T2和T3分别为三相PWM上升沿时刻。
理论上应在T1和T2中间时刻进行采样比较合理，因为在中间时刻采样避免了IGBT导通和死区时间的影响，但是根据前面的分析可知，受到电流上升阶段以及运放器件的摆率的影响，电流稳定依然需要一段需要时间，所以为了排除这种影响，给予采样时刻一定的延时。
Tdelay＝Trise+Tsr (6)
第一次采样时刻Tsample1＝(T1+T2)/2+Tdelay；
第二次采样时刻Tsample2＝(T1+T3)/2+Tdelay。
为了区分电流极性，设定一个电流偏置offset。如图10，设两次采样结果的数据分别为S1th和S2th，直流母线电流检测单元的采样值Va，Vc的实际值应为Va＝S1th-offset，Vc＝S2th-offset。由此可求出实际相电流：
ia＝GVa＝G(S1th-offset)
ic＝-GVc＝-G(S2th-offset) (7)
G为直流母线电流检测单元的增益。已测得两相电流，即可根据式(1)求得第三相电流，该方法的具体流程如图11所示。
在具体实施中，采用TMS320F28X系列的数字信号处理器(DSP)作为基础平台进行直流母线电流采样，采用非对称脉宽调制的方法进行。DSP的PWM产生机理如图12所示，每当一个系统时钟产生，计数器进行一次计数。当计数从零开始达到预定值PRD时，计数器重新清零，即为一个PWM周期。每路PWM的上升沿时刻与下降沿时刻分别由动作寄存器的值COMPAx(x为a、b、c)以及COMPBx(x为a、b、c)决定，当计数器计数达到COMPA时，上升沿产生；当计数器计数达到COMPB时，下降沿产生。
若三路PWM的占空比分别为TA、TB、TC，则计数器应计次数CTRx(x为A、B、C)为：CTRA＝TA×PRD、CTRB＝TB×PRD、CTRC＝TC×PRD。为了避免出现一个周期内不完整的情况，上升沿随机位置应距离PWM周期结束的时间大于CTRx(x为A、B、C)，如图13。
故
Figure GDA0003743615880000071
即为了避免此类情况，必须在0到PRD-CTRx的范围内随机产生一个正整数赋予COMPAx(x为a、b、c)确定PWM的上升沿的位置，也就是PWM的初始相位。同时可得到COMPBx(x为a、b、c)：
COMPBx＝COMPAx+CTRx (9)
为方便判断不可观测区，将式(3)中，最小采样时间Tmin等效为一个PWM周期内计数器的计数次数Cmin，求得：
Figure GDA0003743615880000072
当三路PWM中任意两路的初始相位之差小于Cmin，如式(11)，都会造成非零基本电压矢量作用时间过短而无法采样到相电流的情况，即所谓的出现不可观测区域。
|CompAa-CompAb|≤Cmin|||CompAb-CompAc|≤Cmin|||CompAa-CompAc|≤Cmin (11)
显然，此时与母线采样非对称脉冲宽度调制方法的预期效果是相违背的。但是由于PWM的初始相位是随机的，这种情况出现不可避免，故将此类情况定义为无效母线采样非对称脉冲宽度调制波形，将此次COMPAx舍去，重新随机选取，直到不满足式(11)为止，上述算法流程如图14所示。

Claims (6)

1.一种母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法，包括三相桥式逆变器电路以及母线电流检测单元，其特征在于：该调制方法包括如下步骤：
步骤一、生成初始相位：在三路PWM的一个周期TS内随机选取三个PWM的上升沿时刻Ta，Tb，Tc作为初始相位；
步骤二、对初始时刻进行检验：在确定初始相位后，对随机选取的三个时刻Ta，Tb，Tc进行检验，若Ta-Tb，Tb-Tc，Ta-Tc中任何一个小于最小采样时间Tmin，则重复步骤一；
最小采样时间为Tmin，满足如下公式：
Tmin＝Ton+Tdb+Trise+Tsr+Tcon
上述公式中，Ton为IGBT导通时间、Tdb为PWM死区时间，Trise为电流上升时间，Tcon为A/D转化时间，Tsr为采样电路运放器摆率；
步骤三、由PWM初始相位的上升沿位置确定采样时刻：对采样的时刻给予一定的延时Tdelay，延时满足如下公式：
Tdelay＝Trise+Tsr
第一次采样时刻Tsample1＝(Ta+Tb)/2+Tdelay；
第二次采样时刻Tsample2＝(Ta+Tc)/2+Tdelay；
Ta、Tb和Tc分别为三相PWM上升沿时刻，Trise为电流上升时间，Tsr为采样电路运放器摆率；
步骤四、对直流母线电流值进行采样：分别进行两次采样：第一次采样和第二次采样数据分别为S1th和S2th，则直流母线电流检测单元的采样值Va、Vc的实际值应为Va＝S1th-offset，Vc＝S2th-offset；通过如下公式可求出实际相电流：
ia＝GVa＝G(S1th-offset)
ic＝-GVc＝-G(S2th-offset)
G为直流母线电流检测单元的增益，offset为设定的电流偏置；
步骤五、根据式ia+ib+ic＝0，求出第三相电流ib的大小。
2.根据权利要求1所述的母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法，母线电流采样电路安装在三相桥式逆变器的高边或低边。
3.根据权利要求1所述的母线电流采样非对称脉冲宽度调制方法，上升沿时刻Ta，Tb，Tc满足如下关系：
(1)三个时刻出现PWM周期内的任意非对称位置；
(2)PWM的上升沿时刻距离周期结束的时间大于占空比TA，TB，TC，TA，TB，TC分别为三路PWM中A相、B相、C相电路的占空比。
4.一种计算机程序存储介质，其上存储程序，该程序用于执行母线电流非对称脉冲宽度调制及采样功能，程序包括如下步骤：
步骤一、输入三路PWM的占空比TA、TB、TC，计算计数器应计次数CTRx，其中x为A、B、C，CTRx为CTRA＝TA×PRD、CTRB＝TB×PRD、CTRC＝TC×PRD，PRD为设定的预定值；
步骤二、每路PWM的上升沿时刻与下降沿时刻分别由动作寄存器的值COMPAx以及COMPBx决定，其中x为a、b、c；当计数器计数达到COMPAx时，上升沿产生；当计数器计数达到COMPBx时，下降沿产生；COMPAx满足如下公式：
Figure FDA0003743615870000021
步骤三、生成初始相位：在0到PRD-CTRx的范围内随机产生一个正整数赋予COMPAx确定PWM的上升沿的位置，即确定PWM的初始相位；
COMPBx根据如下公式求得：COMPBx＝COMPAx+CTRx；
步骤四、判断三路PWM中任意两路的初始相位之差是否小于Cmin，如满足下述条件，则重复步骤三；如不满足条件，则执行步骤五；
|COMPAa-COMPAb|≤Cmin或|COMPAb-COMPAc|≤Cmin或|COMPAa-COMPAc|≤Cmin
Cmin根据如下公式求得：
Figure FDA0003743615870000022
Tmin为最小采样时间，Ts为PWM的周期；
步骤五：确定COMPBx，并输出COMPAx和COMPBx值。
5.根据权利要求4所述的计算机程序存储介质，其特征在于包括步骤六：利用母线电流采样单元进行直流母线电流采样，获得a、c相实际电流ia、ic。
6.根据权利要求5所述的计算机程序存储介质，其特征在于包括步骤七：根据公式ia+ib+ic＝0，求出第三相电流ib。
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