CN111740674B

CN111740674B - 一种电机驱动系统的三相电流重构方法

Info

Publication number: CN111740674B
Application number: CN202010486645.6A
Authority: CN
Inventors: 骆光照; 赵文学; 马鹏; 黄晓东; 刘春强
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2040-06-01
Also published as: CN111740674A

Abstract

本发明涉及一种电机驱动系统的三相电流重构方法。目的是为了克服现有单电流传感器采样三相电流重构技术中开关状态相移法导致的PWM波形不对称、PWM周期外附加测量矢量法导致有效工作区域的缩减和PWM信号中间插入测量矢量法改变了原有的PWM波形的问题，同时能够实现低调制区域和扇区切换区域的相电流重构。方法包括如下步骤：对由SVPWM算法产生的PWM信号，进行测量矢量插入调制，再输送给逆变器；依据测量矢量插入调制后的PWM信号，计算出与之相对应的电流采样时刻，对直流母线电流进行采样；根据以上特定时刻的直流母线电流采样结果，以及逆变器不同开关状态下母线电流和相电流的关系重构出三相电流。

Description

一种电机驱动系统的三相电流重构方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种电机驱动系统的三相电流重构方法，具体为一种单电流传感器采样的三相电流重构方法。

背景技术

在电机驱动系统中，为了减小体积和降低成本，广泛采用单电流传感器采样的三相电流重构技术。如图1所示，单电流传感器采样技术的原理是通过安装在直流母线上的电流传感器，采样得到母线电流信息，从母线电流信息中通过适当的算法提取电机三相电流信息。该技术省略了两相电流传感器，故可节省成本和减小体积，并且能够避免由于传感器增益不同造成的采样误差。为了进一步节省成本，直流母线电流的获取通常采用对母线串联小阻值低温漂电阻的电压采集方式。因此，该技术也称为单电阻采样的三相电流重构技术。

单电阻采样的三相电流重构技术能够实现大部分区域内的相电流重构。由于在实际电路系统中，存在着许多非理想因素，如死区时间、开关器件的通断延时、AD转换器的最小采样保持时间等。当有效电压矢量作用时间小于最小采样时间(tmin)时，MCU无法对电流进行准确采样，因而产生相电流重构盲区。针对该问题已进行了较多的研究，其中应用最广泛的解决方法是开关状态相移法，通过平移PWM信号的方式使得有效电压矢量作用时间满足最小采样时间，从而使得MCU能够准确采样电流。但采用这一方法将导致输出的PWM波形不对称，增加了电流的谐波成分。另一类应用较多的方法是插入测量矢量，该方法除了在有效电压矢量作用时间内采样，还可在测量矢量作用时间内采样。现有的矢量插入方法中，一般是在PWM周期之外附加测量矢量和在PWM信号中间插入测量矢量。PWM周期外附加测量矢量的方法由于改变了实际的PWM周期，会导致有效工作区域的缩减。在中间插入测量矢量的方法，虽然没有周期问题，但改变了原有的PWM波形。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电机驱动系统的三相电流重构方法，一种能够减少PWM输出波形的不对称性、不影响有效工作区域、对原有PWM信号影响小、并能够实现低调制盲区和扇区切换盲区三相电流重构的方法。

技术方案

一种电机驱动系统的三相电流重构方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采集SVPWM算法输出的三相PWM信号、电机转子当前所处的扇区以及扇区内前半个PWM周期的两个有效电压矢量作用时间T4、T6和零矢量作用时间T0；

本方法在有效电压矢量作用时间内采样直流母线电流，最小采样时间tmin为能准确采样直流母线电流的有效电压矢量最小作用时间；

所述采样时间tmin＝td+ton+tset+tAD；

其中：td：死区时间，ton：开关器件导通时间，tset：母线电流建立时间，tAD：采样保持时间；

步骤2、根据T4、T6、T0与tmin的关系对PWM信号进行测量矢量插入调制：若T4<tmin、T6≥tmin、T0≥2tmin，或者T4≥tmin、T6<tmin、T0≥2tmin,逆变器输出电压矢量处于扇区切换盲区，则根据T4、T6对应的有效电压矢量所能采样到的两相电流信息，从SVPWM算法的六个有效电压矢量中选择一对能采样第三相电流信息的有效电压矢量作为测量矢量分别插入到PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，且插入的测量矢量作用时间为tmin；

若T4<tmin、T6<tmin,逆变器输出电压矢量处于低调制盲区，则在相邻的两个PWM周期内轮流将T4、T6对应的有效电压矢量以及与其方向相反的有效电压矢量作为测量矢量分别插入到PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，且插入的测量矢量作用时间为tmin；若T4≥tmin、T6≥tmin，逆变器输出电压矢量处于非盲区，不对PWM信号进行处理；若T0<2min，逆变器输出电压矢量处于高调制盲区，不对PWM信号进行处理；

步骤3、将测量矢量插入调制后的PWM信号输送给逆变器，计算在前半个PWM周期的直流母线电流三次采样时刻t1、t2和t3：

若T4<tmin、T6≥tmin、T0≥2tmin，则T1＝tmin/2，t2＝0,t3＝T0/2+T4+T6/2；若T4≥tmin、T6<tmin、T0≥2tmin，则t1＝tmin/2，t2＝T0/2+T4/2，t3＝0；若T4<tmin、T6<tmin，则t1＝tmin/4，t2＝0，t3＝0；

若T4≥tmin、T6≥tmin，或T0<2min，则t1＝0，t2＝T0/2+T4/2，t3＝T0/2+T4+T6/2，采样时刻为0表示此次不触发采样；

步骤4：在以上三次采样时刻对直流母线电流进行采样，依据逆变器不同开关状态下直流母线电流和相电流的对应关系，将直流母线电流采样结果转换为相应的相电流信息；

当逆变器输出电压矢量处于非盲区和扇区切换盲区时，则采样得到两相电流信息，但在低调制盲区，每次只能采样得到一相电流信息，则另一相电流信息为上一个PWM周期的采样结果；

得到两相电流信息后，依据公式iu+iv+iw＝0计算得到第三相电流，其中，iu、iv、iw分别表示u、v、w相的相电流。

所述步骤3中，在后半个PWM周期的有效电压矢量或测量矢量作用时间的中间进行采样，将对应矢量测量采样结果取平均值作为最后的采样结果。

有益效果

本发明提出的一种电机驱动系统的三相电流重构方法，对SVPWM算法产生的PWM信号进行测量矢量插入调制，根据调制结果计算出三次采样时刻，然后在三次采样时刻采样直流母线电流，最后根据采样结果重构得到三相电流。本发明是在PWM首、尾端零矢量作用时间内插入测量矢量，使得系统在原本零矢量的作用时间内也能采样得到相电流信息，能够有效避免在低调制盲区和扇区切换盲区无法测量电机相电流的问题，实现了单电阻采样的三相电流重构。在首、尾端零矢量作用时间内插入有效矢量，对原有PWM波形的影响小，不会导致有效工作区域的缩减，与开关状态相移法相比输出波形的不对称性明显降低。

附图说明

图1为现有技术单电阻采样三相电流重构的电路结构示意图。

图2为低调制盲区和扇区切换盲区的三相PWM信号。

图3为本发明单电阻采样的三相电流重构方法示意图。

图4为实施例1进行了测量矢量插入调制后的PWM信号以及采样时刻示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例提供一种单电阻采样的三相电流重构方法，以克服现有技术的缺陷并解决图2中在低调制盲区和扇区切换盲区无法准确采样母线电流的问题。图3为本发明提出的单电阻采样的三相电流重构方法示意图，所述方法的具体实施步骤如下。

S1、采集SVPWM算法输出的三相PWM信号、电机转子当前所处的扇区以及扇区内前半个PWM周期的两个有效电压矢量作用时间T4、T6和零矢量作用时间T0；本方法在有效电压矢量作用时间内采样直流母线电流，最小采样时间tmin为能准确采样直流母线电流的有效电压矢量最小作用时间,由公式tmin＝td+ton+tset+tAD计算得到，其中td：死区时间，ton：开关器件导通时间，tset：母线电流建立时间，tAD：采样保持时间。

S2、根据T4、T6、T0与tmin的关系对PWM信号进行测量矢量插入调制：若T4<tmin、T6≥tmin、T0≥2tmin，或者T4≥tmin、T6<tmin、T0≥2tmin,逆变器输出电压矢量处于扇区切换盲区，则根据T4、T6对应的有效电压矢量所能采样到的两相电流信息，从SVPWM算法的六个有效电压矢量中选择一对能采样第三相电流信息的有效电压矢量作为测量矢量分别插入到PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，且插入的测量矢量作用时间为tmin；若T4<tmin、T6<tmin,逆变器输出电压矢量处于低调制盲区，则在相邻的两个PWM周期内轮流将T4、T6对应的有效电压矢量以及与其方向相反的有效电压矢量作为测量矢量分别插入到PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，且插入的测量矢量作用时间为tmin；若T4≥tmin、T6≥tmin，逆变器输出电压矢量处于非盲区，不对PWM信号进行处理；若T0<2min，逆变器输出电压矢量处于高调制盲区，不对PWM信号进行处理。

测量矢量插入调制结果如表1所示。本表用插入零矢量表示不做矢量插入操作。

表1

其中：Vi，i∈{0，1，2，…，7}表示两电平三相电压源逆变器输出的八个基本电压空间矢量，V0和V7是零矢量，其余为有效电压矢量。(Vx，Vy)表示插入的测量矢量对，Vx在PWM信号首端零矢量内插入，Vy在PWM信号尾端零矢量内插入，Vx和Vy大小相等，方向相反。(，)或(，)表示轮流插入两组测量矢量对。此处设置最小采样时间为4us，插入的测量矢量的作用时间为最小采样时间。

本实施例以第1扇区为例，进行测量矢量插入调制。在第1扇区中，当T4≥4us，T6≥4us，或者T0<8us时，逆变器输出电压矢量处于非盲区和高调制盲区，此时不对PWM信号进行处理，不需要插入测量矢量，故以插入V0表示不做插入操作；当T4<4us，T6≥4us，T0≥8us或者T4≥4us，T6<4us，T0≥8us时，在PWM信号首、尾端零矢量内插入能采样第三相电流信息的测量矢量对(V5，V2)；当T4<tmin、T6<tmin时，在相邻两个PWM周期的PWM信号首、尾端零矢量内轮流插入两个有效电压矢量所对应的矢量对(V4，V3)和(V6，V1)。

同理，可进行第2到第6扇区测量矢量的插入。

进行测量矢量插入调制后会产生五种PWM信号，如图4所示。图4(a)是不进行测量矢量插入的PWM信号。图4(b)和4(c)中PWM信号首、尾端最小采样时间间隔内由零矢量000，变成了非零矢量101、010；图4(d)中PWM信号首、尾端最小采样时间间隔内由零矢量000，变成了非零矢量100、011；图4(e)中PWM信号首、尾端最小采样时间间隔内由零矢量000，变成了非零矢量110、001。此时，在原本零矢量的作用时间内也能采样得到相电流信息。

S3、将测量矢量插入调制后的PWM信号输送给逆变器，计算在前半个PWM周期的直流母线电流三次采样时刻t1、t2和t3：若T4<tmin、T6≥tmin、T0≥2tmin，则T1＝tmin/2，t2＝0,t3＝T0/2+T4+T6/2；若T4≥tmin、T6<tmin、T0≥2tmin，则t1＝tmin/2，t2＝T0/2+T4/2，t3＝0；若T4<tmin、T6<tmin，则t1＝tmin/4,t2＝0，t3＝0；若T4≥tmin、T6≥tmin，或T0<2min，则t1＝0，t2＝T0/2+T4/2，t3＝T0/2+T4+T6/2，采样时刻为0表示此次不触发采样。

本实施例在前半个PWM周期内进行三次采样，采样时刻设置为有效电压矢量或测量矢量作用时间的中点。采样时刻的设置如表2、图4所示。为了提高采样精度，除了只在前半个PWM周期的有效电压矢量或测量矢量作用时间的中点采样外，还可在后半个PWM周期的有效电压矢量或测量矢量作用时间的中间进行采样，将对应矢量测量采样结果取平均值作为最后的采样结果。。

表2

本实施例以扇区1为例计算采样时刻。如图4所示，经过测量矢量插入调制后的PWM信号有五种触发采样组合。图4(a)在两个有效电压矢量100、110的中点采样，分别得到iu和-iw；图4(b)在测量矢量101、有效电压矢量110的中点采样，分别得到-iv和-iw；图4(c)在测量矢量101、有效电压矢量100的中点采样，分别得到-iv和iu；图4(d)在测量矢量100的中点采样，得到iu；图4(e)在测量矢量110的中点采样，得到-iw。

S4、在以上三次采样时刻对直流母线电流进行采样，依据逆变器不同开关状态下直流母线电流和相电流的对应关系，将直流母线电流采样结果转换为相应的相电流信息；当逆变器输出电压矢量处于非盲区和扇区切换盲区时，则可以采样得到两相电流信息，但在低调制盲区，每次只能采样得到一相电流信息，则另一相电流信息为上一个PWM周期的采样结果；得到两相电流信息后，依据公式iu+iv+iw＝0计算得到第三相电流，其中，iu、iv、iw分别表示u、v、w相的相电流。

本实施例以第1扇区为例，三相电流重构过程具体步骤如下：

在采样时刻t1、t2、t3采样得到的母线电流值分别是i1(包括i11和i12)、i2、i3，如图4所示。其中，i1与v相电流值大小相等，i2和i11与u相电流值大小相等，i3和i12与w相电流值大小相等。根据实际相电流的方向，对母线电流采样值增加正负号，就得到了实际的相电流。i1、i11和i12均是t1时刻采样的电流值，其中i1表示在扇区切换盲区测量矢量作用时间内的采样值，i11和i12表示在低调制盲区相邻两个PWM周期内轮流插入的测量矢量作用时间内的采样值。采样得到两相电流后，第三相电流可通过公式iu+iv+iw＝0得到。同理可得其他扇区的三相电流重构情况。

根据电机转子当前所处的扇区可以得出表3所列的计算公式。表中(i*＝i*)表示此次采样结果为上一PWM周期的采样值。表中省略了表示方向的正号。

表3

本实施例的单电阻采样三相电流重构方法，在低调制盲区和扇区切换盲区均能进行三相电流重构，电流重构精度高，对原有PWM信号影响小，波形不对称性低。

Claims

1.一种电机驱动系统的三相电流重构方法，其特征在于步骤如下：

步骤2、根据T4、T6、T0与tmin的关系对PWM信号进行测量矢量插入调制：若T4<tmin、T6≥tmin、T0≥2tmin，或者T4≥tmin、T6<tmin、T0≥2tmin，逆变器输出电压矢量处于扇区切换盲区，则根据T4、T6对应的有效电压矢量所能采样到的两相电流信息，从SVPWM算法的六个有效电压矢量中选择一对能采样第三相电流信息的有效电压矢量作为测量矢量分别插入到PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，且插入的测量矢量作用时间为tmin；

采样时间tmin＝td+ton+tset+tAD；

若T4<tmin、T6<tmin，逆变器输出电压矢量处于低调制盲区，将T4对应的有效电压矢量以及与其方向相反的有效电压矢量作为测量矢量插入到第一PWM周期中PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，将T6对应的有效电压矢量以及与其方向相反的有效电压矢量作为测量矢量插入到与第一PWM周期相邻的第二PWM周期的PWM信号的首端零矢量和尾端零矢量内，且插入的测量矢量作用时间为tmin；若T4≥tmin、T6≥tmin，逆变器输出电压矢量处于非盲区，不对PWM信号进行处理；若T0<2tmin，逆变器输出电压矢量处于高调制盲区，不对PWM信号进行处理；

若T4<tmin、T6≥tmin、T0≥2tmin，则t1＝tmin/2，t2＝0，t3＝T0/2+T4+T6/2；若T4≥tmin、T6<tmin、T0≥2tmin，则t1＝tmin/2，t2＝T0/2+T4/2，t3＝0；若T4<tmin、T6<tmin，则t1＝tmin/4，t2＝0，t3＝0；

若T4≥tmin、T6≥tmin，或T0<2tmin，则t1＝0，t2＝T0/2+T4/2，t3＝T0/2+T4+T6/2，采样时刻为0表示此次不触发采样；

2.根据权利要求1所述电机驱动系统的三相电流重构方法，其特征在于：所述步骤3中，在后半个PWM周期的有效电压矢量或测量矢量作用时间的中间进行采样，将对应矢量测量采样结果取平均值作为最后的采样结果。