CN110868123B - 基于***零矢量的电机非对称svpwm重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种算法容易实现，控制效果相对较好，使用空间矢量调制方式驱动电机时，仅使用直流母线电流采集的方式时，能够在非观测区域有效重构三相电流的电机相电流检测方法。该方法针对PWM载波周期内非零基本空间矢量施加时间过短而无法进行精确电流采样的矢量，在保持连续三个PWM载波周期内矢量和的大小和方向不变的情况下，通过增大后端采样时间来使得后端采样时间满足电压采样最小窗口时间来重构SVPWM波形。本发明通过在连续三个PWM载波周期内***零矢量的非对称PWM方式调制，将非观测区域转变为可观测区域，同时构造算法周期，降低电压纹波产生，避免电压矢量作用失真。

Description

基于***零矢量的电机非对称SVPWM重构方法

技术领域

本发明涉及电机空间矢量调制(SVPWM)相电流重构技术领域，具体地说，涉及一种在SVPWM波形中***矢量以产生电流采集时间窗口的电机相电流重构方法。

背景技术

在永磁同步电机控制***中，对电机三相电流检测是进行电流反馈调节的一个重要环节。在有传感器的相电流检测方法当中，常用的是使用电流互感器等电流传感器来进行相电流检测，即在电机三相连接处设置三个或者至少两个电流传感器，根据运算得到电机的d-q轴电流，并以此作为电流反馈。常用的电流传感器不易安装，且价格昂贵，为降低成本，亟需一种无传感器技术来进行电流反馈。在对采集精度要求不太高且对成本敏感的应用中，通过直接串接采样电阻的方式进行电流采集是一种常见的方式。串接采样电阻一般有两种结构，一种是在电动机相线上串接采样电阻，另一种是在直流母线上串接采样电阻。由于电机相线上采集到的电流还需要其他处理才能够直接在芯片中使用，同时需要至少两个采样电阻才能正确还原三相电流，因此在通过直流母线电流采样来进行电机相电流采集的方法被广为使用。

通过直流母线电流采样来检测电机相电流，即为常说的单电阻采样(1-SHUNT采样)技术。图1即为此种技术的结构原理图，采样电阻串联于三个下桥臂连接处X点和直流电源负端之间，根据母线电流和对开关管开关状态的分析，即可使用单一电阻采样达到还原三相电流的目的。因此这种方法被称为单电阻采样。

对于单电阻采样技术，若要正确采集直流母线电流，采样时间必须大于一个最小窗口时间T_MIN，此时间约等于电压稳定时间T_S和ADC采样锁存时间T_H的和，即T_MIN＝T_S+T_H。当使用SVPWM的方式驱动时，在产生基本空间矢量的区间和低速区间，会出现PWM载波周期内某一基本空间矢量作用时间少于T_MIN的情况，此时需要对SVPWM波形进行重构，使基本空间矢量的作用时间达到T_MIN。

SVPWM调制时，出现任一个基本空间矢量作用时间少于T_MIN的区域被称为非观测区域，而在PWM载波周期内的所有基本空间矢量作用时间都大于等于T_MIN的区域被称为可观测区域。通常为了避免产生非观测区域，可以使用***零矢量法，非对称PWM重构法，对称PWM重构法等。***零矢量法即在非观测区域的两个PWM载波波形之间***用于观测的零矢量载波，在零矢量时进行电流采集；非对称重构法即在非观测区域采用非对称PWM调制，将基本空间矢量的作用时间拉长至大于T_MIN，再通过矢量分解补偿至正确大小和方向；对称 PWM重构即在非观测区域按照PWM载波三角波中心对称重构SVPWM波形，以达到满足采集窗口时间TMIN的目的。

现有的***零矢量法，由于在正常的波形中***了零矢量，会使得电流矢量产生较大失真，电流谐波增加较多；而非对称和对称PWM波调制同样有类似的问题。

申请号为201110331123.X的专利《基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法》中，通过将处于某一非观测区的非零矢量分解为相邻两个非零基本矢量的方法，由于需要在切换向量时同时切换两相开关管状态(如合成V1时需要V2(110)和V6(101)两种非零基本矢量)，会引起较大谐波。申请号为201010039771.3的专利《基于直流母线电流的电动机相电流检测方法》中，在要合成的目的电流矢量接近零的情况下，由于不能在较少数量的PWM周期中直接重构获得处于非观测区的空间矢量，需要一个较长的算法周期，因此不利于精确采样。

发明内容

本发明的目的是提出一种算法较简单、通用型较强、控制效果相对较好，可在传统非观测区域内持续进行电流采集的空间矢量调制方法，以此解决目前的重构方法存在的缺陷。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种电动机相电流重构方法，电动机采用空间矢量脉宽调制方式进行驱动，采样电阻串联于三相桥臂下端连接处X点和直流电源负端之间。当待重构矢量处于非观测区域时，通过在SVPWM波后端添加零矢量，将三相PWM波的后端分别在三个PWM载波周期内延长T_typ时间(T_typ≥2T_MIN)，即可使重构后的基本空间矢量的矢量和与重构前的空间矢量相等。

本发明中的所有调制矢量均采用PWM波后端采样的方式重构电机相电流。

所述非观测区域中的调制方法是将不满足最小作用时间T_MIN的基本空间矢量所在的 PWM载波周期的三相PWM波的有效电平分别在三个PWM载波周期延长T_typ时间，相当于在三个载波周期内***了一个零矢量，使得每个PWM载波周期内都有不同的作用时间大于T_MIN的基本空间矢量存在，这三个经过重构的PWM载波周期被称为一个基本控制算法组。

本发明中，为了降低谐波干扰，在非观测区域中的两个基本控制算法组之间可以***无重构的PWM载波周期，***的载波周期个数为N个。一个基本控制算法组和N个无重构PWM 载波周期组成一个算法周期。在同一个算法周期中的其他PWM载波周期内算法重构不进行，维持传统SVPWM调制算法，以降低谐波干扰。N为0时，每个基本控制算法组持续的时间即为一个算法周期，即每个PWM周期均进行重构。

本发明采用非对称PWM方式进行调制，保证了在传统非观测区域内的一个基本控制算法组即三个PWM调制周期内至少有两个不同的非零基本空间矢量连续作用时间大于或者等于最小作用时间T_MIN，从而消除了传统SVPWM调制方法的非观测区，实现了电机三相电流在非观测区域中的稳定采集。

附图说明

图1为现有单电阻采样三相驱动电路的结构原理图。

图2为六个基本空间矢量的示意图

图3为前端和后端采样示意图

图4为非观测区域示意图

图5-a为不重叠非观测区域(第一非观测区域)示意图

图5-b为重叠非观测区域(第二非观测区域)示意图

图6为不做处理(可观测区域)示意图

图7为在第一非观测区进行电流采样的时间区域

图8为在第二非观测区进行电流采样的时间区域

图9-a为一个算法周期内，当空间矢量接近第一扇区内第二非观测区域时的传统SVPWM 载波调制方式

图9-b为一个算法周期内，当空间矢量接近第一扇区内第二非观测区域时的本发明重构 SVPWM载波调制方式

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

通过直流母线电流采集来进行电机相电流重构是一种成熟的技术，也被称为单电阻采样。主要目的是降低由于电流传感器检测相电流技术带来的高成本及高安装难度。在精度要求不高且成本敏感的应用环境下，使用单电阻采样是一种被广泛接受的方式。与同样广泛采用的三电阻采样方式(3-SHUNT)相比，不用考虑电流流向问题，也可以少使用两个电阻降低成本。

首先说明空间矢量调制技术——SVPWM。如图2所示，空间矢量调制通过将电压矢量投影到空间矢量坐标系中，完成空间矢量和电压矢量的映射。空间矢量被分为六个扇区，每个扇区的交界分别为六种非零基本空间矢量(以下简称基本空间矢量)。任意一个扇区的空间矢量，都可以由任意个基本空间矢量组合而成，通常由扇区相邻的两个基本空间矢量组成。这样，六个扇区的任一个空间矢量均可以通过对基本空间矢量的大小、方向进行调制来合成得到。

由图1可以得知，三相驱动电路由三组开关管(IGBT)控制，每一个基本空间矢量都对应三组开关的某一种开合状态，基本空间矢量是通过分别控制三组开关的开合来产生的。通过控制三组开关管，即可合成任意大小和方向的基本空间矢量，通过对所合成的基本空间矢量进行组合，即可合成任意方向的空间矢量，并以此驱动电机。

图2中所示六种基本空间向量是由图1中的三组开关管合成，每组开关管用一个数字表示，“1”代表开上管、关下管，“0”代表开下管、关上管。由图2所知，基本空间矢量对应三组开关管状态如下表：

基本空间矢量	开关管状态
		V1	100
V2	110
		V3	010
V4	011
		V5	001
V6	101

若要通过单电阻采集到的电压推导出三相电流，就需要用在不同时刻采集到的电压计算。以SVPWM调制处于第一扇区为例，此时两种基本空间矢量V1、V2交替产生，当产生V1矢量时，开关管状态为100，即在图1中A相上管开、下管关闭，B、C两相上管关、下管打开，此时流经采样电阻R的电流为A相电流；当产生V2矢量时，开关管状态为110，即在图1中A、B相上管开、下管关闭，C相上管关、下管打开，此时流经采样电阻R的电流为 C相电流。由于电机定子线圈为感性，短时间内定子电流不能突变，因此可用基尔霍夫电流定律推导出B相电流，由此重构得到三相电流。

传统的SVPWM调制方式是由三角波和比较寄存器比较得到的对称波形，如图3所示， AD采集可以在三角波的上升阶段进行，也可以在三角波的下降阶段进行，在两个阶段进行采样分别被称为前端采样和后端采样，本发明采用后端采样的方式。为了能够采样到稳定的电压，在采样点之前需要有一个电压稳定时间T_S，在采样点之后需要有一个ADC锁存时间 T_H，因此在后端采样时，必须要保持基本空间矢量的作用持续时间超过一个最小值T_MIN＝T_S+T_H。否则采样到的数据会有较大误差。

传统的SVPWM调制方式在合成接近基本空间矢量的范围和矢量长度较小的范围内的矢量时会出现合成矢量的基本空间矢量施加时间小于T_MIN的情况，这个范围就是非观测区域，如图4。处于非观测区的合成矢量需要经过特殊的方式进行合成，以保证进行后端采样时的基本空间矢量施加时间大于T_MIN。

根据非观测区的空间矢量重构后电流采集位置的不同，把非观测区分为两个部分，如图5-a，第一扇区被分为了A、B、C、D四个区域，阴影部分的B、C区域即为第一非观测区域；如图5-b，第一扇区被分为了A、B、C、D四个区域，阴影部分的A区域即为第二非观测区域。

本发明要解决的问题，就是在非观测区域也能够使用单电阻采样来还原三相电流，并依据三相电流来进行电机速度和位置估算等。本发明的做法是当调制矢量处于非观测区域时，采用非对称矢量合成的方式进行调制，以扇区I为例说明。

参见图6，对于可观测区域来说，使用传统的SVPWM波形调制算法即可，不需要进行重构，为了合成电流矢量V0，分别施加两次V1方向矢量和两次V2方向的矢量，施加大小分别为V1’和V2’。四次基本矢量合成了目标电流矢量V0，达到产生V0矢量的效果。

参见图7，对于第一非观测区域来说，T_V1’＜T_MIN，T_V2’＞T_MIN。如果使用传统的SVPWM算法，虽然第一次后端采样所在位置的基本空间矢量施加时间大于T_MIN，但是由于另一后端采样所在位置的基本空间矢量施加时间小于T_MIN，因此无法对电流进行准确采样，需要对此时段的SVPWM波形进行重构。通过分别在三个PWM周期内对三相PWM波延长的方式，延长时间为T_typ，第一个载波周期中，将V1’的施加时间延长到一个不小于T_MIN的时间，即使V1”的施加时间T_V1”＝T_V1’+Ttyp，Ttyp≥2T_MIN，由于T_V1”＞2T_MIN，因此可以在T_V1”的施加时间内进行比较准确的采样。第二个载波周期中变换前后均可直接采集电流数据，不再画图示意。根据两次后端采样的结果，可以推导出三相电流的大小。

参见图8，对于第二非观测区域来说，T_V1’＜T_MIN，T_V2’＜T_MIN。如果使用传统的SVPWM算法，两次后端采样所处时间段内的基本空间矢量施加时间均小于T_MIN，因此这两次后端采样均不能获得准确的结果，需要对其进行重构。通过分别在三个PWM周期内对三相PWM 波延长的方式，延长时间为T_typ，第一个周期将V1’的施加时间延长一个不小于T_MIN的时间，即使V1”的施加时间T_V1”＝T_V1’+Ttyp，Ttyp≥2T_MIN，由于T_V1”＞2T_MIN，因此可以在V2”的施加时间内进行比较准确的采样；同时，第二个周期使V3’的施加时间延长到一个不小于T_MIN的时间，即使V3”的施加时间T_V3”＝Ttyp-TV1’，Ttyp≥2T_MIN，由于T_V3”＞T_MIN，因此可以在 V3”的施加时间内进行比较准确的采样。根据两次后端采样的结果，可以推导出三相电流的大小。

参见图9-a和图9-b，这两张图是处于第一扇区第二非观测区域的传统算法和基于本发明的重构算法PWM载波示意图。为了避免于由于每个周期都进行矢量重构带来的电流纹波增加、计算量加大等问题，可以不在每个周期都进行空间矢量重构。可以在两个基本控制算法组中间***无重构的PWM周期，构造一个算法周期，此周期是一个基本控制算法组和N个无重构的PWM周期的组合，N的大小为0-10。可根据情况，在低速时适当增加N的大小，在高速时适当减少N的大小。从图9-a中可以看出，没有重构的一个传统算法中，周期内最左侧的一个PWM周期中的电压前端和后端采样区域持续时间过短，无法进行精确采样，而图9-b中改进后的重构算法载波图形中，一个算法周期内的前三个PWM载波周期的波形已经被重构了，根据上述解释，重构后的那三个PWM载波周期内空间矢量的大小与方向和重构之前的矢量是一致的，因此除了进行重构的三个PWM载波周期内的基本矢量外，同一算法周期的其他PWM载波周期不需要进行其他处理。本实施例中，仅仅是以算法周期中*** N为2的无重构PWM载波周期进行示例性说明，并非对本发明的限制。

对于空间矢量调制时，其他扇区的非观测区域，只需要根据情况，对非观测区域进行重构即可，区别仅在于后端采样的时机不同。由于处理的基本方法是相似的，因此就不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在波脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于***采集矢量的电机相电流检测方法，电机采用空间矢量调制即SVPWM方式进行驱动；电流采样方式为单电阻采样，即在三相逆变开关电路中，采样电阻R串联于三个下桥臂连接处X点和直流电源负端之间；

SVPWM调制时，合成矢量的基本空间矢量出现任一个基本空间矢量作用时间少于最小窗口时间T_MIN的区域被称为非观测区域，而在PWM载波周期内的所有基本空间矢量作用时间都大于等于T_MIN的区域被称为可观测区域；其中最小窗口时间T_MIN等于电压稳定时间T_S和ADC采样锁存时间T_H的和，即T_MIN＝T_S+T_H；

当空间矢量调制进入非观测区中，PWM周期内存在非零基本空间矢量作用时间过短而不满足电压采样最小窗口时间时，在保持一段时间内总的电流矢量大小和方向不变的情况下，通过增大后端采样时间来使得后端采样时间满足电压采样最小窗口时间来重构SVPWM波形，再采用单电阻采样的方式重构PWM载波周期的电机相电流；其具体步骤如下：

当调制矢量处于非观测区域时，采用非对称矢量合成的方式进行调制，当合成矢量处于扇区I时，

(1)当合成矢量处于可观测区域时，不需要对此时段的SVPWM波形进行重构，分别施加两次V1(100)方向矢量和两次V2(110)方向的矢量，施加大小分别为V1’和V2’，四次基本矢量合成了目标电流矢量；

(2)当合成矢量处于第一非观测区域时，即T_V1’＜T_MIN，T_V2’＞T_MIN，即存在一后端采样所在位置的基本空间矢量施加时间小于T_MIN，因此无法对电流进行准确采样，需要对此时段的SVPWM波形进行重构，具体为在第一个载波周期中，将V1’的施加时间延长到一个不小于T_MIN的时间T_V1”，即使V1”的施加时间T_V1”＝T_V1’+Ttyp，Ttyp≥2T_MIN，T_typ为延长时间，T_V1’为V1’矢量作用时间，T_V2’为V2’矢量作用时间，V1”为V1’施加延长时间后的矢量；

(3)当合成矢量处于第二非观测区域时，即T_V1’＜T_MIN，T_V2’＜T_MIN，即两次后端采样所处时间段内的基本空间矢量施加时间均小于T_MIN，因此这两次后端采样均不能获得准确的结果，需要对其进行重构，具体为在第一个周期将V1’的施加时间延长一个不小于T_MIN的时间，即使V1”的施加时间T_V1”＝T_V1’+Ttyp，Ttyp≥2T_MIN，第二个周期使V3’的施加时间延长到一个不小于T_MIN的时间，即使V3”的施加时间T_V3”＝Ttyp-TV1’，Ttyp≥2T_MIN，由于T_V3”＞T_MIN，因此可以在V3”的施加时间内进行比较准确的采样；其中，V3’为施加两次V3(010)方向的矢量，施加大小为V3’，V3”为V3’施加延长时间后的矢量；

构建基本重构算法组，每三个PWM载波周期完成一次重构算法；对可观测区的空间矢量不进行重构；对非观测区基本空间矢量，在每个算法组的三个PWM载波周期内依次对三个相的PWM波进行重构，使每三个重构后SVPWM波构成的空间矢量和与重构前保持一致，此为一组基本控制算法。

2.如权利要求1所述的一种基于***采集矢量的电机相电流检测方法，其特征在于：在每个基本控制算法组之间***N个无重构的PWM载波周期，构建控制算法周期，每个算法周期由一个基本控制算法组与N个无重构的PWM载波周期组成，每个控制算法周期时间为一个基本控制算法组的时间与N个无重构PWM周期时间的和，对非观测区基本空间矢量，每个算法周期内只进行一次基本控制算法组重构，此算法组位于整个算法周期的开始。

3.如权利要求2所述的一种基于***采集矢量的电机相电流检测方法，其特征在于：构建控制算法周期中，***的N个无重构PWM载波周期，N可以为0-10，***0个无重构载波周期即为每个基本算法组为一个算法周期，即每个PWM周期均进行重构。

4.如权利要求3所述的一种基于***采集矢量的电机相电流检测方法，其特征在于：除去同一控制算法周期内经过重构的算法组内PWM载波周期，同一控制算法周期内的其他PWM周期不进行重构，其算法与可观测区的矢量调制方式相同。

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