無刷直流電機矢量控制技術(shù)：單電阻采樣-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-09-16
無刷直流電機的矢量控制中，采用分流電阻進行三相電流采樣是一種經(jīng)濟成本較低、應(yīng)用較成熟的方案，因此在很多低成本產(chǎn)品中應(yīng)用十分廣泛。
分流電阻方案的整體思路是在下橋臂或地線上串聯(lián)分流電阻，通過運放和控制器AD進行測量，獲取電機三相電流。根據(jù)使用的電阻數(shù)量，分流電阻方案可分為三電阻采樣、兩電阻采樣和單電阻采樣，每種方案都有各自的優(yōu)點和缺陷。本文主要介紹單電阻采樣方法。
單電阻采樣原理如圖1中所示。在DC-AC變流器的地線上串聯(lián)分流電阻，電阻電壓信號用運算放大器放大之后輸入到MCU的AD引腳，實現(xiàn)電流信號采樣。
圖1 單電阻電流檢測電路
該方案通過單個電阻實現(xiàn)三相電流采樣，因此在采樣時間上有特定要求，需要在一個PWM周期內(nèi)連續(xù)采樣兩次，然后通過計算才能得到三相電流。
以三相調(diào)制為例（還有兩相調(diào)制，原理稍有區(qū)別），根據(jù)相位θ將UVW三相驅(qū)動波形分為6個區(qū)段，如圖2中所示。
圖2 三相驅(qū)動波形和區(qū)段的關(guān)系
以區(qū)段1為例，三相電流的采樣和計算方法如圖3中所示。區(qū)段1中，一個PWM周期內(nèi)三角載波與調(diào)制波比較結(jié)果（即PWM輸出信號）共有4種組合：
（UVW）：（000），（100），（110），（111）
其中0表示上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通；1表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷。
圖3 區(qū)段1采樣時間示意
當(dāng)輸出PWM為（110）時（A采樣點），系統(tǒng)電流如圖4中所示，此時分流電阻的電流為-IW；當(dāng)輸出PWM為（100）時（B采樣點），系統(tǒng)電流如圖5中所示，此時分流電阻的電流為IU。根據(jù)IU+IV+IW=0，可以求得IV的值。
圖4 A采樣點電流示意
圖5 B采樣點電流示意
按照區(qū)段1的原理，各區(qū)段的測量電流為：
實際在MCU中實現(xiàn)單電阻采樣算法時，大體遵循以上思路。其中的難點在于每次AD采樣的執(zhí)行需要持續(xù)一定的時間，按照圖3所示的采樣原理，若UVW三相或某其中兩相的PWM占空比大小比較接近，則無法有足夠的時間窗口采集到正確的數(shù)值。
因此在實際應(yīng)用中，需要考慮到AD采樣時長與PWM輸出連續(xù)變化二者之間的矛盾。針對這個問題，也產(chǎn)生了不止一種解決思路，采用stm32-HAL庫給出的解決思路，該方案的代碼量較大，涉及了較復(fù)雜的中斷操作，主要是ADC中斷和定時器中斷時間的配合，以及采樣時間點和采樣結(jié)果的計算和補償。
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