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

矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制電機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的[1]。

在交流電機矢量控制策略中，相電流采樣性能是一個重要的指標(biāo)。在對成本要求高的應(yīng)用場合，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 [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現(xiàn)相電流的采樣，解決了大電流流過電阻時產(chǎn)生額外功率損耗的問題。文獻[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，很好地實現(xiàn)全區(qū)域的電流采樣，但其算法較復(fù)雜并且對微處理器(Microcontroller Unit,MCU)資源具有一定的特殊要求。文獻[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[6]基于MOSFET內(nèi)阻采樣設(shè)計了輪轂電機控制系統(tǒng)，但其主控芯片具有雙ADC采樣模塊，可以實現(xiàn)同時采樣，不存在僅有一相電流能夠采集到的情況。

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

2 相電流采樣原理

無刷直流電機采用三相電壓型逆變器作為驅(qū)動器，其根據(jù)位置傳感器信息，通過導(dǎo)通不同橋臂實現(xiàn)電機換相，采用PWM調(diào)壓技術(shù)對電機進行調(diào)速控制[8]。在大功率電機控制系統(tǒng)中，采用MOSFET內(nèi)阻采樣，其電流采樣拓撲如圖1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，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，檢測出MOSFET開關(guān)器件的通態(tài)壓降也就檢測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)阻可以消除溫度對檢測精度的影響。

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

2.2 PWM觸發(fā)采樣原理分析

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

圖2 PWM觸發(fā)ADC采樣點原理

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

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間TMIN，對采樣模式進行分類（見圖3）。當(dāng)最短時間TMIN滿足大于采集兩路電流時，采用正常的采樣方式采集兩相電流；當(dāng)最短時間TMIN不滿足采集兩路電流卻滿足采集一相電流時，采集一相電流；當(dāng)最短時間TMIN不足以滿足采樣時，此時不采集相電流，采用上次給定的電流控制電機運行。

圖3 采樣模式分類

3.2 重構(gòu)算法實現(xiàn)

由3.1節(jié)對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，此時需要對相電流進行重構(gòu)控制。在情況3下，兩相電流都無法獲得，這時采用上一時間片的控制電流Iα_Pre、Iβ_Pre作為該階段的控制電流。

在情況2下，最短時間TMIN滿足采集一相電流。此時，采用上一時間片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，得到用于計算控制的預(yù)估電流最后進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 實驗結(jié)果及分析

選擇STM32F030C8T6作為算法驗證主控芯片，設(shè)計輪轂電機控制器。STM32F030C8T6配置一個高級定時器，其具有16位自動重裝載計數(shù)器，能夠產(chǎn)生電機矢量控制時需要的6路互補對稱的PWM波。通過調(diào)整PWM波的占空比可以實現(xiàn)調(diào)速的目的，通過讀取計數(shù)器的值可以獲取對應(yīng)開關(guān)管的導(dǎo)通時間。而電流采樣時間窗由固定設(shè)置的死區(qū)時間、固定設(shè)置的ADC采樣保持時間和固定MOSFET導(dǎo)通建立穩(wěn)定時間組成。通過將讀取的開關(guān)管導(dǎo)通時間與電流采樣時間窗對比進行不同條件下的相電流重構(gòu)。

實驗中采用的輪轂式無刷直流電機的額定電壓為60 V，額定功率為600 W，極對數(shù)23對，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)阻采樣時相電流和驅(qū)動電壓波形如圖5所示，相電流波形近似正弦波，在長時間的測試中電機運行平穩(wěn)，驗證了基于MOSFET內(nèi)阻的相電流采樣方式，完全能夠運用在無刷輪轂電機上。

圖5 MOSFET內(nèi)阻采樣相電流和驅(qū)動波形

利用測功機，設(shè)置負載為34 N·m，轉(zhuǎn)把輸出控制信號設(shè)置為最大值，測試A相電流運行波形，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，但波動較大，存在峰值偏大和偏小點，電流控制不平穩(wěn)導(dǎo)致電機抖動噪聲的存在。上述電流波動的主要原因是，在進行MOSFET內(nèi)阻相電流采樣時，由于下管MOSFET導(dǎo)通的時間不足，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)存在MOSFET下管未導(dǎo)通時刻的數(shù)據(jù)點。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

進一步分析圖6和圖7可知，重構(gòu)前A相電流波形抖動較大，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，使得相電流波動減小，進而在相同負載和轉(zhuǎn)把輸入的情況下，其電流減小，進而降低了電機的抖動噪聲，實現(xiàn)了單ADC采樣下時間窗不足時的相電流重構(gòu)，解決了采樣電流采樣不準導(dǎo)致的相電流波動問題。

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。對采集一相電流的情況，采用上一時間片dq軸電流進行相電流重構(gòu)估算；對采集不到電流的情況，采用上一時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)計了輪轂電機控制器，在該算法的控制下，相電流異常數(shù)據(jù)點明顯減少，解決了ADC采樣時間窗不足帶來的電流采樣數(shù)據(jù)不對、導(dǎo)致相電流波形抖動的問題。