矢量控制技术中,一个关键的技术环节是相电流的采集和重构。电流采集方式有多种,但是鉴于成本和易用性的考虑,目前应用较多的电流采集方式只有三种。单电阻法、双电阻法以及三电阻法。
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单电阻采集方案,成本低,只需要一个采样电阻和一个运算放大电路即可。由于采用单分流电阻,三相电流的测量电路相同,不需要为每一相电路做单独校准处理。
但是单电阻采样方案的程序实现相对复杂,在一个PWM周期中需要进行两次采样。并且在有些特定时刻需要对正弦调制模式进行修改,才能重构出三相电流,因此更容易产生电流纹波。
对照七段式PWM发波顺序图,看一下扇区I时的PWM波形:
图中所示,黄色线区域,A相上桥臂为高,B和C上桥臂为低,下桥臂为高,电流由电源的正极流入电机的A相,由B和C相流出,我们假定电流由电机端线到中性点的方向为正,反之为负。因此,此时采样电阻上流入的电流为Ia。
上图中的PWM波形蓝色线区域时,A相和B相上桥臂导通,C相下桥臂导通,因此电流由电源的正极从A和B相流入电机,从C相流出,因此,此时采样电阻上的电流实际为-Ic。
这样在一个PWM周期中进行两次采样,即可重构出三相电流。但是,有一种特殊情况,在一个PWM周期中有两相占空比相似或相等的情况下,采样窗口很小,无法采集第二个电流,因此该周期无法重构出三相电流。此时就需要对该周期PWM进行调整,增大采样窗口。
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双电阻采样方案,只在某两相的下桥臂放置采样电阻,在下桥臂导通时采集电流。
由于SVPWM的某些周期中某一相的下桥臂导通时间短,因此该相采集窗口时间较短,从而导致该相电流采集不准确。因为开关管的存在,任意时刻流经采样电阻上的电流并不总是等于相电流,因此对采样时刻要求严格。
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三电阻方案,在三相下桥臂放置采样电阻,下桥臂导通时采集该相电流。
由于是三电阻,因此任何时候都可以丢弃采样窗口较短的那一相,由基尔霍夫电流定律推出第三相的电流。算法简单,只需要采集一次就可以重构出三相的电流。因此速度较快,也是三种方案中应用最多的一种方案。
三电阻方案,由于流过电阻上的电流方向不同,有正有负,在零电平上下摆动,因此需要增加相移电路才能送到ADC电路进行采样。ST的三电阻方案中,根据扇区来确定采样顺序,其实原理上都一样。也是避开了导通时间较短的那一项,只采集另外两项。
比如扇区I中,它的PWM波形如前面所示,因为该扇区A相的上桥臂导通时间最长,下桥臂导通时间最短,因此避开A相的采集,只采集B和C相。
同理,在扇区II中,B相的上桥臂导通时间最长,下桥臂导通时间最短,因此避开B相的采集,只采集A和C相。
矢量控制的电流采集方案中,还有一种采用双电流互感器的方式,这种方式不受桥臂导通限制,任何时刻都可以采样,抗干扰能力强,成本也较高。在常见的矢量控制方案中,三电阻和双电阻方案因其成本低廉,程序设计简单,因此应用较多。实际使用时需要注意地平面的噪声干扰,对采样电阻尽量采取差分走线方式布线。
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