前面的话

最近做的电机控制项目,之前纠结电流采样的方案,在这里简单总结了一下;

 

目录

1 电流采样的作用

2 硬件架构

3 采样关键

4 采样方案

5 三电阻采样

  • 5.1 三电阻采样点
  • 5.2 双电阻采样
  • 5.3 双电阻采样点
  • 5.4 单电阻采样

6 总结

7 附录

 

1 电流采样的作用

FOC 算法中,电流采样在反馈环节是相当重要的一部分,无论是有感 FOC,还是无感 FOC,相电流是交流三相同步电机在进行坐标变换的关键,最终通过 SVPWM 实现电机转子磁场和定子磁场的同步转动,通常这里有三种方案,单电阻采样,双电阻采样,三电阻采样,关系到整体系统的成本,算法的复杂程度和最终运行的效果,这里需要更加项目的具体需求进行选择。


本文参考 ST 的单电阻和三电阻采样以及 TI 的双电阻采样,还有 microchip 的资料,结合实际中可能需要注意的地方进行总结分析。

 

几种电流采样方案的对比;

电流采样 成本 算法
单电阻 复杂
双电阻 适中 适中
三电阻 简单

 

2 硬件架构

硬件上的设计通常是采集三相电流,通过运算放大器加偏置电压,这样可以就可以采集正负电流,最终在MCU中处理的时候减去偏置电压就行,以Infineon XC167CI SK Board单电阻的方案为例子,具体电路拓扑图如下;

 

下面是TI C2000 的方案

AP1608410 原文链接运算放大器

 

3 采样关键

采样的关键是需要在三相逆变器高端关闭,低端打开的情况下进行采样,这是整体的采样点。因此,采样会存在窗口时间,因为ADC转换完成需要一定数量级的时间,也就是说,在ADC转换完成之前,桥低端是不能关闭的,在这里,双电阻和单电阻采样需要考虑窗口时间的限制,而三电阻采样则不存在窗口时间(PWM 占空比接近 100%),可以根据SVPWM当前所在象限,进行分类,只需要采集其中不受窗口时间限制的两相电流,然后根据 ,进行电流的重构。

 

4 采样方案

电流采样比较关键的地方主要是硬件的设计和采样点的设置,这里在后面会涉及到通过相应的触发信号去通知ADC进行电流采样,最后进行电流重构。

 

5 三电阻采样

TI的三电阻采样  

 

5.1 三电阻采样点

正如前面所提到的三电阻采样可以避免窗口时间,如下图所示;在不同扇区需要采样的相电流,可以看到,共同点是避免去采样PWM占空比接近 100%的那一相电流。

 

 

 

可以参考一下 ST 的电机库的做法,通过TIMER_CH4作为ADC采样的触发信号,而采样则可以通过修改 TIM_CCR4 寄存器去改变采样点,相当灵活的做法;

 

5.2 双电阻采样

双电阻采样无法避免窗口时间,所以需要限制最终 PWM 的占空比,为ADC转换预留足够的时间;

5.3 双电阻采样点

 

5.4 单电阻采样

单电阻采样需要在一个PWM周期内进行两次采样,下面需要在 SVPWM 六个扇区进行相电流的分类,这里可以对SVPWM的原理进行分析,从而了解如何对电流进行重构;单电阻的电路结构如下图所示;

 

为了便于理解整个采样的过程,为了表示逆变器的开关管的状态, Sa 表示 A 相的上下管,同理 Sb 表示 B 相的上下管;

 

这里规定:Sa = 1表示上管导通,下管断开;Sa = 0表示下管导通,上管断开;

 

SbSc以此类推;

 

5.4.1 Sa Sb Sc:100

5.4.2 Sa Sb Sc:110

 

5.4.3 SVPWM 的开关状态

开关状态 AH BH CH 电流
0 0 0 0 0
1 1 0 0 IA
2 1 1 0 -IC
3 0 1 0 IB
4 0 1 1 -IA
5 0 0 1 IC
6 1 0 1 -IB
7 1 1 1 0

 

因此,单电阻采样,需要在一个PWM周期内进行两次采样;具体如下图所示;

 

 

图中的 SAL,SBL,SCL 分别对应整流桥的下管,因此在一个周期内分别进行了Sample 1Sample 2这两次采样,对照上表可以推出;

 

Sample 1:采集了开关管状态为SAL SBL SCL:101==>SAH SBH SCH:010,此时采样电流为 ;Sample 2:采集了开关管状态为SAL SBL SCL:100==>SAH SBH SCH:011,此时采样电流为 ;

 

原理搞清楚之后,下面要注意的地方还有两点采样点的确认和窗口时间的限制;

 

5.4.4 ST 方案

 

6 总结

本文介绍和对比了三种电流采样方案,简单给出了需要注意的地方,由于本人能力有限,文中难免出现错误和纰漏,请大佬不吝赐教。

 

7 附录

microchip 资料汇总 TI 1-, 2-, and 3-Shunt FOC Inverter Reference Design