无刷直流电机的矢量控制中,采用分流电阻进行三相电流采样是一种经济成本较低、应用较成熟的方案,因此在很多低成本产品中应用十分广泛。
分流电阻方案的整体思路是在下桥臂或地线上串联分流电阻,通过运放和控制器AD进行测量,获取电机三相电流。根据使用的电阻数量,分流电阻方案可分为三电阻采样、两电阻采样和单电阻采样,每种方案都有各自的优点和缺陷。本文主要介绍单电阻采样方法。
单电阻采样原理如图1中所示。在DC-AC变流器的地线上串联分流电阻,电阻电压信号用运算放大器放大之后输入到MCU的AD引脚,实现电流信号采样。
图1 单电阻电流检测电路
该方案通过单个电阻实现三相电流采样,因此在采样时间上有特定要求,需要在一个PWM周期内连续采样两次,然后通过计算才能得到三相电流。
以三相调制为例(还有两相调制,原理稍有区别),根据相位θ将UVW三相驱动波形分为6个区段,如图2中所示。
图2 三相驱动波形和区段的关系
以区段1为例,三相电流的采样和计算方法如图3中所示。区段1中,一个PWM周期内三角载波与调制波比较结果(即PWM输出信号)共有4种组合:
(UVW):(000),(100),(110),(111)
其中0表示上桥臂关断,下桥臂导通;1表示上桥臂导通,下桥臂关断。
图3 区段1采样时间示意
当输出PWM为(110)时(A采样点),系统电流如图4中所示,此时分流电阻的电流为-IW;当输出PWM为(100)时(B采样点),系统电流如图5中所示,此时分流电阻的电流为IU。根据IU+IV+IW=0,可以求得IV的值。
图4 A采样点电流示意
图5 B采样点电流示意
按照区段1的原理,各区段的测量电流为:
实际在MCU中实现单电阻采样算法时,大体遵循以上思路。其中的难点在于每次AD采样的执行需要持续一定的时间,按照图3所示的采样原理,若UVW三相或某其中两相的PWM占空比大小比较接近,则无法有足够的时间窗口采集到正确的数值。
因此在实际应用中,需要考虑到AD采样时长与PWM输出连续变化二者之间的矛盾。针对这个问题,也产生了不止一种解决思路,采用stm32-HAL库给出的解决思路,该方案的代码量较大,涉及了较复杂的中断操作,主要是ADC中断和定时器中断时间的配合,以及采样时间点和采样结果的计算和补偿。
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