CN112422017A - 一种单电阻采样方法 - Google Patents

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Abstract

一种单电阻采样方法，涉及电机控制技术领域；由移相和采样触发点算法以及三相电流重构算法组成，单电阻采样方法的具体步骤是：S1首先将三相PWM信号进行移相处理；S2再根据移相过程中通过采样触发点算法计算出电流信号的采样时间区域；S3再根据S2中计算出的采样时间区域触发ADC模块将电流测量信号进行模拟数字转换；S4最后根据转换后的采集的电流通过三相电流重构算法重构出三相电流。在不违背移相原则的情况下，通过移相来实现单电阻三相电流采样,有效地解决了高调制系数时的移相问题；具有100%的母线电压利用率，且调制系数可达到1.0，且最小采样时间Ts不超过PWM周期的6.7%的优点。

Description

一种单电阻采样方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种单电阻采样方法。
背景技术
在永磁同步电机（PMSM）无传感器控制方法中，每种控制方法都需要采样电机的电流信号。
传统的控制方法中通常电流采样使用霍尔传感器，使用方便但成本高，电路体积大；因此，在部分场合多采用三个电阻分别采样电机的三相电流，该方法由于需要三套采样电路，需要较大的布板面积，同样使得成本增加，但需要在固定的矢量下采样电流，同时三个采样电阻及其测量电路如运放的零漂不一致会造成采样的三相不一致和采样误差；由于单电阻具有硬件结构简单，成本低，采样电路的放大倍数和零漂都来自一套电路，具有一致性的优点，所以运用于很多场合。但采用单电阻采样又在扇区更迭的过渡区域及低速区域存在电流采样困难甚至无法采样的问题。
现有技术中，公开号为CN106208826A的中国发明专利也公开了一种用于永磁同步电机的无三相电流传感器的过调制控制方法，提出在单电阻采样时，修改参考电压，三相均进行移动；算法不仅复杂，且同样存在电机高速运行的极端工况下，存在无论如何移相均无法满足大于最小电流采样时间条件的采样盲区，导致电流采样不准。再如公开号为CN107546027B的中国发明专利公开了一种单电阻电机电流采样方法，能有效避免在低调制区和扇区过渡区域采用单电阻无法测量电机电流的问题，但该发明专利的调制系数最大只能到0.93，母线电压利用率低，部分场合不适用。
发明内容
针对上述电流采样有采样盲区，未解决高调制系数时的移相问题、母线电压利用率低的缺陷，本发明提供了一种单电阻采样方法，该方法无采样盲区、具有100%的母线电压利用率，调制系数可以达到1.0，且最小采样时间Ts不超过PWM周期的6.7%的优点。
为解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：一种单电阻采样方法，包括移相和采样触发点算法以及三相电流重构算法。三相电流重构法是将根据三相PWM信号所在扇区采集的电流转换成两相电流,再将两相电流通过Ia+Ib+Ic=0的关系计算出三相电流。单电阻采样方法的具体步骤如下：
S1首先将三相PWM信号进行移相处理；
S2根据采样触发点算法计算出的采样时间区域；
S3在S2计算出的采样时间区域内触发ADC对电流测量信号进行采样；
S4最后根据采集的电流通过三相电流重构算法重构出三相电流。
进一步地，上述单电阻采样方法的步骤S1中具体的移相步骤是：
S11 判断三相PWM信号所在的扇区确定最大相、中间相和最小相；
S12 根据最大相和中间相计算第一个采样时间区域；
S13 判断第一个采样时间区域是否小于最小采样时间，计算出最大相左移时间；
S14 判断最大相是否左移至极限，修正最大相左移时间并计算中间相右移；
S15根据中间相和最小相计算第二个采样时间区域；
S16判断第二个采样时间区域是否小于最小采样时间，计算出最小相右移时间；
S17 进行移相操作；
S18 计算中间相的上升沿时刻的值和最小相的上升沿时刻的值作为触发ADC采样的时刻。
进一步地，采样时间区域是第一采样时间区域和第二采样时间区域，第一采样时间区域采样的电流与实际相电流的大小、方向相同，第二采样时间区域采样的电流与实际相电流的大小相同、方向相反。
进一步地，第一采样时间区域是最大相与中间相高电平差值的一半；第二采样时间区域是中间相与最小相高电平差值的一半。
进一步地，单电阻采样方法中有三种情况需要移相：一、在扇区与扇区的交界处，最大相和中间相PWM相等或者接近时需要移相；二、在扇区与扇区的交界处，中间相与最小相PWM相等或者接近时需要移相；三、在0调制区附近需要移相。
进一步地，在第一种情况中还存在一种特殊情况需要移相：当调制系数接近1时，可能出现最大相左移到极限位置后仍然不满足第一采样时间区域小于最小采样时间的要求，可将最大相左移至极限位置，再将中间相右移一点来满足第一采样时间区域等于最小采样时间的要求，且中间相右移不会影响第二采样时间区域的采样。
本发明所取得的有益效果如下：
1、本发明通过移相来实现单电阻三相电流采样,有效地解决了高调制系数时的移相问题，且采样时没有采样盲区；
2、本发明具有100%的母线电压利用率，调制系数可达到1.0，且最小采样时间Ts不超过PWM周期的6.7%的优点。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的移相流程图；
图3为本发明的三相PWM示意图；
图4为本发明的第一种移相情况示意图；
图5为本发明的高调制系数时第一种移相情况示意图；
图6为本发明的第二种移相情况示意图；
图7为本发明的第三种移相情况示意图；
图中：
A、B、C——电机的三相PWM；
T——PWM的周期时间 Ts——最小采样时间；
T1——第一采样时间区域 T2——第二采样时间区域；
Ta、Tb、Tc——A、B、C三相PWM高电平时间；
Ta1、Tb1、Tc1——A、B、C三相原始PWM左侧低电平时间；
Ta2、Tb2、Tc2——A、B、C三相移相后的PWM左侧低电平时间；
Tu——当T1﹤Ts时的最大相左移时间；
Tv——当调制系数接近1，左移到极限仍不满足T1﹤Ts时中间相右移时间；
Tw——当T2﹤Ts时的最小相右移时间；
Tu1——最大相上升沿时刻的值 Tv1——中间相上升沿时刻的值。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，一种单电阻采样方法，包括移相和采样触发点算法以及三相电流重构算法。三相电流重构法是将根据三相PWM信号所在扇区采集的电流转换成两相电流,再根据两相电流通过Ia+Ib+Ic=0的关系计算出第三相电流。
单电阻采样方法的具体步骤如下：首先将三相PWM信号进行移相处理；根据采样触发点算法计算出的采样时间区域；在S2计算出的采样时间区域内触发ADC对电流测量信号进行采样；根据采集的电流通过三相电流重构算法重构出三相电流。
如图2所示，上述单电阻采样方法的步骤S1中具体的移相步骤是：
S11 判断三相PWM信号所在的扇区确定最大相、中间相和最小相；
S12 根据最大相和中间相计算第一个采样时间区域T1；
S13 判断第一个采样时间区域小于最小采样时间，即T1﹤Ts，计算出最大相左移时间Tu；
S14 判断最大相是否左移至极限，修正最大相左移时间Tu计算出中间相右移时间Tv；
S15根据中间相和最小相计算第二个采样时间区域T2；
S16判断第二个采样时间区域是否小于最小采样时间，即T2﹤Ts，计算出最小相右移时间Tw；
S17 进行移相操作；
S18 计算Tg1和Tg2作为触发ADC采样的时刻。
具体地，采样时间区域是第一采样时间区域T1和第二采样时间区域T2，第一采样时间区域T1是最大相与中间相高电平差值的一半；第二采样时间区域T2是中间相与最小相高电平差值的一半；第一采样时间区域T1采样的电流与实际相电流的大小、方向相同，第二采样时间区域T2采样的电流与实际相电流的大小相同、方向相反。
具体地，Tg1始终为中间相的上升沿时刻，Tg2始终为最小相的上升沿时刻。为了能准确采集电流，需要将实际的ADC触发采样的时刻提前，提前偏移量为T0，用来抵消ADC转换的时间，T0的大小根据ADC转换时间来确定。
具体地，三相电流重构法是将在第一采样时间区域T1测量的电流I1和第二采样时间区域T2测量的电流I2输送给ADC模拟数字转换器，根据其与扇区的关系，如下表1所示，将其转换为三相电流中两相，根据转换后的两相电流重构出三相电流。
表中：Ta1=（T-Ta）/2；Tb1=（T-Tb）/2；Tc1=（T-Tc）/2；Ta2=Ta1-Tu；Tb2=Tb1+Tv；Tc2=Tc1+Tw。
表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
测量电流与扇区的关系
扇区 Tg1 测量电流1 Tg2 测量电流2
1 Tb2-T0 Ia=I1 Tc2-T0 Ic=-I2
2 Ta2-T0 Ib=I1 Tc2-T0 Ic=-I2
3 Tc2-T0 Ib=I1 Ta2-T0 Ia=-I2
4 Tb2-T0 Ic=I1 Ta2-T0 Ia=-I2
5 Ta2-T0 Ic=I1 Tb2-T0 Ib=-I2
6 Tc2-T0 Ia=I1 Tb2-T0 Ib=-I2
具体地，单电阻采样方法中有三种情况需要移相：一、在扇区与扇区的交界处，最大相和中间相PWM相等或者接近时需要移相；二、在扇区与扇区的交界处，中间相与最小相PWM相等或者接近时需要移相；三、在0调制区附近需要移相。
具体地，取Ts=5%，以A相是最大相、B相是中间相、C相是最小相为例，一种单电阻采样方法的三相PWM示意图如图3所示，由图可看出，电机三相PWM的周期时间为T，当PWM频率为20kHz时，T=50微秒，Ts=2.5微秒。A相PWM在Ta时间段输出高电平，B相PWM 在Tb时间段输出高电平，C相PWM在Tc时间段输出高电平；A相PWM左侧原始低电平时间为Ta1，Ta1=(T-Ta)/2,B相PWM左侧原始低电平时间为Tb1,Tb1=(T-Tb)/2,C相PWM左侧原始低电平时间为Tc1，Tc1=(T-Tc)/2；T1表示第一采样时间区域，T2表示第二采样时间区域，T1=(Ta-Tb)/2, T2=(Tb-Tc)/2。
具体地，第一种移相情况示意图如图4所示，Ts为最小采样时间，即当T1﹤Ts时，由图可看出，由于T2≥Ts，B、C两相的PWM高电平时间Tb、Tc不变，B、C两相PWM左侧原始低电平时间也不变，即B相和C相均不需要移动。为保证第一采样时间区域T1=Ts，使最大相A相PWM高电平时间Ta左移Tu，A相PWM左侧原始低电平时间Ta1也左移至Ta2，Ta2=Ta1-Tu，其中Tu=Ts-T1。
高调制系数时第一种移相情况示意图如图5所示，当调制系数接近1时，可能出现A相左移到极限位置后仍然不满足T1=Ts的要求，此时，A相和B相的PWM都很大，而C相的PWM很小，T2远大于Ts，可将将最大相左移至极限位置，再将中间相右移一点来满足T1=Ts的要求，且中间相右移不会影响第二采样时间区域的采样,由图可看出，C相PWM的高电平时间Tc不变，其左侧原始低电平时间Tc1也不变，即C相维持不动不需要移相；A相PWM的高电平时间Ta左移Tu至极限，其左侧原始低电平时间Ta1左移至Ta2，Ta2=0,Tu=Ta1；B相PWM的高电平时间Tb右移Tv，其左侧原始低电平时间Tb1右移至Tb2，Tb2=Tb1+Tv，其中Tv=Ts-Tb1=Ts-Tu-T1；B相右移Tv后满足T1=Ts。
第二种移相情况示意图如图6所示，当T2﹤Ts时，此时T1远大于Ts，由图可看出，A、B两相PWM的高电平时间不变，其左侧原始低电平时间也不变，即A相和B相都维持不变，不需要移相；C相PWM的高电平时间Tc右移Tw，其原始低电平时间Tc1右移至Tc2，Tc2=Tc1+Tw，其中Tw=Ts-T2。
第三种移相情况示意图如图7所示，当T1、T2均小于Ts时，由图可看出，B相PWM的高电平时间Tb不变，其左侧原始低电平时间Tb1也不变，即B相维持不动，不需要移相；A相PWM的高电平时间Ta左移Tu，其左侧原始低电平时间Ta1左移至Ta2,Ta2=Ta1-Tu,其中Tu=Ts-T1；C相PWM的高电平时间Tc右移Tw，其左侧原始低电平时间Tc1右移至Tc2，Tc2=Tc1+Tw，其中Tw=Ts-T2。
具体的移相条件及移动量如下表2所示。
表
Figure DEST_PATH_IMAGE004
移相条件及移动量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
本发明一种单电阻采样方法通过移相来实现单电阻三相电流采样,有效地解决了高调制系数时的移相问题；具有100%的母线电压利用率，调制系数可达到1.0，且最小采样时间Ts不超过PWM周期的6.7%的优点。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (5)

1.一种单电阻采样方法，其特征在于：所述单电阻采样方法包括移相和采样触发点算法以及三相电流重构算法，所述三相电流重构法是将根据三相PWM信号所在扇区采集的电流转换成的两相电流,再将所述的两相电流通过Ia+Ib+Ic=0的关系计算出第三相电流；
所述单电阻采样方法的步骤是：
S1首先将三相PWM信号进行移相处理；
S2根据采样触发点算法计算出采样时间区域；
S3在所述S2中计算出的采样时间区域内触发ADC对电流测量信号进行采样；
S4最后根据采集的电流通过三相电流重构算法重构出三相电流。
2.根据权利要求1所述的一种单电阻采样方法，其特征在于：所述S1中移相的步骤是：
S11 判断三相PWM信号所在的扇区并确定最大相、中间相和最小相；
S12 根据最大相和中间相计算第一个采样时间区域；
S13 判断第一个采样时间区域是否小于最小采样时间，计算出最大相左移时间；
S14 判断最大相是否左移至极限，修正最大相左移时间并计算出出中间相右移时间；
S15根据中间相和最小相计算第二个采样时间区域；
S16判断第二个采样时间区域是否小于最小采样时间，计算出最小相右移时间；
S17 进行移相操作；
S18 计算中间相的上升沿时刻的值和最小相的上升沿时刻的值作为触发ADC采样的时刻。
3.根据权利要求1所述的一种单电阻采样方法，其特征在于：所述采样时间区域是第一采样时间区域和第二采样时间区域，所述第一采样时间区域采样的电流与实际相电流的大小、方向相同，所述第一采样时间区域是最大相与中间相高电平差值的一半；所述第二采样时间区域采样的电流与实际相电流的大小相同、方向相反，所述第二采样时间区域是中间相与最小相高电平差值的一半。
4.根据权利要求1或2所述的一种单电阻采样方法，其特征在于：所述单电阻采样方法有三种情况需要移相：在所述扇区与扇区的交界处，所述最大相和中间相PWM相等或者接近时需要移相；在所述扇区与扇区的交界处，所述中间相与最小相PWM相等或者接近时需要移相；在0调制区附近时需要移相。
5.根据权利要求4所述的一种单电阻采样方法，其特征在于：在第一种情况中还存在一种特殊情况需要移相：当调制系数接近1时，可能出现最大相左移到极限位置后仍然不满足第一采样时间区域小于最小采样时间的要求，可将最大相左移至极限位置，再将中间相右移一点来满足第一采样时间区域等于最小采样时间的要求，且中间相右移不会影响第二采样时间区域的采样。
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WO2023045555A1 (zh) * 2021-09-27 2023-03-30 佛山市顺德区美的电子科技有限公司 三相电流重构方法、装置、设备和存储介质

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