CN112260601A - 一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，包括：确定单电阻采样的最小采样时间，在给定的低速运行节点处，计算矢量变频控制每一个扇区对应的两个非零电压矢量作用时间的变化曲线以及作用时间的交点；在最低设定转速处电机空载运行，判断是否存在单电阻电流重构的低调制不可观测区域；如不进入低调制不可观测区域，则通过优化脉冲移项的方法以获取足够的采样时间；否则增大永磁同步电机反电势系数重新计算；基于所述优化脉冲移项的结果，按照当前控制迭代运算的扇区号进行三相电流的分配。本发明通过电机反电势系数优化确保单电阻采样三相电流重构不进入低调制不可观测区，并且提高低速运行过程中三相电流的采样精度。

Description

一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、调速范围宽、功率密度和电机效率高等优点，目前已被广泛应用于家电、风机泵类产品等领域。中小功率永磁同步电机驱动系统对产品性价比的要求较高，而电流采样电路在整机硬件成本中所占的比例不可忽视，较为常用的电流采样方法是采用两个电流传感器测量相电流，但这种方法成本较高。使用电阻采样可以简化系统结构，降低硬件电路成本，目前较常用的方案是双电阻采样方案。电机相电流单电阻采样方案可以进一步简化硬件电路布局、降低成本，近几年来这种方案越来越受到生产厂家的重视，但是单电阻采样需要对驱动系统母线电流进行三相电流重构，电流重构过程中存在盲区，即不可观测区，通常可以这种盲区分为低调制不可观测区、扇区过渡不可观测区、高调制不可观测区。

关于单电阻采样电流重构方法，当出现低调制不可观测区、扇区过渡不可观测区时，传统的脉冲移相方法是固定最宽脉冲相不变，先将次宽脉冲相向后移一定的时间，在此基础上，再将最窄脉冲相向后移一定的时间，这样通过采样每获得一组三相电流常常需要进行两次脉冲移相，而且两次脉冲移相使三相脉冲严重不对称，这导致低速运行情况所采得的三相电流波形出现畸变。

对单电阻采样电流重构方法进行优化，黄科元等人在《电力系统及其自动化学报》(VOL.30，NO.9)上提出了一种单电阻采样永磁同步电机相电流重构策略，在低调制不可观测区和中调制不可观测区插入测量脉冲，在高调制不可观测区采用电压矢量近似的方法，但这种方法存在算法执行时间长、实施过程复杂的缺点；Saritha B等人在《IEEE Trans onIndustrial Electronics》(VOL.54，NO.5)针对不可观测区采用正弦曲线拟合观测器，使估计的电流趋近参考正弦三相电流，但这种方法依赖电机参数，且不能解决低速误差问题。

另外，现有提高单电阻采样精度的算法复杂、处理器执行算法时间长，通过优化单电阻采样电流重构算法抑制永磁同步电机相电流波形畸变的方案，在低成本微处理器控制系统中实施困难。目前永磁同步电机电流波形畸变以及由此导致的低速噪音问题，限制了单电阻采样方案的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，用以克服现有的单电阻采样方案所存在的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，包括以下步骤：

根据单电阻采样永磁同步电机驱动系统参数，确定单电阻采样的最小采样时间，在给定的低速运行节点处，计算矢量变频控制每一个扇区对应的两个非零电压矢量作用时间的变化曲线，并计算所述两个非零电压矢量作用时间的交点；

在最低设定转速处电机空载运行，基于所述两个非零电压矢量作用时间、作用时间的交点以及所述最小采样时间，判断是否存在单电阻电流重构的低调制不可观测区域；

如果单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，则通过优化脉冲移项的方法以获取足够的采样时间；否则通过增大永磁同步电机反电势系数并重新执行性重构方法；

基于所述优化脉冲移项的结果，按照当前控制迭代运算的扇区号进行三相电流的分配。

进一步地，所述判断是否存在单电阻电流重构的低调制不可观测区域，包括：

当

时，任何时刻都不会出现

同时小于T_min的情况，单电阻电流重构不存在低调制不可观测区域；

当

时，某些时刻可能会出现

同时小于T_min的情况，单电阻电流重构存在低调制不可观测区域；

其中，T₁、T₂表示两个非零电压矢量作用时间，T_cross为T₁、T₂的交点，T_min为最小采样时间。

进一步地，所述增大永磁同步电机反电势系数的具体方法为：

增大电机绕组匝数并相应减小绕组线径，在维持电机槽满率基本不变的情况下增大永磁同步电机反电势系数。

进一步地，所述如果单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，则通过优化脉冲移项的方法以获取足够的采样时间，包括：

当电机的运行速度大于所述最低设定转速时，单电阻电流重构也不会进入低调制不可观测区域而只存在扇区过渡区不可观测区域，通过优化脉冲移相的方法以获得足够的采样时间，减少采样过程中脉冲移位的次数和三相脉冲的不对称性，提高低速运行单电阻采样过程中三相电流重构精度。

进一步地，所述优化脉冲移相的方法包括：

根据当前控制迭代运算的扇区号，确定三相脉冲中最宽脉冲相、次宽脉冲相、最窄脉冲相分别为哪一相；

当

时最宽脉冲相向左移相，提前触发以获得足够的采样时间，在最宽脉冲相触发T_min后启动第一次母线电流采样；

当

时最窄脉冲相向右移相，延时触发以获得足够的采样时间，在次宽脉冲相触发T_min后启动第二次母线电流采样。

进一步地，所述基于所述优化脉冲移项的结果，按照当前控制迭代运算的扇区号进行三相电流的分配，包括：

将第一次母线电流采样值I_ad1和第二次母线电流采样值的负值-I_ad2，按当前控制迭代运算的扇区号分配给三相电流中的两相，第三相电流为已分配的两相电流之和的负值。

一种控制器，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明通过研究矢量变频控制每一个扇区对应的两个非零电压矢量作用时间T₁、T₂曲线的规律，一方面通过电机反电势系数优化确保单电阻采样三相电流重构不进入低调制不可观测区，减小电流采样过程中脉冲移位的次数，消除单电阻采样方案存在的电流波形畸变；另一方面，本发明找出了单电阻三相电流重构只存在扇区过渡不可观测区时不存在T₁/2和T₂/2同时小于T_min的特征，进一步优化脉冲移相方法以获得足够的采样时间，减少了采样过程中脉冲移位的次数和三相脉冲的不对称性，提高低速运行单电阻采样过程中三相电流重构精度。

附图说明

图1为单电阻采样永磁同步电机三相电流重构示意图；

图2为永磁同步电机空间电压矢量图；

图3为三相电流重构可观测区PWM波形图；

图4为三相电流重构最短采样时间T_min示意图；

图5为三相电流重构非观测区示意图，其中(a)为扇区过渡不可观测区，(b)为低调制不可观测区；

图6的(a)和(b)为传统的脉冲移相方法；

图7为T₁、T₂曲线仿真波形图；

图8的(a)和(b)为当

时最宽脉冲相向左移相；

图9的(a)和(b)为当

时最窄脉冲相向右移相；

图10为单电阻采样永磁同步电机系统控制框图；

图11的(a)和(b)为Ke优化前后T₁、T₂曲线波形对比；

图12的(a)和(b)为相电流波形对比。

具体实施方式

单电阻采样永磁同步电机三相电流重构的基本原理就是利用一个PWM周期内在不同的时刻采样母线电流，通过相电流重构得到各个相电流，如图1为单电阻采样永磁同步电机三相电流重构示意图。电机控制器采用SVPWM调制方式控制，如图2所示为永磁同步电机矢量控制7段SVPWM对应的空间电压矢量图，有8种开关工作状态，包括六个非零电压矢量V₁～V₆和两个零电压矢量V₀、V₇，其将电压空间平面分成6个扇区，在每一个周期T_s内，每个扇区中任意目标电压矢量V_ref均可以由该扇区的两个非零电压矢量和零矢量共同合成产生，分析电流重构不可观测区首先需要计算每个扇区对应的非零电压矢量的作用时间T₁、T₂，以图2第1扇区为例，可以按如下的公式计算T₁、T₂：

T_s＝T₀+T₁+T₂ (2)

其中，T_s为一个矢量控制运算周期，第1扇区对应的非零电压矢量为V₄、V₆，T₀为零电压矢量V₀、V₇的作用时间总和，V_dc为母线电压，θ_ref为电压矢量V_ref与非零电压矢量V₄之间的夹角。

直流母线电流与三相电流关系由瞬时开关量的状态决定，以图2第4扇区为例在一个PWM周期内采样两相电流如图3所示，图3中参考电压矢量分解成基本电压矢量V₁(001)与V₃(011)，在电压矢量V₁作用时采样的母线电流I_dc对应的是W相电流，在电压矢量V₃作用时采样的母线电流I_dc对应的是U相电流。

在实际系统中，考虑到母线电流的采样需要足够的采样窗口，这就要求非零电压矢量必须持续一个最小采样时间T_min。当输出的电压矢量处于低调制区或非零电压矢量附近时，在一个PWM周期内可能存在非零电压矢量作用的时间小于T_min，这种情况使采样的母线电流没有意义，如图4为实际情况中最短采样时间T_min示意图。图4中T_min由三部分组成：死区时间T_d、母线电流建立时间T_set与AD转换时间T_conv，T_min大小一般为3μs～5μs，其关系如下：

T_min＝T_d+T_set+T_conv (5)

从图3可知完成单电阻采样电流重构必须保证非零电压矢量在前半个采样周期T_s内的作用时间大于T_min，也就是要求满足：

在一个PWM周期内不能采样到不同相电流的区域称为不可观测区，在实际应用中为了便于处理，将其空间电压矢量六边形具体划分为可观测区、低调制不可观测区、扇区过渡不可观测区和高调制不可观测区。

本方案中的低调制不可观测区、扇区过渡不可观测区如图5所示，扇区过渡不可观测区如图5的(a)所示，当目标电压矢量V_ref接近扇区中一个基本非零电压矢量时，另一个基本非零电压矢量的作用时间很短，即

或

低调制不可观测区如图5的(b)所示，当目标电压矢量V_ref的幅值很小时，构成V_ref的两个基本电压矢量作用时间都很短，即

且

两者均无法对电流进行准确采样。

前期生产实践过程中，对于一款用于室内空气净化的风机产品，发现在低速区(500转/分～800转/分)单电阻采样方案的相电流波形畸变明显比双电阻采样方案大。进一步对比研究发现，在低调制不可观测区进行单电阻采样电流重构时，某一基本电压矢量状态作用的时间很短，需要通过在PWM周期内平移脉冲使其错开以得到足够的单电阻采样时间，也就是需要进行脉冲移相，这导致PWM输出波形不对称，增加相电流谐波成分，脉冲移相是单电阻采样方案相电流波形畸变的主要原因。另一方面，低速运行负载很轻，相电流很小，这时的采样误差相对相电流幅值不可忽略，采样误差加重了相电流产生波形的畸变。

针对于现有技术中存在的问题，本发明提出了一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，包括以下步骤：

步骤1，根据单电阻采样永磁同步电机驱动系统参数，确定单电阻采样的最小采样时间T_min。

步骤2，在给定的低速运行节点处，计算矢量变频控制每一个扇区对应的两个非零电压矢量作用时间T₁、T₂的变化曲线，并计算T₁与T₂的交点T_cross的大小；根据公式(3)、(4)，得到T₁、T₂曲线仿真波形图，如图7所示，图中的关键量T_cross为T₁与T₂的交点。

步骤3，在最低设定转速n_{set_min}处电机空载运行，判断是否存在单电阻电流重构的低调制不可观测区域：

以图7进行说明，当

时，参考电压空间矢量处于单电阻电流重构的低调制不可观察区域之外，任何时刻都不会出现

同时小于T_min的情况，即单电阻电流重构不存在低调制不可观测区域。

当

时，某些时刻可能会出现

同时小于T_min的情况，即单电阻电流重构存在低调制不可观测区域。

步骤4，如果单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，则直接转入步骤5，否则通过增大电机绕组匝数并相应减小绕组线径，在维持电机槽满率基本不变的情况下增大永磁同步电机反电势系数，返回步骤1重新计算。

在公式(5)、(6)中计算T₁、T₂的电压矢量V_ref可由直轴电压V_d和交轴电压V_q计算：

而永磁同步电机的稳态电压方程表示为：

其中，i_d、i_q分别为d、q轴电流；R为定子电阻；L_d、L_q分别为d、q轴电感；ω为电角速度；K_e为永磁同步电机反电势系数。

由上面公式(7)、(8)可推出V_ref与K_e的关系：

|V_ref|∝K_e (9)

进一步由公式(3)、(4)可推出

T₁∝K_e，T₂∝K_e (10)

T₁、T₂和反电势系数K_e的大小成正比，而T_cross为T₁与T₂的交点，因此T_cross也与K_e成正比，增大K_e可达到

的目的。

由电机设计原理可知，增大电机绕组匝数并相应减小绕组线径可以增大永磁同步电机反电势系数K_e，实际运行时为保证电机安匝数不变，电机的相电流会适当增大，针对低速运行且电机负载很轻的情况，相电流适当增大不会引起电机发热的问题。

步骤5，通过前面的处理在最低设定转速n_{set_min}空载时单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，那么当电机的运行速度n_set＞n_{set_min}时，单电阻电流重构也不会进入低调制不可观测区域而只存在扇区过渡区不可观测区域，单电阻电流重构也不会存在低调制不可观测区域而只存在扇区过渡区不可观测区域，这时三相脉冲具有T₁/2和T₂/2不同时小于T_min的特征，这样可以优化脉冲移相方法以获得足够的采样时间，减少采样过程中脉冲移位的次数和三相脉冲的不对称性，提高低速运行单电阻采样过程中三相电流重构精度，具体包括：

步骤5.1，每个相电流周期包含6个扇区，对应如图2所示7段SVPWM对应的空间电压矢量图，根据表1和当前控迭代运算的扇区号，可确定U、V、W三相脉冲中，最窄脉冲相、次宽脉冲相、最宽脉冲相分别为哪一相。

表1 图2中扇区号与三相脉冲宽度的对应关系

扇区号	最窄脉冲相	次宽脉冲相	最宽脉冲相
				1	W	U	V
2	V	W	U
				3	W	V	U
4	U	V	W
				5	U	W	V
6	V	U	W

步骤5.2，当

时最宽脉冲相向左移相，提前触发以获得足够的采样时间，在最宽脉冲相触发T_min后启动第一次母线电流采样，如图8所示。

步骤5.3，当

时最窄脉冲相向右移相，延时触发以获得足够的采样时间，在次宽脉冲相触发T_min后启动第二次母线电流采样，如图9所示。

步骤6，根据表2，将第一次母线电流采样值I_ad1和第二次母线电流采样值的负值(-I_ad2)，按当前控制迭代运算的扇区号分配给三相电流I_u、I_v、I_w中的两相，第三相电流为已分配的两相电流之和的负值。

表2 图2中母线电流采样值与三相电流的对应关系

扇区号	Iad1	-Iad2
			1	Iv	Iw
2	Iu	Iv
			3	Iu	Iw
4	Iw	Iu
			5	Iv	Iu
6	Iw	Iv

实施例

本发明原理实验验证所采用的永磁同步电机为一台应用于家用空气净化器的外转子风扇电机，其中永磁同步电机的参数为：额定电压DC 24V，最小运行转速n_{set_min}＝500转/分(rpm)，最高运行转速n_{set_max}＝3000转/分，极对数p_n＝2，定子电阻R_s＝1.6Ω，定子直轴电感L_d＝1.0mH，交轴电感L_q＝1.2mH，优化前反电势系数k_e＝3.0V/krpm，矢量控制PWM频率为16KHz。根据系统硬件参数及功率管死区时间设定，单电阻采样的最小采样时间T_min设为4μs。

本发明具体实施方案中单电阻采样永磁同步电机系统采用无位置传感器矢量控制，如图10为系统控制框图，包括电流采样、转子位置估算、Clarke和PARK变换、最大转矩电流比控制(MTPA)、速度环、dq轴电流环、PARK逆变换、SVPWM计算、三相PWM逆变器等单元。

优化前反电势系数k_e＝3.0V/krpm，如图11的(a)为Ke优化前T₁、T₂波形，T₁与T₂的交点T_cross≈7μs，而最小采样时间T_min为4μs，不满足条件T_cross/2＞T_min，这意味着单电阻电流重构既可能进入低调制不可观测区域，也可能进入扇区过渡区不可观测区域，为了获得足够的采样时间，控制算法需要进行频繁的脉冲移相，这导致PWM输出波形极不对称，大大增加了相电流谐波成分，同时也增大了采样误差。

根据本发明的方法，将电机的反电势系数从k_e＝3.0V/krpm提高到k_e＝4.2V/krpm，同时实验校验表明电机在3000rpm同样可以安全运行，如图11的(b)为Ke优化且进行去毛刺处理后T₁、T₂波形，如图所示T₁与T₂的交点T_cross从7μs提高到了10μs，这时满足条件T_cross/2＞T_min，单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，而只进入扇区过渡区不可观测区域，通过这种处理可以大大减小脉冲移相的次数。

图12为本发明的优化前后，电机在n_{set_min}＝500rpm处三相电流波形的对比，从图12的(a)可见优化前相电流波形存在畸变，尤其是在相电流波峰处电流不光滑，而且由于脉冲移相次数频繁，相电流波形出现了毛刺；本发明的电流重构优化处理后的相电流波形如图12的(b)所示，电流波形的畸变大大减弱，电流波峰处比较光滑，由于脉冲移相次数减少，相电流波形中的毛刺也减少，图12表明本发明所提出的电流重构方法是切实可行的。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据单电阻采样永磁同步电机驱动系统参数，确定单电阻采样的最小采样时间，在给定的低速运行节点处，计算矢量变频控制每一个扇区对应的两个非零电压矢量作用时间的变化曲线，并计算所述两个非零电压矢量作用时间的交点；

在最低设定转速处电机空载运行，基于所述两个非零电压矢量作用时间、作用时间的交点以及所述最小采样时间，判断是否存在单电阻电流重构的低调制不可观测区域；

如果单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，则通过优化脉冲移项的方法以获取足够的采样时间；否则通过增大永磁同步电机反电势系数并重新执行性重构方法；

基于所述优化脉冲移项的结果，按照当前控制迭代运算的扇区号进行三相电流的分配。

2.根据权利要求1所述的低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，所述判断是否存在单电阻电流重构的低调制不可观测区域，包括：

当

时，任何时刻都不会出现

同时小于T_min的情况，单电阻电流重构不存在低调制不可观测区域；

当

时，某些时刻可能会出现

同时小于T_min的情况，单电阻电流重构存在低调制不可观测区域；

其中，T₁、T₂表示两个非零电压矢量作用时间，T_cross为T₁、T₂的交点，T_min为最小采样时间。

3.根据权利要求1所述的低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，所述增大永磁同步电机反电势系数的具体方法为：

增大电机绕组匝数并相应减小绕组线径，在维持电机槽满率基本不变的情况下增大永磁同步电机反电势系数。

4.根据权利要求1所述的低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，所述如果单电阻电流重构不进入低调制不可观测区域，则通过优化脉冲移项的方法以获取足够的采样时间，包括：

当电机的运行速度大于所述最低设定转速时，单电阻电流重构也不会进入低调制不可观测区域而只存在扇区过渡区不可观测区域，通过优化脉冲移相的方法以获得足够的采样时间，减少采样过程中脉冲移位的次数和三相脉冲的不对称性，提高低速运行单电阻采样过程中三相电流重构精度。

5.根据权利要求1所述的低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，所述优化脉冲移相的方法包括：

根据当前控制迭代运算的扇区号，确定三相脉冲中最宽脉冲相、次宽脉冲相、最窄脉冲相分别为哪一相；

当

时最宽脉冲相向左移相，提前触发以获得足够的采样时间，在最宽脉冲相触发T_min后启动第一次母线电流采样；

当

时最窄脉冲相向右移相，延时触发以获得足够的采样时间，在次宽脉冲相触发T_min后启动第二次母线电流采样。

6.根据权利要求1所述的低速运行单电阻采样永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，所述基于所述优化脉冲移项的结果，按照当前控制迭代运算的扇区号进行三相电流的分配，包括：

将第一次母线电流采样值和第二次母线电流采样值的负值，按当前控制迭代运算的扇区号分配给三相电流中的两相，第三相电流为已分配的两相电流之和的负值。

7.一种控制器，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1至6中任一权利要求所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1至6中任一权利要求所述方法的步骤。

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