CN102594249A - 三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独特的三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法。通过一个安装在变频器母线低压侧的分流电阻检测母线电流，根据控制开关的脉宽调制PWM占空比大小，确定母线电流采取的触发时间，相应地重构电机的三相电流。发明的电机电流重构方法删除了电机电流直接检测硬件电路，节省硬件成本，又能达到与电机三相电流直接检测矢量控制一样的性能。这种方法不仅适用于空间矢量脉宽调制模式，而且消除了基于空间开关矢量方法中存在的扇区边界和低调制区域问题。实验结果分析表明，本发明的电机电流重构方法也适用于其它任何开关调制模式，更具有通用性和实用性。特别是在小电流和低调制区域，它也能精确的重构出电机的三相电流。

Description

三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法

技术领域：

本发明涉及无速度传感器矢量控制(SVC)三相永磁同步电动机(PMSM)，特别涉及一种通过重构三相交流电机电流来实现单母线电流检测无速度传感器矢量控制方法。

背景技术：

矢量控制是当前最流行的一种高性能电机控制方法。通过坐标矢量变换，电机的三相电流分解成两个互相垂直的dq轴电流：磁通分量和转矩分量，然后像直流电机一样直接地控制电机的磁通和转矩，以实现快速的动态响应和精确的控制。

无速度传感器矢量控制，消除了电机的速度传感器(通常是编码器)，通过电机的电流观测出电机的转速和位置。这样不仅降低了电机控制硬件的成本，也提高了系统的可靠性。

通常情况下，无速度传感器矢量控制至少需要检测电机的两相电流用来观测电机的磁链，进而计算电机的位置和速度。电流检测硬件增加了成本。因此，现有技术人员更多地关注在开发单母线电流检测矢量控制，目的是删除电机电流直接检测，通过一个安装在变频器母线低压侧的分流电阻检测母线电流，进而重构出电机的三相电流。

另一方面，现有已知的方案都是根据电压源逆变器六个开关空间矢量模式，直接确定采取的直流母线电流是电机三相电流中哪一相电流。由于电压源逆变器三个桥臂总共有六个非零状态，每一个开关状态相应地对应着电机流过的一相电流。因此，根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)的六个空间矢量即可得到电机的每一相电流。例如，Delpha，STmicroelectronics和Freescale的单母线电机电流重构方法原理都是这样。然而，这种电机电流重构方法存在问题，空间矢量脉宽调制(SVPWM)在空间矢量的扇区边界和低调制区域的时候，如果有效矢量持续的时间少于电流采样时间，则会出错。为此一些公开的方案则采取补偿办法，是在相邻边界的时候插入有效矢量，但是插入有效矢量会给电流波形带来失真。同时，这种方法仅仅局限于空间矢量脉宽调制模式，对于其它脉宽调制方式，这种电机的相电流直接地等于母线电流方法就不能使用。

发明内容：

鉴于上述现有技术的缺陷以及实际应用的需求，本发明提出一种独特的三相交流电机单母线电流检测无速度传感器矢量控制方法。通过一个安装在变频器母线低压侧的分流电阻检测母线电流，根据控制开关的脉宽调制PWM占空比大小，确定母线电流采取的触发时间，相应地重构电机的三相电流。发明的电机电流重构方法删除了电机电流直接检测硬件电路，节省硬件成本，又能达到与电机三相电流直接检测矢量控制一样的性能。

本发明方法包括如下步骤：

(1)设置由AC/DC整流器、一个带直流母线电流检测的电压源逆变器和一个基于微处理器的电机控制器所组成的硬件电路系统；电压源逆变器为电机提供三相电压和频率可调的电源；电机控制器用来实现电机电流重构算法和单母线电流检测无速度传感器矢量控制方法；上述系统是开发电机电流重构和控制硬件平台的基础。

(2)输入直流母线电流到微处理器的两个逻辑到数字(ADC)通道AN0和AN6，根据脉宽调制PWM占空比确定两个ADC输入通道硬件触发时间，并相应地读取电机的三相电流；

(3)读取母线电流采样值，并根据脉宽调制PWM占空比大小确定重构的是那一相电流；电流采样值减去零电流偏移值，计算母线电流的实际值；

(4)在电压源逆变器六种开关状态下，重复读取两个ADC通道电流值，重构电机的三相电流；

(5)通过坐标矢量变换，分解重构的三相电流成两个互相垂直的dq轴直流电流，即磁通分量和转矩分量，从而实现单母线电流检测无速度传感器矢量控制。

由上述本发明方法对比可知，通常三相交流电机矢量控制需要检测电机的三相电流，然后变换到dq轴两相直流电流，这样就可以直接地控制电机的磁通和转矩，达到与直流电机控制相媲美的快速和精确的性能。直接检测电机的三相电流增加了硬件成本。本发明方法利用直流母线电流重构电机的三相交流电流，删除了电机电流直接检测硬件电路和节省了成本，又能达到与三相电流直接检测控制一样的性能。

此外，本发明所述的单母线电机电流重构方法是根据六个开关控制的脉宽调制PWM占空比大小，确定微处理器的定时器触发时间，通过硬件相应地触发两个ADC通道去采取直流母线的电流，进而相应地重构电机的三相电流。这种方法不仅适用于空间矢量脉宽调制模式，而且消除了基于空间开关矢量方法中存在的扇区边界和低调制区域问题。另外，实验结果分析表明，本发明的电机电流重构方法也适用于其它任何开关调制模式，更具有通用性和实用性。特别是在小电流和低调制区域，它也能精确的重构出电机的三相电流。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为单母线电流检测无速度传感器矢量控制硬件开发平台结构图。

图2为定时器触发电机电流重构示意图。

图3为电机三相电流重构无速度传感器矢量控制控制实施策略方框图。

图4为空载情况下重构出来的电机相电流波形图。

图5为满载情况下重构出来的电机相电流波形图。

图6为空载情况下直接检测出来的电机相电流波形图。

图7为满载情况下直接检测出来的电机相电流波形图。

图8为电机电流重构出来的无速度传感器矢量控制速度负载响应曲线。

图9为电机电流直接检测出来的无速度传感器矢量控制速度负载响应曲线。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为了实现本发明所述的三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法，具体实施过程包括：

(一)硬件电路设置；

首先，具体介绍一下本发明方案中所涉及的硬件电路。

如图1所示，该系统主要包括一个由AC到DC整流器，直流母线和DC到AC逆变器组成的电压源逆变器(VSI)，和一个以微处理器为中心处理单元的控制器。电压源逆变器是用来给电机提供频率和电压可以调节的三相电源。控制器是用来实现电机的三相电流重构算法以及无速度传感器矢量控制方案。所示系统采取母线电压，母线电流，以及电机的三相电流。三相电流检测主要是用来做对比试验，确认开发的电机电流重构方法和单母线电流无速度传感器矢量控制的性能是否与常规的电机电流直接检测矢量控制接近。实际上，在本发明方案里删除了电机的相电流检测，系统仅仅需要采取的是母线电压和电流。母线电流采取是通过安装在变频器母线低压侧的一个分流电阻检测，然后输入到微处理器(MCU)计算电机的三相电流。

(二)电流重构方法；

如上所述，电机的三相电流不是直接用三个电流传感器检测，而是通过母线电流重构计算出来。基于脉宽调制PWM占空比大小，本发明方法开发了一个独特的电流重构方法。

图2显示了由一个分流电阻检测的直流母线电流，输入到电机控制器(微处理器)的两个ADC通道，根据脉宽调制PWM占空比大小确定触发ADC通道的时间，并相应地读取电机的三相电流。如这个图上所示：W相的PWM占空比值最大，V相次之，U相的最小。

如果在W相和V相的上升沿之间检测母线电流，这个电流确定是W相电流，因为在这种情况下，只有W相才是导通的，也就是说逆变器的三个桥臂只有W相的上桥臂开关IGBT是导通的，因此，分流电阻上测量到的母线电流仅仅是W相电流。下一个PWM脉冲，如果检测的电流是在V相和U相的上升沿之间，那么W相和V相这两相电流被测量，这意味着U相电流被测量，因为对于一个三相对称系统，所有的三相电流总和应为零。

因此，母线电流测量和电机的三相电流重构必须在一个精确的时间下读取。在一个PWM中断时间内，为了精确地触发这两个ADC通道读取电机的三相电流值，需要使用两个定时器通道MTU2S4.TADCOBRA和MTU2S4.TADCOBRB来定时控触发时间。根据已知的PWM输出占空比，计算这两个ADC通道的精确的触发时间。

微处理器具有多功能定时器脉冲通道，包括多个16位或32位定时器。在本发明具体实现过程中，两个定时器通道MTU2S4.ADCOBRA和MTU2S4.TADCOBRB被用作母线电流检测定时器，根据每个阶段开关状态的PWM占空比值计算出精确的时间，触发ADC通道AN0和AN6。

这个算法的主要部分是要比较三相PWM占空比值，以确定MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时器触发时间。因为三个PWM占空比值是不断变化，W相的PWM占空比不总是最大的，因此，每次需要设置一个适当的标志来标示当前正在执行相电流测量中哪一相PWM值是最大的。所有的PWM占空比值比较，相标志的设置，以及相应的ADC通道触发时间计算是一个复杂的处理过程，需要占用更多的CPU处理时间和内存。CPU带宽比直接电流检测方案无速度传感器矢量控制要求高。因此，对于单母线电流检测无速度传感器矢量控制，ADC通道AN0和AN6触发应该由硬件来实现，从而节省ADC转换时间。此外，算法执行的微处理器需要具有较高的运算能力，使得母线电流检测和电机三相电流重构实现简单和精确。

如上所述，通过两个ADC通道AN0和AN6采取母线电流，采样值分别存放在iw0ad和iw6ad。根据三相PWM的占空比：du，dv和dw，计算ADC触发定时器时间和设置相应的电机电流转换。具体实施描述如下：

1)如果du＞dv＞dw，设置MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时器触发时间分别为：

MTU2S4.TADCOBRA＝dv+SS

MTU2S4.TADCOBRB＝dw+SS

SS值决定于ADC采样时间和硬件电路设定时间。

转换母线电流为U相和W相的电流：

ium＝iw0ad-iw0_off

iwm＝-iw6ad+iw6_off

iw0_off和iw6_off分别是两个ADC通道AN0和AN6采取的直流母线

零电流的偏移值。

2)如果du＞dw＞dv，设置MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时器触发时间分别为：

MTU2S4.TADCOBRA＝dw+SS

MTU2S4.TADCOBRB＝dv+SS

转换母线电流为U相和V相的电流：

ium＝iw0ad-iw0_off

ivm＝-iw6ad+iw6_off

3)如果dw＞du＞dv，设置MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时

器触发时间分别为：

MTU2S4.TADCOBRA＝du+SS

MTU2S4.TADCOBRB＝dv+SS

转换母线电流为W相和V相的电流：

iwm＝iw0ad-iw0_off

ivm＝-iw6ad+iw6_off

4)如果dv＞du＞dw，设置MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时器触发时间分别为：

MTU2S4.TADCOBRA＝du+SS

MTU2S4.TADCOBRB＝dw+SS

转换母线电流为U相和W相的电流：

ium＝iw0ad-iw0_off

iwm＝-iw6ad+iw6_off

5)如果dv＞dw＞du，设置MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时器触发时间分别为：

MTU2S4.TADCOBRA＝dw+SS

MTU2S4.TADCOBRB＝du+SS

转换母线电流为V相和U相的电流：

ivm＝iw0ad-iw0_off

i um＝-iw6ad+iw6_off

6)如果dw＞dv＞du，设置MTU2S4.TADCOBRA，MTU2S4.TADCOBRB两个定时器触发时间分别为：

MTU2S4.TADCOBRA＝dv+SS

MTU2S4.TADCOBRB＝du+SS

转换母线电流为W相和U相的电流：

iwm＝iw0ad-iw0_off

ium＝-iw6ad+iw6_off

电压源逆变器提供电机三相变频变压电源，三个桥臂六个开关总共有六个非零状态。因此，上面的六种状况包括了这六个状态，从而转换母线电流为电机的三相电流。

(三)电流重构应用和无速度传感器矢量控制实施策略；

重构出的电机三相电流经过矢量变换成两相dq轴直流电流。矢量变换分成两个步聚。首先是Clarke变换，转换电机的三相交流电流为两相互相垂直的交流电流ia和iβ。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]$

第二步是Park变换，进一步转换电机的两相交流电流ia和iβ为两相直流电流id和iq。

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

θ是d轴电流与U相电流之间的角度。

经过矢量变换，电机的三相交流电流转换为两相互相垂直的直流电流。因此，矢量控制三相交流电机就像控制直流电机一样，可以直接地控制电机的磁通和转矩。

结合发明的电机电流重构方法，单母线电流检测无速度传感器矢量控制不仅提高了电机的控制性能，而且节省电机的三相电流采样电路，从而进一步节省了硬件成本。

图3描叙了电机三相电流重构和它在无速度传感器矢量控制控制应用的实施策略。单母线电流检测方法的无速度传感器矢量控制，消除了电机的位置传感器和相电流直接检测传感器。由一个安装在变频器母线低压侧的分流电阻检测母线电流重构出电机的三相电流。控制系统主要由：电机相电流重构模块，矢量变换模块包括Clarke变换，Park变换和Park反变换，转子位置和磁通观测器，速度观测器，速度调节器，磁通电流和转矩电流调节器，以及空间矢量和正弦PWM脉宽调制器组成。系统实现电流和速度双闭环控制，速度外环和电流内环。速度和电流调节器使用的是传统的比例积分PI控制器。电流环直接控制电机的磁通电流和转矩电流，也就是d轴和q轴电流，因而直接控制电机的磁通和转矩，达到与直流电机控制相媲美的快速和精确的性能。

(四)试验论证；

发明的单母线电流重构电机的三相电流方法和它在无速度传感器矢量控制上应用已经实际实现。图1所示的是本发明开发试验平台结构图。该系统主要由一个电压源逆变器(VSI)和一个以微处理器为中心处理单元的控制器组成。电压源逆变器是用来给电机提供频率和电压可以调节的三相电源，控制器实现电机的三相电流重构算法和矢量控制方案。测试的电机是一个三相永磁同步电机。在没有负载情况下，这种永磁激励的电机电流很小。

为了比较和验证重构的电机电流和控制性能，三相电流直接检测及其矢量控制也实现。图4显示的是空载情况下重构出来的电机相电流，是一个非常正弦和很小的交流电流，这是因为实现的单母线电流检测矢量控制能做到精确的磁通定向。图5是满载情况下重构出来的电机相电流，电流幅值大概1.5安培。图6和图7分别显示的是空载和瞒载情况下直接检测出来的电机相电流。与图4和图5相比较，重构出来的电机相电流与实际直接检测的电机相电流非常接近，这说明了重构出来的电机相电流非常精确。

图8显示的是电机电流重构无速度矢量控制的速度曲线。在突然加载和去载情况下，电机的速度变化很小，并且能很快回到设定速度，这表明电流重构无速度矢量控制动态响应快和控制精度高。图9是电机电流直接检测无速度矢量控制的速度曲线。与图8相比，速度响应和控制性能基本一样。

实验结果进一步证实了单母线电流检测无速度传感器矢量控制与电机电流直接检测无速度传感器矢量控制具有一致的性能，表明了发明的电机电流重构方法有着实际工业应用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置由AC/DC整流器、一个带直流母线电流检测的电压源逆变器和一个基于微处理器的电机控制器所组成的硬件电路系统；

(2)输入直流母线电流到微处理器的两个逻辑到数字(ADC)通道AN0和AN6，根据脉宽调制PWM占空比确定两个ADC输入通道硬件触发时间，并相应地读取电机的三相电流；

(3)读取母线电流采样值，并根据脉宽调制PWM占空比大小确定重构的是那一相电流；电流采样值减去零电流偏移值，计算母线电流的实际值；

(4)在电压源逆变器六种开关状态下，重复读取两个ADC通道电流值，重构电机的三相电流；

(5)通过坐标矢量变换，分解重构的三相电流成两个互相垂直的dq轴直流电流，即磁通分量和转矩分量，从而实现单母线电流检测无速度传感器矢量控制。

2.根据权利要求1的三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过使用两个定时器通道MTU2S4.TADCOBRA和MTU2S4.TADCOBRB来用作母线电流检测定时器，继而精确定时触发这两个ADC通道。

3.根据权利要求2的三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，设iw0_off和iw6_off分别是两个ADC通道AN0和AN6采取的直流母线零电流的偏移值，根据三相PWM的占空比：du，dv和dw，计算ADC触发定时器时间和设置相应的电机电流转换；具体包括以下六种情况：

当du＞dv＞dw，MTU2S4.TADCOBRA＝dv+SS，MTU2S4.TADCOBRB＝dw+SS；转换母线电流为U相和W相的电流：ium＝iw0ad-iw0_off，iwm＝-iw6ad+iw6_off；

当du＞dw＞dv，MTU2S4.TADCOBRA＝dw+SS，MTU2S4.TADCOBRB＝dv+SS；转换母线电流为U相和V相的电流：ium＝iw0ad-iw0_off，ivm＝-iw6ad+iw6_off；

当dw＞du＞dv，MTU2S4.TADCOBRA＝du+SS，MTU2S4.TADCOBRB＝dv+SS；转换母线电流为W相和V相的电流：iwm＝iw0ad-iw0_off，ivm＝-iw6ad+iw6_off；

当dv＞du＞dw，MTU2S4.TADCOBRA＝du+SS，MTU2S4.TADCOBRB＝dw+SS；转换母线电流为U相和W相的电流：ium＝iw0ad-iw0_off，iwm＝-iw6ad+iw6_off；

当dv＞dw＞du，MTU2S4.TADCOBRA＝dw+SS，MTU2S4.TADCOBRB＝du+SS；转换母线电流为V相和U相的电流：ivm＝iw0ad-iw0_off，ium＝-iw6ad+iw6_off；

当dw＞dv＞du，MTU2S4.TADCOBRA＝dv+SS，MTU2S4.TADCOBRB＝du+SS；转换母线电流为W相和U相的电流：iwm＝iw0ad-iw0_off，ium＝-iw6ad+iw6_off。

4.根据权利要求1的三相交流电机单母线电流检无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，矢量变换包括：

步骤a：Clarke变换，转换电机的三相交流电流为两相互相垂直的交流电流ia和iβ，即： $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]$

步骤b：Park变换，进一步转换电机的两相交流电流ia和iβ为两相直流电流id和iq，即： $\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right].$

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