輪轂電機(jī)控制器相電流重構(gòu)方法

萬 清，宋 錦，李克靖，吳居成

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[1]。

在交流電機(jī)矢量控制策略中，相電流采樣性能是一個(gè)重要的指標(biāo)。在對(duì)成本要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關(guān)鍵問題。文獻(xiàn) [2-3]利用金屬半導(dǎo)體晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)導(dǎo)通自身內(nèi)阻代替精密電阻以實(shí)現(xiàn)相電流的采樣，解決了大電流流過電阻時(shí)產(chǎn)生額外功率損耗的問題。文獻(xiàn)[4]根據(jù)母線電流和相電流的關(guān)系，通過采集母線電流來重構(gòu)相電流，很好地實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的電流采樣，但其算法較復(fù)雜并且對(duì)微處理器(Microcontroller Unit,MCU)資源具有一定的特殊要求。文獻(xiàn)[5]在低、中調(diào)制區(qū)域采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)移相方法，在高調(diào)制區(qū)域采用電壓矢量近似法，實(shí)現(xiàn)空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)線性調(diào)制范圍內(nèi)的三相電流重構(gòu)。文獻(xiàn)[6]基于MOSFET內(nèi)阻采樣設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)，但其主控芯片具有雙ADC采樣模塊，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)采樣，不存在僅有一相電流能夠采集到的情況。

輪轂電機(jī)控制器具備大電流、強(qiáng)扭矩的特性，其運(yùn)行時(shí)功率較大[7]，一般采用MOSFET內(nèi)阻的采樣方式對(duì)相電流進(jìn)行采樣，并且需要在下管MOSFET導(dǎo)通的情況下才能采集到實(shí)際的相電流。但由于電子器件存在一定的延時(shí)，且ADC采樣需要一定的采樣時(shí)間，因此，成功實(shí)現(xiàn)電流采樣的最基本條件是具有足夠的電流采樣時(shí)間窗。而在電流采樣時(shí)間窗不足時(shí)，一般采用降低調(diào)制比的方式實(shí)現(xiàn)采樣。本文在分析MOSFET內(nèi)阻采樣原理和ADC模塊采樣特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)采樣時(shí)間窗的大小對(duì)采樣進(jìn)行分類，提出了一種相電流重構(gòu)控制方法。采樣時(shí)間窗在滿足采集一相電流的條件下，采用上一時(shí)間片的數(shù)據(jù)重構(gòu)控制電流，在完全不滿足相電流采樣的條件下，直接利用上一時(shí)間片的控制電流。基于M0平臺(tái)實(shí)例化驗(yàn)證了算法的可行性，解決了采樣時(shí)間窗不足時(shí)電流采集不到造成的相電流波動(dòng)的問題。

2 相電流采樣原理

無刷直流電機(jī)采用三相電壓型逆變器作為驅(qū)動(dòng)器，其根據(jù)位置傳感器信息，通過導(dǎo)通不同橋臂實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相，采用PWM調(diào)壓技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制[8]。在大功率電機(jī)控制系統(tǒng)中，采用MOSFET內(nèi)阻采樣，其電流采樣拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣原理

2.1 MOSFET內(nèi)阻電流采樣原理

當(dāng)MOSFET功率開關(guān)流過通態(tài)電流時(shí)，由于通態(tài)導(dǎo)通電阻的存在，在其導(dǎo)通溝道上有一定的壓降，又因器件的導(dǎo)通電阻基本穩(wěn)定，該壓降與器件的通態(tài)電流成正比[9-10]。所以，檢測(cè)出MOSFET開關(guān)器件的通態(tài)壓降也就檢測(cè)到流過器件的電流大小。此外，MOSFET的通態(tài)電阻具有一定的溫度系數(shù)，根據(jù)MOSFET通態(tài)電阻和溫度的曲線關(guān)系，修正導(dǎo)通內(nèi)阻可以消除溫度對(duì)檢測(cè)精度的影響。

考慮到MOSFET的導(dǎo)通電阻較小，其上的壓降相對(duì)較小，為了獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)通電流，對(duì)采集的導(dǎo)通壓降進(jìn)行放大處理，如圖1所示，通常引入3路運(yùn)放，對(duì)采樣壓降進(jìn)行差分處理。

2.2 PWM觸發(fā)采樣原理分析

在對(duì)相電流采樣時(shí)，需要在MOSFET下管通態(tài)時(shí)進(jìn)行采樣。為了準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)采樣，通常采用PWM觸發(fā)ADC去采樣?？紤]到電路器件的延時(shí)和ADC采樣時(shí)間的限制，實(shí)際電流采樣必須滿足當(dāng)非零空間電壓矢量作用時(shí)電流采樣要有足夠的采樣窗口（見圖2）。其作用時(shí)間應(yīng)大于完成一次電流采樣所需的最短時(shí)間TMIN，即：

圖2 PWM觸發(fā)ADC采樣點(diǎn)原理

式中，TDT為死區(qū)時(shí)間，TSAMP為A/D采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間，TN為采樣電流完全建立需要的穩(wěn)定時(shí)間。

3 相電流重構(gòu)方法

3.1 采樣模式分類

考慮矢量控制需要采集兩相電流，根據(jù)MOSFET內(nèi)阻采樣所需的最短時(shí)間TMIN，對(duì)采樣模式進(jìn)行分類（見圖3）。當(dāng)最短時(shí)間TMIN滿足大于采集兩路電流時(shí)，采用正常的采樣方式采集兩相電流；當(dāng)最短時(shí)間TMIN不滿足采集兩路電流卻滿足采集一相電流時(shí)，采集一相電流；當(dāng)最短時(shí)間TMIN不足以滿足采樣時(shí)，此時(shí)不采集相電流，采用上次給定的電流控制電機(jī)運(yùn)行。

圖3 采樣模式分類

3.2 重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)

由3.1節(jié)對(duì)采樣模式的分類可知，在情況2和情況3下，矢量控制所需的兩相電流無法完全得到，此時(shí)需要對(duì)相電流進(jìn)行重構(gòu)控制。在情況3下，兩相電流都無法獲得，這時(shí)采用上一時(shí)間片的控制電流Iα_Pre、Iβ_Pre作為該階段的控制電流。

在情況2下，最短時(shí)間TMIN滿足采集一相電流。此時(shí)，采用上一時(shí)間片dq軸的電流Id_Pre、Iq_Pre和當(dāng)前電角度θ，根據(jù)Park逆變換得到當(dāng)前αβ軸的預(yù)估電流、，接著根據(jù)Clark逆變換獲得估計(jì)的預(yù)估三相電流然后將采集到的一相電流值替換預(yù)估的電流，得到用于計(jì)算控制的預(yù)估電流最后進(jìn)入正常的矢量控制模塊。情況2重構(gòu)算法流程如圖4所示。

圖4 情況2重構(gòu)算法流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選擇STM32F030C8T6作為算法驗(yàn)證主控芯片，設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)控制器。STM32F030C8T6配置一個(gè)高級(jí)定時(shí)器，其具有16位自動(dòng)重裝載計(jì)數(shù)器，能夠產(chǎn)生電機(jī)矢量控制時(shí)需要的6路互補(bǔ)對(duì)稱的PWM波。通過調(diào)整PWM波的占空比可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，通過讀取計(jì)數(shù)器的值可以獲取對(duì)應(yīng)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。而電流采樣時(shí)間窗由固定設(shè)置的死區(qū)時(shí)間、固定設(shè)置的ADC采樣保持時(shí)間和固定MOSFET導(dǎo)通建立穩(wěn)定時(shí)間組成。通過將讀取的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與電流采樣時(shí)間窗對(duì)比進(jìn)行不同條件下的相電流重構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)中采用的輪轂式無刷直流電機(jī)的額定電壓為60 V，額定功率為600 W，極對(duì)數(shù)23對(duì)，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，電流采樣選擇MOSFET內(nèi)阻采樣方式。MOSFET內(nèi)阻采樣時(shí)相電流和驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖5所示，相電流波形近似正弦波，在長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試中電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，驗(yàn)證了基于MOSFET內(nèi)阻的相電流采樣方式，完全能夠運(yùn)用在無刷輪轂電機(jī)上。

圖5 MOSFET內(nèi)阻采樣相電流和驅(qū)動(dòng)波形

利用測(cè)功機(jī)，設(shè)置負(fù)載為34 N·m，轉(zhuǎn)把輸出控制信號(hào)設(shè)置為最大值，測(cè)試A相電流運(yùn)行波形，結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6為重構(gòu)前的A相電流波形，從圖中可以看出A相電流為正弦波，但波動(dòng)較大，存在峰值偏大和偏小點(diǎn)，電流控制不平穩(wěn)導(dǎo)致電機(jī)抖動(dòng)噪聲的存在。上述電流波動(dòng)的主要原因是，在進(jìn)行MOSFET內(nèi)阻相電流采樣時(shí)，由于下管MOSFET導(dǎo)通的時(shí)間不足，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)存在MOSFET下管未導(dǎo)通時(shí)刻的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在分析采樣原理和MOSFET導(dǎo)通特性的基礎(chǔ)上提出了相電流重構(gòu)算法。

圖6 重構(gòu)前A相電流波形

圖7 重構(gòu)后A相電流波形

進(jìn)一步分析圖6和圖7可知，重構(gòu)前A相電流波形抖動(dòng)較大，其電流有效值為13.9 A，而重構(gòu)后的電流為12.2 A。在該算法的作用下，使得相電流波動(dòng)減小，進(jìn)而在相同負(fù)載和轉(zhuǎn)把輸入的情況下，其電流減小，進(jìn)而降低了電機(jī)的抖動(dòng)噪聲，實(shí)現(xiàn)了單ADC采樣下時(shí)間窗不足時(shí)的相電流重構(gòu)，解決了采樣電流采樣不準(zhǔn)導(dǎo)致的相電流波動(dòng)問題。

5 結(jié)束語

本文在MOSFET內(nèi)阻采樣方式下，根據(jù)ADC采樣最小時(shí)間窗將采樣方式分為采集兩相電流、采集一相電流和不采集電流。對(duì)采集一相電流的情況，采用上一時(shí)間片dq軸電流進(jìn)行相電流重構(gòu)估算；對(duì)采集不到電流的情況，采用上一時(shí)間片直接替換的思想，提出了一種相電流重構(gòu)方法。選用M0內(nèi)核MCU設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)控制器，在該算法的控制下，相電流異常數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯減少，解決了ADC采樣時(shí)間窗不足帶來的電流采樣數(shù)據(jù)不對(duì)、導(dǎo)致相電流波形抖動(dòng)的問題。