CN113541552A - 一种无移相噪音的单电阻电流采样方法 - Google Patents

一种无移相噪音的单电阻电流采样方法 Download PDF

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Abstract

一种无移相噪音的单电阻电流采样方法，涉及电机控制技术领域，在PWM载波信号经调制后，通过预驱动模块传输至三相桥功率管，再经过采样电阻对三相桥功率管进行电机电流采样，然后重构出三相电流。具体步骤如下：S1.采用窗口分段的方式对PWM载波信号进行调制；S2.根据PWM窗口分段调制结果选择不同的采样窗口，对电机电流进行采样；S3.根据不同的采样窗口来重构出三相电流。本发明相对于现有的多电阻电流采样方法，具有低成本、低噪声、采样电路简单、谐波含量少等优点。同时，相较于现有的单电阻采样方法，本发明提出的PWM窗口分段调制技术，具有电压利用率高、控制响应快、软件易于实现等优点，且彻底根除了单电阻采样方式下电机的移相噪音。

Description

一种无移相噪音的单电阻电流采样方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种无移相噪音的单电阻电流采样方法。
背景技术
在电机控制领域，电流采样对电机矢量控制是非常重要的，电流采样性能往往会直接影响到整个控制方案性能的好坏。现有技术通常使用采样电阻对电流进行采样。电机三相电流就需要多个采样通路，导致采样电路复杂且成本很高。而且多路采样的放大倍数一致性难以保证，会导致各相电流不平衡而产生谐波，从而使电机在高转速下噪声很大。
现有技术通过软件调制PWM载波来实现单电阻采样，以降低成本。所谓调制，就是将采样窗口所需的控制矢量调制到PWM载波上，调制后的PWM信号经采样、重构可得到三相电流。
现有的软件调制技术主要包括双切调制、移相调制等。申请号为201711013245.8的中国专利公开了《一种单电阻电机电流采样方法》，通过双切的调制方式有效避免采用单电阻在低调制区和扇区过渡区域无法测量电机电流的问题，实现了单电阻测电机电流；申请号为202011167869.7的中国专利公开了《一种单电阻采样方法》，通过移相的调制方式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的优点。
但这些常规的调制方式，会使电机在转动时产生移相噪音，且在部分电机上表现为“链条声”异响，且噪音会随着电流的增大而变得更加严重。引起移相噪音的根本原因在于PWM输出载波信号的边沿随扇区切换而产生的突变。具体地，双切、移相等方式是根据三相占空比大小顺序来调制的，当电机处于扇区临界处时，其中某两相的占空比大小接近，并在下一个扇区会交换占空比大小排序，在这种情况下，为了保证采样窗口，会使PWM边沿产生突变，从而引起电机噪音，如图1所示。电机的噪音在某些使用场合是非常敏感的，比如位于汽车驾驶室内的C-EPS电机等。
申请号为201910146789.4的中国专利公开了《单电阻电流采样方法及装置》，通过降低采样次数，在电流采样与移相噪音之间取得平衡。但这种方法并未彻底解决移相噪音问题，且降低采样次数会影响电机控制的响应速度，尤其在电机高速运转的情况下会出现严重的滞后现象。
发明内容
针对上述现有技术中存在电机异响、噪声大的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种低成本、低噪声、控制响应快、电压利用率高的无移相噪音的单电阻电流采样方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种无移相噪音的单电阻电流采样方法，在PWM载波信号经调制后，通过预驱动模块传输至三相桥功率管，再经过采样电阻对三相桥进行电机电流采样，然后重构出三相电流。
具体步骤如下：
S1.采用窗口分段的方式对PWM载波信号进行调制；
S2.根据PWM窗口分段调制结果选择不同的采样窗口，对电机电流进行采样；
S3.根据不同的采样窗口来重构出三相电流。
窗口分段是利用动态跳变的采样窗口换取连续变化的PWM载波信号边沿；采样窗口包括第一采样窗口和第二采样窗口。
PWM载波信号通过空间矢量算法计算占空比。
窗口分段调制包括三种分段情况，当PWM载波信号满足120°<α<180°，DU<(2*t)/T时为分段3，当PWM载波信号满足DW>(1-(2*t)/T)且不满足分段3的条件时为分段2，当PWM载波信号不满足分段3、分段2的条件时为分段1，其中α为电机角度，DU、DW分别为U相、W相PWM的占空比，t表示第一采样窗口即第二采样窗口的宽度，即t1＝t2＝t，T为PWM载波周期。
在分段1的情况下，U、V、W三相PWM载波信号的左边沿分别固定在PWM载波周期的0、t、2*t位置，其右边沿均随着电机角度的变化而连续变化；第一采样窗口固定在PWM载波周期的最左侧，采样得到U相的正向电流iu；第二采样窗口固定在第一采样窗口的右侧并紧挨第一采样窗口，采样得到W相的反向电流-iw，通过iu+iv+iw＝0计算得出V相的电流iv。
在分段1的情况中，U、V、W三相PWM载波信号的右边沿可调范围均为[2*t，T]。
在分段2的情况下，U相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的0位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；V相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；W相PWM载波信号的右边沿固定在PWM载波周期的T位置，其左边沿随着电机角度的变化而连续变化；第一采样窗口固定PWM载波周期的最左侧，采样得到U相的正向电流iu；第二采样窗口固定在PWM载波周期的最右侧，采样得到W相的正向电流iw，通过iu+iv+iw＝0计算得出V相电流iv。
在分段2的情况中，U相PWM载波信号的右边沿可调范围为[t，T]，V相PWM载波信号的右边沿可调范围为[t，T]，W相PWM载波信号的左边沿可调范围为[t，2*t]。
在分段3的情况下，U相PWM载波信号的右边沿固定在PWM载波周期的2*t位置，其左边沿随着电机角度的变化而连续变化；V相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；W相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的2*t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；第一采样窗口固定在PWM载波周期的t位置，采样得到的是W相的反向电流-iw；第二采样窗口紧挨着第一采样窗口的右侧，采样得到的是U相的反向电流-iu，通过iu+iv+iw＝0计算得出V相电流iv。
在分段3的情况中，U相PWM载波信号的左边沿可调范围为[0，t]，V相PWM载波信号的右边沿可调范围为[3*t，T]，W相PWM载波信号的右边沿可调范围为[3*t，T]。
本发明所取得的有益效果在于：相对于现有的多电阻电流采样方法，具有低成本、低噪声、采样电路简单、谐波含量少等优点。同时，相较于现有的单电阻采样方法，本发明提出的PWM窗口分段调制技术，具有电压利用率高、控制响应快、软件易于实现等优点，且彻底根除了单电阻采样方式下电机的移相噪音。
附图说明
图1为现有的移相调制下的三相PWM载波信号边沿随电机角度变化的规律示意图；
图2为本发明无移相噪音的单电阻电流采样方法示意图；
图3为本发明在分段1情况下的窗口调制的PWM波形图；
图4为本发明在分段2情况下的窗口调制的PWM波形图；
图5为本发明在分段3情况下的窗口调制的PWM波形图；
图6为本实施例中调制系数为0.8时，三相PWM载波信号边沿随电机角度变化规律示意图；
图7为本实施例中调制系数为0.9时，三相PWM载波信号边沿随电机角度变化规律示意图；
附图标记：
UL、VL、WL分别为U、V、W相的PWM载波信号的左边沿；
UR、VR、WR分别为U、V、W相的PWM载波信号的右边沿。
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。
一种无移相噪音的单电阻电流采样方法，如图2所示，在PWM载波信号经调制后，通过预驱动模块传输至三相桥功率管，再经过采样电阻对三相桥进行电机电流采样，然后重构出三相电流。
具体地步骤如下：
S1.采用窗口分段的方式对PWM载波信号进行调制；
S2.根据PWM窗口分段调制结果选择不同的采样窗口，对电机电流进行采样；
S3.根据不同的采样窗口来重构出三相电流。
具体来说，窗口分段是利用动态跳变的采样窗口换取连续变化的PWM载波信号边沿；采样窗口包括第一采样窗口和第二采样窗口。
优选地，PWM载波信号通过空间矢量算法计算占空比。
具体来说，窗口分段调制包括三种分段情况，在本实施例中，假设PWM载波信号频率为20kHz，PWM载波周期
Figure BDA0003220343710000061
第一、二采样窗口宽度t1＝t2＝t＝5％*T＝2.5μs；当PWM载波信号满足120°<α<180°，
Figure BDA0003220343710000062
时为分段3，当PWM载波信号满足DW>(1-2*2.5μs/0.05ms)×100％＝90％且不满足分段3的条件时为分段2，当PWM载波信号不满足分段3、分段2的条件时为分段1，其中α为电机角度，DU、DW分别为U相、W相PWM的占空比。
下面是分段1的具体实施情况，如图3所示，U、V、W三相PWM载波信号的左边沿分别固定在PWM载波周期的0、t、2*t位置，其右边沿均随着电机角度的变化而连续变化；第一采样窗口固定在PWM载波周期的最左侧，采样得到U相的正向电流iu；第二采样窗口固定在第一采样窗口的右侧并紧挨第一采样窗口，采样得到W相的反向电流-iw，V相的电流通过iu+iv+iw＝0计算得出。
在分段1的情况中，U、V、W三相PWM载波信号的右边沿可调范围均为[2*t，T]。
如图4所示，在分段2的情况下，U相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的0位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；V相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；W相PWM载波信号的右边沿固定在PWM载波周期的T位置，其左边沿随着电机角度的变化而连续变化；第一采样窗口固定PWM载波周期的最左侧，采样得到u相的正向电流iu；第二采样窗口固定在PWM载波周期的最右侧，采样得到w相的正向电流iw，可通过iu+iv+iw＝0计算得出v相电流iv。
在分段2的情况中，U相PWM载波信号的右边沿可调范围为[t，T]，V相PWM载波信号的右边沿可调范围为[t，T]，W相PWM载波信号的左边沿可调范围为[t，2*t]。
如图5所示，在分段3的情况下，U相PWM载波信号的右边沿固定在PWM载波周期的2*t位置，其左边沿随着电机角度的变化而连续变化；V相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；W相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的2*t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；第一采样窗口固定在PWM载波周期的t位置，采样得到的是W相的反向电流-iw；第二采样窗口紧挨着第一采样窗口的右侧，采样得到的是U相的反向电流-iu，可通过iu+iv+iw＝0计算得出V相电流iv。
在分段3的情况中，U相PWM载波信号的左边沿可调范围为[0，t]，V相PWM载波信号的右边沿可调范围为[3*t，T]，W相PWM载波信号的右边沿可调范围为[3*t，T]。
综合分段1、分段2及分段3三种情况，PWM窗口分段调制的电压利用率p如下式所示，在同等情况下，其利用率高于现有的PWM双切调制，与双电阻采样方式相当。
p＝(1-t/T)*100％＝95％
所述步骤S3具体描述如下：U、V、W三相电流重构关系如式表1所示。
表1
Figure BDA0003220343710000081
Figure BDA0003220343710000091
其中，i1、i2分别表示第一采样窗口、第二采样窗口采样得到的电流；iu、iv、iw分别表示U、V、W三相的电流；(u,v,w)表示三相桥功率管在采样窗口的空间矢量。
优选地，当调制系数为0.8时，三相PWM载波信号占空比最大值为90％，三相PWM载波信号的边沿随电机角度变化规律如图6所示；当调制系数为0.9时，三相PWM载波信号占空比最大值为95％，三相PWM载波信号的边沿随电机角度变化规律如图7所示。
综上可知，三相PWM载波信号的边沿随电机角度的变化而无突变地、连续地变化，实机测试亦没有移相噪音。
本发明所取得的有益效果在于：相对于现有的多电阻电流采样方法，具有低成本、低噪声、采样电路简单、谐波含量少等优点。同时，相较于现有的单电阻采样方法，本发明提出的PWM窗口分段调制技术，具有电压利用率高、控制响应快、软件易于实现等优点，且彻底根除了单电阻采样方式下电机的移相噪音。
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 (9)

1.一种无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：PWM载波信号经调制后，通过预驱动模块传输至三相桥功率管，再经过采样电阻对三相桥进行电机电流采样，然后重构出三相电流；具体步骤如下：
S1.采用窗口分段的方式对PWM载波信号进行调制；
S2.根据PWM窗口分段调制结果选择不同的采样窗口，对电机电流进行采样；
S3.根据不同的采样窗口来重构出三相电流；
所述窗口分段是利用动态跳变的采样窗口换取连续变化的PWM边沿；所述采样窗口包括第一采样窗口和第二采样窗口。
2.根据权利要求1所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：所述PWM载波信号通过空间矢量算法计算占空比。
3.根据权利要求1所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：所述窗口分段调制包括三种分段情况，当PWM载波信号满足120°＜α＜180°，DU＜(2*t)/T时为分段3，当PWM载波信号满足DW＞(1-(2*t)/T)且不满足分段3的条件时为分段2，当PWM载波信号不满足分段3、分段2的条件时为分段1，其中α为电机角度，DU、DW分别为U相、W相PWM的占空比，t表示第一采样窗口即第二采样窗口的宽度，即t1＝t2＝t，T为PWM载波周期。
4.根据权利要求3所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：在所述分段1的情况下，V、W三相PWM载波信号的左边沿分别固定在PWM载波周期的0、t、2*t位置，其右边沿均随着电机角度的变化而连续变化；
所述第一采样窗口固定在PWM载波周期的最左侧，采样得到U相的正向电流iu；所述第二采样窗口固定在第一采样窗口的右侧并紧挨第一采样窗口，采样得到W相的反向电流-iw，通过iu+iv+iw＝0计算得出V相的电流iv。
5.根据权利要求4所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：在所述分段1的情况中，所述U、V、W三相PWM载波信号的右边沿可调范围均为[2*t，T]。
6.根据权利要求3所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：在所述分段2的情况下，所述U相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的0位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；所述V相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；所述W相PWM载波信号的右边沿固定在PWM载波周期的T位置，其左边沿随着电机角度的变化而连续变化；
所述第一采样窗口固定PWM载波周期的最左侧，采样得到U相的正向电流iu；所述第二采样窗口固定在PWM载波周期的最右侧，采样得到W相的正向电流iw，通过iu+iv+iw＝0计算得出V相电流iv。
7.根据权利要求6所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：在所述分段2的情况中，所述U相PWM载波信号的右边沿可调范围为[t，T]，所述V相PWM载波信号的右边沿可调范围为[t，T]，所述W相PWM载波信号的左边沿可调范围为[t，2*t]。
8.根据权利要求3所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：在所述分段3的情况下，所述U相PWM载波信号的右边沿固定在PWM载波周期的2*t位置，其左边沿随着电机角度的变化而连续变化；所述V相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；所述W相PWM载波信号的左边沿固定在PWM载波周期的2*t位置，其右边沿随着电机角度的变化而连续变化；
所述第一采样窗口固定在PWM载波周期的t位置，采样得到的是W相的反向电流-iw；所述第二采样窗口紧挨着第一采样窗口的右侧，采样得到的是U相的反向电流-iu，通过iu+iv+iw＝0计算得出V相电流iv。
9.根据权利要求8所述的无移相噪音的单电阻电流采样方法，其特征在于：在所述分段3的情况中，所述U相PWM载波信号的左边沿可调范围为[0，t]，所述V相PWM载波信号的右边沿可调范围为[3*t，T]，所述W相PWM载波信号的右边沿可调范围为[3*t，T]。
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