摘要：电流的采样对电机矢量控制是非常重要的。在低成本应用场合，采用MOSFET导通电阻的电流采样方法具有竞争优势。本文对检测MOSFET开关管导通管压降来获取电流的原理进行了阐述，提出了电机矢量控制中电流采样及相电流重构的方法。最后，基于Microchip dsPIC30F5015芯片结合矢量控制平台进行了实验，论证了该算法的正确性和可行性。
关键词：电机矢量控制 电流波形 重构MOSFET 电流采样
20世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。
在交流电机矢量控制策略中，相电流采样性能是一个重要的指标。在对成本要求高的应用场合，如何低成本地获得好的电流采样性能成为关键问题。
本文在分析MOSFET电流采样原理的基础上，提出空间矢量PWM(SVPWM)控制方式下交流电动机相电流重构技术。该技术利用三个MOSFET下管的导通压降来获取电流信息，根据逆变器所处开关状态和三相电流关系，计算出各相电流，实现交流电动机的相电流重构。
一、MOSFET电流采样原理
随着微电子技术的发展，采用MOSFET作为电流检测的手段已得到越来越广泛的关注。MOSFET作为多子器件，在饱和导通时具有电阻特性。图1是MOSFET的导通电阻特性曲线图。由图1可见，当VGS大于9V时，MOSFET饱和导通，漏源为恒定电阻，并且阻值很小。不同型号的MOSFET有不同的漏源导通电阻值。
当MOSFET功率开关流过通态电流时，由于通态导通电阻的存在，在其导通沟道上有一定的压降，又因器件的导通电阻基本稳定，该压降与器件的通态电流成正比。所以，检测出MOSFET开关器件的通态压降也就检测到流过器件的电流大小。另外，MOSFET的通态电阻具有一定的温度系数，在工作环境温度变化较大的情况下，根据MOSFET通态电阻和温度的曲线关系，修正导通内阻可以消除温度对检测精度影响。这种电流检测电路简化了设计，节约了成本和空间，尤其是避免了检测电阻的引入对电路造成的额外功率损耗。
二、基于MOSFET内阻的电流采样重构方法
永磁同步电机的磁场定向控制(FOC)目前采用最广泛的是空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)，其主要思想为：以三相对称正弦波电压供电式交流电动机的定子理想磁通圆为参考基准，用逆变器不同的开关模态所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器开关状态，形成指令的PWM波形。基于MOSFET内阻的电流采样原理如图2所示，定义三相上桥臂的开关管状态分别为Sa、Sb、Sc，导通时定义为状态1，关断时定义为状态0。可形成8个空间电压矢量，其中6个非零空间电压矢量为V100、V110、V010、V011、V001、V101，2个零矢量为V000、V111将空间电压矢量平面分为6个扇区。
如图3所示，以第一扇区为例参考电压矢量V由V110和V1002个基本矢量合成，作用有效时间分别为t1和t2。电压矢量V经调制的PWM波形如图4所示。其中在基本矢量V100作用的t2时间内逆变器上桥臂只有A相桥臂导通，B、C相下桥臂导通，形成回路。此时，通过采样B、C相下桥臂MOSFET的导通压降，而获得B、C相的相电流-ib、-ic。依此类推，得到不同扇区可以检测的相电流，如表1所示。
在一个PWM周期内，1个基本电压矢量(1相上桥臂导通，2相下桥臂导通)作用时，通过采样2相下桥臂MOSFET的导通压降，获得2相的相电流，结合表1的对应关系，通过ia+ib+ic=0计算得到全部的相电流信息。
根据前面所述的基于MOSFET内阻电流采样的原理，在每个PWM周期中电流采样触发1次。由于在开关管开通和关断的时候电流产生较大的脉动，所以采样时刻设在1个基本电压矢量的中间时刻。电流采样时刻如图5所示。根据上面分析的重构原理得到电机的三相电流。
上述只考虑了理想情况，实际上电流采样和电流重构的成功实施必须满足一个最基本的条件，即当非零空间电压矢量作用时电流采样要有足够的采样窗口，其作用时间应大于完成一次电流采样所需的最短时间Tmin，即：
Tmin = Td+ Tad+ Tsett (1)
式中，Td为逆变器的死区时间;Tad为A/D采样和保持时间;Tsett为采样电流完全建立需要的稳定时间。而当参考电压矢量处于SVPWM波低调制区域或在非零空间电压矢量附近时，就不能满足上述条件。通常采用不对称PWM波可以解决这个电流检测的局限性。不对称PWM波可以保证在整个PWM周期脉冲占空比不变的情况下，获得足够的电流采样时间。具体实现方法可参考文献。
三、实验验证
Microchip公司的dsPIC30F5015是一款高性能的16位处理器[9-10]。当A/D转换精度为10位时，最大转换速度为1Msps，支持对四个模拟输入引脚进行同时采样。内含的电机控制PWM(MCPWM)模块简化了产生多种同步脉宽调制输出的任务，PWM发生器是通过一个内含15位的递增/递减计数器(PTMR)来产生PWM输出，PWM输出支持带双更新的中心对齐模式，从而实现所需要的不对称PWM波。PWM模块有一个事件触发器，允许A/D转换与PWM时基同步，实现A/D采样和转换时间发生在PWM周期中的用户设定点，完成预定时刻的电流采样。
在电流采样过程中，dsPIC30F5015通过内部设置A/D采样时间Tad为2.1us，死区时间Td为2.5us ，建立时间Tsett约为1us。为了能够正确的重构相电流信号，最小检测时间Tmin设置为8us，同时这个时间可以根据实际情况进行恰当的增加和减少。
本实验选取的电机为24极36槽电动自行车轮毂电机，工作电压48V，最高转速500rpm，通过500W的电机变频器控制电路进行实验。在轻负载状态下电机转速500rpm时正常运行，实际检测到的电动机A相电流波形如图6所示。从测试结果可以看出，电流波形平滑，效果很好。表明相电流采样及重构方法有效。
四、结语
基于MOSFET内阻的电流采样及相电流重构的方法具有电路结构简单、成本低、精度高、易实现等优点，尤其是避免了检测电阻的引入对电路造成的额外功率损耗，在低压交流电动机的变频控制领域中具有很高的应用价值。本文对检测MOSFET开关管导通管压降来获取电流的原理进行了阐述，提出了电机矢量控制中电流采样及相电流重构的方法。实验证明基于MOSFET内阻的电流采样及相电流重构的算法能实现全区域的电流采样及重构。
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发表于 2018-8-22 20:23:06