CN113687126A - 单电阻电流采样方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单电阻电流采样方法及其装置，该方法包括以下步骤：a、对电机控制算法计算出的三相占空比进行调整，获得调整后的三相占空比；b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻；c、按照调整后的三相占空比输出三相电压；d、在电流采样时刻进行电流采样，根据电流采样结果重构出三相电流。本发明可以实现单电阻电流采样，并保证采样精度。

Description

单电阻电流采样方法及其装置

技术领域

本发明涉及单电阻电流采样技术。

背景技术

变频器一般为三相输出，用来控制三相交流电机。变频器一般需要三相电流信号来实现电机控制，同时，也要根据三相电流信号实现对变频器和电机的保护。三相电流信号的获得方式有很多种，通过采样电阻获得电流信号是常用的电流采样方式。根据采样电阻的个数，电流采样方法可以分为三电阻电流采样、两电阻电流采样和单电阻电流采样，其中单电阻电流采样的硬件成本最低。当对系统成本要求较高时，单电阻电流采样是一种比较好的选择。

单电阻电流采样采集的是母线电流，为了能够获得各相的电流，需要在一个采样周期内的不同时刻进行采样，然后通过重构的方式获得三相电流。为了保证能够准确地获得三相电流，单电阻电流采样方法对采样窗口和采样时刻有一定要求，要满足这些要求，就需要对变频器的输出电压进行调整。此外，由于单电阻电流采样时无法做到在电压零矢量处采样电流，这就导致一般单电阻电流采样方法采到的电流中包含电流纹波信号，从而使采样到的电流信号精度降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种单电阻电流采样方法，使用该方法可以在只有一个采样电阻的情况下，获得三相电流信号。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种单电阻电流采样装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种单电阻电流采样方法，通过三相逆变电路母线上设置的采样电阻采样母线电流；包括以下步骤：

a、对电机控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]、以及D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；其中，D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的其中一者的三相占空比，D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的另一者的三相占空比；

b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻；

c、按照调整后的三相占空比输出三相电压；

d、在电流采样时刻进行电流采样，根据电流采样结果重构出三相电流。

上述的单电阻电流采样方法，其中，步骤a包括：

a1、对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值D_max、中间值D_mid、最小值D_min，并记录最大值D_max、中间值D_mid和最小值D_min对应的相为a相、b相还是c相，令Max代表占空比最大值对应相的序号，Mid代表占空比中间值对应相的序号，Min代表占空比最小值对应相的序号；当出现三相占空比都相等的情况时，先指定任意一相占空比为最大值，然后指定剩余两相占空比中的任意一相占空比为中间值，剩余一相占空比为最小值；当出现两相占空比相等时，指定相等的两相占空比中的任意一相占空比为较大值，另一相占空比为较小值；

a2、计算D_max与D_mid的差值D_xd、以及D_mid与D_min的差值D_dn：

其中，D_max、D_mid和D_min的分别是三相占空比D[a]、D[b]、D[c]中的最大值、中间值和最小值；

a3、根据D_xd和D_dn获得第一临时计算变量D_xd1、第二临时计算变量D_dn1、第三临时计算变量D_xd2、以及第四临时计算变量D_dn2：

D_xd2＝2D_xd-D_xd1

D_dn2＝2D_dn-D_dn1

其中，D_Ts＝T_s*2/T，T为载波周期，Ts为预设的最小采样窗口；对通过上述公式计算得到的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2按照以下限制规则进行限制，获得最终的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2：

如果D_xd1与D_dn1之和大于1，D_xd1与D_dn1中的较小者不变，D_xd1与D_dn1中的较大者变为1减去较小者；

如果D_xd2与D_dn2之和大于1，D_xd2与D_dn2中的较小者不变，D_xd2与D_dn2中的较大者变为1减去较小者；

a4、根据D_xd1、D_dn1和D_xd2、D_dn2计算出D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]和D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]：

其中，D_z1的取值范围为[0，1-D_xd1-D_dn1]；D_z2的取值范围为[0，1-D_xd2-D_dn2]；函数sign1()和函数sign2()的定义如下式所示：

本发明还提供了一种单电阻电流采样装置，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行上述的单电阻电流采样方法。

根据本发明实施例的单电阻电流采样方法及其装置可以实现单电阻电流采样，并保证采样精度，进而实现对三相电机的控制以及实现对电机驱动装置(例如变频器等)和电机的保护。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的单电阻电流采样方法的流程示意图。

图2示出了根据本发明第一实施例的两次采样时刻的示意图。

图3示出了本发明第一实施例按照调整后的占空比输出的单相电压的示意图。

图4示出了根据本发明第二实施例的四次采样时刻的示意图。

图5示出了本发明第二实施例按照调整后的占空比输出的单相电压的示意图。

具体实施方式

请参考图1。根据本发明实施例的单电阻电流采样方法，包括以下步骤：

a、对电机控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]、以及D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；其中，D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的其中一者的三相占空比，D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的另一者的三相占空比；

b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻；

c、按照调整后的三相占空比输出三相电压；

d、在电流采样时刻进行电流采样，根据电流采样结果重构出三相电流。

以下结合两个具体的实施例对本发明的单电阻电流采样方法的工作过程进行进一步说明。

第一实施例

本实施例首先将PWM控制算法计算出的三相占空比进行调整，然后计算两次采样的时刻，最后根据采样得到的母线电流重构出三相电流。本实施例的单电阻电流采样方法应用于变频器，变频器的载波周期为T，最小采样窗口为T_s，PWM控制算法以及采样算法每个载波周期执行一次，该PWM控制算法用于控制电机的运行。该第一实施例的具体步骤如下：

步骤a、对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]、以及D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；步骤a进一步包括：

a1、首先对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值D_max、中间值D_mid、最小值D_min，并记录最大值、中间值和最小值对应的相为a相、b相还是c相。令Max代表占空比最大值对应相的序号，Mid代表占空比中间值对应相的序号，Min代表占空比最小值对应相的序号，Max、Mid和Min的取值均为a、b或c，a、b、c分别为a相、b相、c相的序号。在本实施例中，在调整之前，a相占空比最大，b相占空比次之，c相占空比最小，从而可以得到：D_max＝D[a]，D_mid＝D[b]，D_min＝D[c]，Max＝a，Mid＝b，Min＝c。要说明的是，Max＝a指的是调整之前a相占空比最大，Max保存了调整之前占空比最大值对应相的序号，但调整之后的a相占空比(即下文要描述的D₁[a]和D₂[a])可能不再是最大值。Mid＝b、Min＝c的含义与此类似。

a2、计算D_max和D_mid的差值D_xd、以及D_mid和D_min的差值D_dn，D_xd和D_dn根据下式计算：

a3、根据D_xd和D_dn得到第一临时计算变量D_xd1、第二临时计算变量D_dn1、第三临时计算变量D_xd2、第四临时计算变量D_dn2；D_xd1、D_dn1和D_xd2、D_dn2用下面的公式进行计算：

D_xd2＝2D_xd-D_xd1

D_dn2＝2D_dn-D_dn1

其中，D_Ts＝T_s*2/T，T为载波周期，Ts为预设的最小采样窗口；对通过上述公式计算得到的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2按照以下限制规则进行限制，获得最终的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2：

如果D_xd1与D_dn1之和大于1，那么D_xd1与D_dn1中的较小者不变，D_xd1与D_dn1中的较大者变为1减去较小者(较大者＝1-较小者)；

如果D_xd2与D_dn2之和大于1，那么D_xd2与D_dn2中的较小者不变，D_xd2与D_dn2中的较大者变为1减去较小者(较大者＝1-较小者)。

a4、根据D_xd1、D_dn1和D_xd2、D_dn2计算出D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]和D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]由下式获得：

上式中，D_z1的取值范围为[0，1-D_xd1-D_dn1]，即D_z1为0、1-D_xd1-D_dn1或0与1-D_xd1-D_dn1之间的任意值。函数sign1()和sign2()的定义如下式所示

D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]由下式获得：

上式中，D_z2的取值范围为[0，1-D_xd2-D_dn2]，即D_z2为0、1-D_xd2-D_dn2或者是0与1-D_xd2-D_dn2之间的任意值。

步骤b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻，在本实施例中，是计算当前载波周期的两次电流采样时刻t_s1和t_s2，t_s1和t_s2的计算公式如下：

图2示出了根据本发明第一实施例的两次采样时刻的示意图，图2中的0代表载波周期的起始时刻。

步骤c、按照调整后的三相占空比输出三相电压。在当前载波周期的前半周期按照D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]输出三相电压，在当前载波周期的后半周期按照D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]输出三相电压。

为了简化叙述，x代表a、b、c，用D₁[x]代表D₁[a]、D₁[b]及D₁[c]，用D₂[x]代表D₂[a]、D₂[b]及D₂[c]。在当前载波周期的前半周期，当时间t小于(1-D₁[x])*T/2时，x相输出低电平，否则输出高电平；在当前载波周期的后半周期，当时间t小于(1+D₂[x])*T/2+时，x相输出高电平，否则输出低电平。图3示出了本发明第一实施例按照调整后的占空比所输出的单相电压的示意图。图3中的0代表载波周期的起始时刻，该实施例中，采样算法周期与载波周期相同，0也是采样算法周期的起始时刻。上述的时间t是当前采样算法周期内的时间。

步骤d、在当前载波周期的采样时刻t_s1和t_s2进行采样，获得母线电流I_dc1和I_dc2，根据采样得到的母线电流重构出三相电流。

记三相电流分别为I[a]、I[b]和I[c]，那么三相电流可以通过下式获得：

要说明的是，I[Max]不一定是三相电流的最大值，而是调整占空比前、占空比最大的相对应的电流。

第二实施例

本实施例首先将PWM控制算法计算出的三相占空比进行调整，然后计算四次采样的时刻，最后根据采样得到的母线电流重构出三相电流。本实施例的单电阻电流采样方法应用于变频器，变频器的载波周期为T，最小采样窗口为T_s，PWM控制算法以及采样算法每两个载波周期执行一次，即采样算法周期等于两个载波周期，该PWM控制算法用于控制电机的运行。该第二实施例的具体步骤如下：

步骤a、对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]、以及D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；步骤a进一步包括：

a1、首先对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值D_max、中间值D_mid、最小值D_min，并记录最大值、中间值和最小值对应的相为a相、b相还是c相。令Max代表占空比最大值对应相的序号，Mid代表占空比中间值对应相的序号，Min代表占空比最小值对应相的序号，Max、Mid和Min的取值均为a、b或c，a、b、c分别为a相、b相、c相的序号。在本实施例中，在调整之前，a相占空比最大，b相占空比次之，c相占空比最小，因此，D_max＝D[a]，D_mid＝D[b]，D_min＝D[c]，Max＝a，Mid＝b，Min＝c。要说明的是，Max＝a指的是调整之前a相占空比最大，Max保存了调整之前占空比最大值对应相的序号，但调整之后的a相占空比(即下文要描述的D₁[a]和D₂[a])可能不再是最大值。Mid＝b、Min＝c的含义与此类似。

a2、计算D_max和D_mid的差值D_xd、以及D_mid和D_min的差值D_dn，D_xd和D_dn根据下式计算：

a3、并根据D_xd和D_dn得到第一临时计算变量D_xd1、第二临时计算变量D_dn1、第三临时计算变量D_xd2、第四临时计算变量D_dn2；D_xd1、D_dn1和D_xd2、D_dn2用下面的公式进行计算：

D_xd2＝2D_xd-D_xd1

D_dn2＝2D_dn-D_dn1

其中，D_Ts＝T_s*2/T，T为载波周期，Ts为预设的最小采样窗口；对通过上述公式计算得到的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2按照以下限制规则进行限制，获得最终的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2：

如果D_xd1与D_dn1之和大于1，那么D_xd1与D_dn1中的较小者不变，D_xd1与D_dn1中的较大者变为1减去较小者；

如果D_xd2与D_dn2之和大于1，那么D_xd2与D_dn2中的较小者不变，D_xd2与D_dn2中的较大者变为1减去较小者。

a4、根据D_xd1、D_dn1和D_xd2、D_dn2计算出D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]和D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]由下式获得：

上式中，D_z1的取值范围为[0，1-D_xd1-D_dn1]。函数sign1()和sign2()的定义如下式所示

D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]由下式获得：

上式中，D_z2的取值范围为[0，1-D_xd2-D_dn2]。

步骤b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻，在本实施例中，是计算当前载波周期的两次电流采样时刻t_s1、t_s2以及下一次载波周期的两次电流采样时刻t_s3、t_s4，t_s1、t_s2、t_s3和t_s4的计算公式如下：

图4示出了根据本发明第二实施例的四次电流采样时刻的示意图，图3中的0代表当前载波周期的起始时刻，也即采样算法周期的起始时刻。

步骤c、按照调整后的三相占空比输出三相电压，在当前载波周期的前半周期按照D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]输出电压，在当前载波周期的后半周期按照D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]输出电压，在下一个载波周期的前半周期按照D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]输出电压，在下一个载波周期的后半周期按照D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]输出电压。

为了简化叙述，x代表a、b、c，用D₁[x]代表D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]，用D₂[x]代表D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]。在当前载波周期(即采样算法周期的第一个载波周期)的前半周期，当时间t小于(1-D₁[x])*T/2时，x相输出低电平，否则输出高电平；在当前载波周期的后半周期，当时间t小于(1+D₂[x])*T/2时，x相输出高电平，否则输出低电平；在下一个载波周期(即采样算法周期的第二个载波周期)的前半周期，当时间t小于(3-D₂[x])*T/2时，x相输出低电平，否则输出高电平；在下一个载波周期的后半周期，当时间t小于(3+D₁[x])*T/2时，x相输出高电平，否则输出低电平。图5示出了本发明第二实施例按照调整后的占空比所输出的单相电压的示意图。图5中的0代表当前载波周期的起始时刻，该实施例中，采样算法周期等于两个载波周期，0也是采样算法周期的起始时刻。上述的时间t是当前采样算法周期内的时间。

步骤d、在当前载波周期的采样时刻t_s1、t_s2和下一个载波周期的采样时刻t_s3、t_s4进行采样，获得母线电流I_dc1、I_dc2、I_dc3和I_dc4，根据采样得到的母线电流重构出三相电流。

记三相电流分别为I[a]、I[b]和I[c]，那么三相电流可以通过下式获得：

在第二实施例中，重构的三相电流由两组电流采样值的平均值而获得，可以降低单电阻电流采样时纹波电流的影响，从而提高电流采样精度。

本发明的第一、第二实施例中，每个载波周期前半周期的占空比和后半周期的占空比可以进行对换，对换之后，采样时刻以及电流重构的计算公式作相应修改就可以实现单电阻电流采样，此处不再给出具体公式。

本发明的第一、第二实施例中，输出电压时，电平极性也可以进行更改。如果将高电平变为低电平，低电平变为高电平，只需要将原先的占空比进行调整(将原先占空比的值变为1减去该值就可以)就可以保证输出相同的电压，此时，采样时刻以及电流重构的计算公式作相应修改就可以实现单电阻电流采样，此处不再给出具体公式。

本发明的又一实施例还提供了一种单电阻电流采样装置，包括存储器和处理器。存储器用于存储程序；处理器用于加载所述程序以执行前述的单电阻电流采样方法。

根据本发明实施例的单电阻电流采样方法及其装置可以实现单电阻电流采样，并保证采样精度，进而实现对三相电机的控制以及实现对电机驱动装置(例如变频器等)和电机的保护。

Claims (10)

1.一种单电阻电流采样方法，通过三相逆变电路母线上设置的采样电阻采样母线电流；其特征在于，包括以下步骤：

a、对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]、以及D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]；其中，D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的其中一者的三相占空比，D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的另一者的三相占空比；

b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻；

c、按照调整后的三相占空比输出三相电压；

d、在电流采样时刻进行电流采样，根据电流采样结果重构出三相电流。

2.如权利要求1所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，步骤a包括：

a1、对PWM控制算法计算出的三相占空比D[a]、D[b]、D[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值D_max、中间值D_mid、最小值D_min，并记录最大值D_max、中间值D_mid和最小值D_min对应的相为a相、b相还是c相，令Max代表占空比最大值对应相的序号，Mid代表占空比中间值对应相的序号，Min代表占空比最小值对应相的序号；当出现三相占空比都相等的情况时，先指定任意一相占空比为最大值，然后指定剩余两相占空比中的任意一相占空比为中间值，剩余一相占空比为最小值；当出现两相占空比相等时，指定相等的两相占空比中的任意一相占空比为较大值，另一相占空比为较小值；

a2、计算D_max与D_mid的差值D_xd、以及D_mid与D_min的差值D_dn：

其中，D_max、D_mid和D_min的分别是三相占空比D[a]、D[b]、D[c]中的最大值、中间值和最小值；

a3、根据D_xd和D_dn获得第一临时计算变量D_xd1、第二临时计算变量D_dn1、第三临时计算变量D_xd2、以及第四临时计算变量D_dn2：

D_xd2＝2D_xd-D_xd1

D_dn2＝2D_dn-D_dn1

其中，D_Ts＝T_s*2/T，T为载波周期，Ts为预设的最小采样窗口；对通过上述公式计算得到的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2按照以下限制规则进行限制，获得最终的D_xd1、D_dn1、D_xd2、D_dn2：

如果D_xd1与D_dn1之和大于1，D_xd1与D_dn1中的较小者不变，D_xd1与D_dn1中的较大者变为1减去较小者；

如果D_xd2与D_dn2之和大于1，D_xd2与D_dn2中的较小者不变，D_xd2与D_dn2中的较大者变为1减去较小者；

a4、根据D_xd1、D_dn1和D_xd2、D_dn2计算出D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]和D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]：

其中，D_z1的取值范围为[0，1-D_xd1-D_dn1]；D_z2的取值范围为[0，

1-D_xd2-D_dn2]；函数sign1()和函数sign2()的定义如下式所示：

3.如权利要求2所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，所述步骤b中，计算当前载波周期的两次电流采样时刻t_s1和t_s2，t_s1和t_s2的计算公式如下：

4.如权利要求3所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，在所述步骤c中，在当前载波周期的前半周期按照D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]输出三相电压，在当前载波周期的后半周期按照D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]输出三相电压。

5.如权利要求4所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，在当前载波周期的前半周期，当时间t小于(1-D₁[x])*T/2时，x相输出低电平，否则输出高电平；在当前载波周期的后半周期，当时间t小于(1+D₂[x])*T/2时，x相输出高电平，否则输出低电平；D₁[x]代表D₁[a]、D₁[b]及D₁[c]，D₂[x]代表D₂[a]、D₂[b]及D₂[c]。

6.如权利要求2所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，所述步骤b中，计算当前载波周期的两次电流采样时刻t_s1、t_s2以及下一次载波周期的两次电流采样时刻t_s3、t_s4，t_s1、t_s2、t_s3和t_s4的计算公式如下：

7.如权利要求6所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，在所述步骤c中，在当前载波周期的前半周期按照D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]输出三相电压，在当前载波周期的后半周期按照D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]输出三相电压，在下一个载波周期的前半周期按照D₂[a]、D₂[b]、D₂[c]输出三相电压，在下一个载波周期的后半周期按照D₁[a]、D₁[b]、D₁[c]输出三相电压。

8.如权利要7所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，在当前载波周期的前半周期，当时间t小于(1-D₁[x])*T/2时，x相输出低电平，否则输出高电平，在当前载波周期的后半周期，当时间t小于(1+D₂[x])*T/2时，x相输出高电平，否则输出低电平；在下一个载波周期的前半周期，当时间t小于(3-D₂[x])*T/2时，x相输出低电平，否则输出高电平；在下一个载波周期的后半周期，当时间t小于(3+D₁[x])*T/2时，x相输出高电平，否则输出低电平；D₁[x]代表D₁[a]、D₁[b]及D₁[c]，D₂[x]代表D₂[a]、D₂[b]及D₂[c]。

9.如权利要求6所述的单电阻电流采样方法，其特征在于，重构三相电流的公式如下：

I_dc1、I_dc2、I_dc3和I_dc4分别为在t_s1、t_s2、t_s3和t_s4时刻采样获得的母线电流。

10.一种单电阻电流采样装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1至9中任何一项所述的单电阻电流采样方法。

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