小众却真香,电机矢量控制电流采样方案的抉择
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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
在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 | 低 | 复杂 |
双电阻 | 适中 | 适中 |
三电阻 | 高 | 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;
Sb
和Sc
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 1
和Sample 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
PID微分器与滤波器的爱恨情仇
三面大疆惨败,因为不懂PID的积分抗饱和
简易PID算法的快速扫盲
一文教你搞懂C语言的Q格式
现成轮子OSAL操作系统抽象层的移植
一招教你单片机固件快速瘦身
基础知识 | hex文件格式详解
—— The End ——
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