一種高調(diào)制比單電阻采樣三相電流重構(gòu)策略

摘要：為了減小空間電壓矢量合成區(qū)域內(nèi)的電流不可觀測區(qū)域，提升輸出電壓調(diào)制比，提出一種高調(diào)制比單電阻采樣三相電流重構(gòu)策略. 該策略根據(jù)開關(guān)狀態(tài)和實際硬件采樣延時的不同將開關(guān)狀態(tài)相移過程分為3個階段，分別進(jìn)行不同開關(guān)狀態(tài)相移處理，在不改變原有電路拓?fù)涞那闆r下提升了輸出電壓調(diào)制比. 該策略在一個脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）周期的前半周期內(nèi)完成電流采樣，后半周期實現(xiàn)電流重構(gòu)，而且能充分利用零矢量的導(dǎo)通時間，減小電流不可觀測區(qū)域，實現(xiàn)三相電流的完整重構(gòu). 仿真和實驗驗證了該策略的可行性和有效性.

關(guān)鍵詞：三相電流重構(gòu)；單電阻采樣；開關(guān)狀態(tài)相移；電壓調(diào)制比；脈寬調(diào)制

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

傳統(tǒng)相電流采樣方案是采用三個電流傳感器對三相電流同時采樣，或者在三相電流和為零的前提條件下同時采樣兩相電流. 母線側(cè)單電阻采樣方案則是在一個脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）周期內(nèi)，在有效基本電壓矢量的作用時間內(nèi)對母線電流進(jìn)行采樣，結(jié)合PWM開關(guān)狀態(tài)，重構(gòu)出三相電流［1-4］. 基于母線側(cè)單電阻采樣的三相電流重構(gòu)技術(shù)能減小驅(qū)動系統(tǒng)的體積，降低成本，適用于一些低成本的電機(jī)控制場合，在工業(yè)、自動化控制領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用［5-8］.

單電阻采樣電流重構(gòu)方案中，在理想情況下，即使有效基本電壓矢量的作用時間很短，也可以實現(xiàn)采樣. 然而在實際硬件系統(tǒng)中，由于開關(guān)切換暫態(tài)過程以及模數(shù)轉(zhuǎn)換時間等因素，存在由硬件決定的能夠進(jìn)行正確電流采樣的最小采樣時間，若在某些情況下有效基本電壓矢量的作用時間小于最小采樣時間，將導(dǎo)致無法重構(gòu)出三相電流［9-11］.

為了解決PWM周期內(nèi)有效基本電壓矢量作用時間太短導(dǎo)致電流無法重構(gòu)的問題，學(xué)者們提出了許多方法［12-16］. 黃科元等［12］和王文杰等［13］采用的方法是在一個開關(guān)周期中插入一個測量矢量，并在測量矢量持續(xù)時間內(nèi)對電流進(jìn)行采樣，電流采樣點位于插入的測量矢量作用時間的中心點. 該方法在保證相電壓輸出不變的同時，實現(xiàn)測量矢量的插入，但是該方法未能充分利用零矢量的作用時間，使得輸出電壓調(diào)制比不高，并且測量矢量的插入使得逆變器在一個周期內(nèi)的開關(guān)次數(shù)增加，增大了開關(guān)損耗.儲劍波等［14］采用傳統(tǒng)的七段式空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）開關(guān)狀態(tài)相移法，該方法遵循“前半周期移動，后半周期補(bǔ)償原則”. Gu等［15］通過飽和處理將PWM開關(guān)狀態(tài)中兩相電平整體右移來提升電壓利用率，使得輸出電壓調(diào)制比得到進(jìn)一步提升. 該方法缺點在于依然未能充分利用零矢量的作用時間，使得輸出電壓調(diào)制比受到一定限制.

為了充分利用零矢量的作用時間，進(jìn)一步提高輸出電壓調(diào)制比，馬鴻雁等［16］提出了一種在高調(diào)制比情況下采用“五段式”矢量合成的方法，使得構(gòu)造的有效基本矢量導(dǎo)通時間大于實際所需最小采樣時間. 理論上，該方法能完全利用零矢量V0（000）和V7（111）的導(dǎo)通時間，最大限度地提高輸出電壓調(diào)制比. 但是由于兩個電流采樣點分別處于PWM周期的前、后半個周期，使得電流重構(gòu)及矢量控制程序運算的時間不固定. 當(dāng)電壓調(diào)制比較高時，會出現(xiàn)矢量控制程序運行時間不足及不同步的問題.

本文基于傳統(tǒng)七段式SVPWM開關(guān)狀態(tài)相移法，提出了一種高輸出電壓調(diào)制比的單電阻采樣三相電流重構(gòu)策略，在保證三相電流完整重構(gòu)的前提下，提升了輸出電壓調(diào)制比. 該策略在不改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，能充分利用零矢量的導(dǎo)通時間，減小電流不可觀測區(qū)域. 該策略在前半周期進(jìn)行兩相電流采樣，在后半周期進(jìn)行電流重構(gòu)運算及矢量控制，保證數(shù)字信號處理程序有固定的最大運行時間，便于開發(fā)實現(xiàn)，而且不會造成開關(guān)損耗的增大.