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基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣及相電流重構(gòu)方法
電流的采樣對電機(jī)矢量控制是非常重要的。在低成本應(yīng)用場合，采用MOSFET導(dǎo)通電阻的電流采樣方法具有競爭優(yōu)勢。本文對檢測MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通管壓降來獲取電流的原理進(jìn)行了闡述，提出了電機(jī)矢量控制中電流采樣及相電流重構(gòu)的方法。最后，基于Microchip dsPIC30F5015芯片結(jié)合矢量控制平臺進(jìn)行了實驗，論證了該算法的正確性和可行性。
20世紀(jì)70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對電機(jī)的勵磁電流和轉(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。
在交流電機(jī)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。
本文在分析MOSFET電流采樣原理的基礎(chǔ)上，提出空間矢量PWM(SVPWM)控制方式下交流電動機(jī)相電流重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)利用三個MOSFET下管的導(dǎo)通壓降來獲取電流信息，根據(jù)逆變器所處開關(guān)狀態(tài)和三相電流關(guān)系，計算出各相電流，實現(xiàn)交流電動機(jī)的相電流重構(gòu)。
一、MOSFET電流采樣原理
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用MOSFET作為電流檢測的手段已得到越來越廣泛的關(guān)注。MOSFET作為多子器件，在飽和導(dǎo)通時具有電阻特性。圖1是MOSFET的導(dǎo)通電阻特性曲線圖。由圖1可見，當(dāng)VGS大于9V時，MOSFET飽和導(dǎo)通，漏源為恒定電阻，并且阻值很小。不同型號的MOSFET有不同的漏源導(dǎo)通電阻值。
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。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。另外，MOSFET的通態(tài)電阻具有一定的溫度系數(shù)，在工作環(huán)境溫度變化較大的情況下，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影響。這種電流檢測電路簡化了設(shè)計，節(jié)約了成本和空間，尤其是避免了檢測電阻的引入對電路造成的額外功率損耗。
二、基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣重構(gòu)方法
永磁同步電機(jī)的磁場定向控制(FOC)目前采用最廣泛的是空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，其主要思想為：以三相對稱正弦波電壓供電式交流電動機(jī)的定子理想磁通圓為參考基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器開關(guān)狀態(tài)，形成指令的PWM波形。基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣原理如圖2所示，定義三相上橋臂的開關(guān)管狀態(tài)分別為Sa、Sb、Sc，導(dǎo)通時定義為狀態(tài)“1”，關(guān)斷時定義為狀態(tài)“0”�？尚纬�8個空間電壓矢量，其中6個非零空間電壓矢量為V100、V110、V010、V011、V001、V101，2個零矢量為V000、V111將空間電壓矢量平面分為6個扇區(qū)。
如圖3所示，以第一扇區(qū)為例參考電壓矢量V由V110和V1002個基本矢量合成，作用有效時間分別為t1和t2。電壓矢量V經(jīng)調(diào)制的PWM波形如圖4所示。其中在基本矢量V100作用的t2時間內(nèi)逆變器上橋臂只有A相橋臂導(dǎo)通，B、C相下橋臂導(dǎo)通，形成回路。此時，通過采樣B、C相下橋臂MOSFET的導(dǎo)通壓降，而獲得B、C相的相電流-ib、-ic。依此類推，得到不同扇區(qū)可以檢測的相電流，如表1所示。
在一個PWM周期內(nèi)，1個基本電壓矢量(1相上橋臂導(dǎo)通，2相下橋臂導(dǎo)通)作用時，通過采樣2相下橋臂MOSFET的導(dǎo)通壓降，獲得2相的相電流，結(jié)合表1的對應(yīng)關(guān)系，通過ia+ib+ic=0計算得到全部的相電流信息。
根據(jù)前面所述的基于MOSFET內(nèi)阻電流采樣的原理，在每個PWM周期中電流采樣觸發(fā)1次。由于在開關(guān)管開通和關(guān)斷的時候電流產(chǎn)生較大的脈動，所以采樣時刻設(shè)在1個基本電壓矢量的中間時刻。電流采樣時刻如圖5所示。根據(jù)上面分析的重構(gòu)原理得到電機(jī)的三相電流。
上述只考慮了理想情況，實際上電流采樣和電流重構(gòu)的成功實施必須滿足一個最基本的條件，即當(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，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：Tmin = Td+ Tad+ Tsett (1)式中，Td為逆變器的死區(qū)時間;Tad為A/D采樣和保持時間;Tsett為采樣電流完全建立需要的穩(wěn)定時間。而當(dāng)參考電壓矢量處于SVPWM波低調(diào)制區(qū)域或在非零空間電壓矢量附近時，就不能滿足上述條件。通常采用不對稱PWM波可以解決這個電流檢測的局限性。不對稱PWM波可以保證在整個PWM周期脈沖占空比不變的情況下，獲得足夠的電流采樣時間。具體實現(xiàn)方法可參考文獻(xiàn)。
三、實驗驗證
Microchip公司的dsPIC30F5015是一款高性能的16位處理器[9-10]。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換精度為10位時，最大轉(zhuǎn)換速度為1Msps，支持對四個模擬輸入引腳進(jìn)行同時采樣。內(nèi)含的電機(jī)控制PWM(MCPWM)模塊簡化了產(chǎn)生多種同步脈寬調(diào)制輸出的任務(wù)，PWM發(fā)生器是通過一個內(nèi)含15位的遞增/遞減計數(shù)器(PTMR)來產(chǎn)生PWM輸出，PWM輸出支持帶雙更新的中心對齊模式，從而實現(xiàn)所需要的不對稱PWM波。PWM模塊有一個事件觸發(fā)器，允許A/D轉(zhuǎn)換與PWM時基同步，實現(xiàn)A/D采樣和轉(zhuǎn)換時間發(fā)生在PWM周期中的用戶設(shè)定點，完成預(yù)定時刻的電流采樣。
在電流采樣過程中，dsPIC30F5015通過內(nèi)部設(shè)置A/D采樣時間Tad為2.1us，死區(qū)時間Td為2.5us ，建立時間Tsett約為1us。為了能夠正確的重構(gòu)相電流信號，最小檢測時間Tmin設(shè)置為8us，同時這個時間可以根據(jù)實際情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑黾雍蜏p少。
本實驗選取的電機(jī)為24極36槽電動自行車輪轂電機(jī)，工作電壓48V，最高轉(zhuǎn)速500rpm，通過500W的電機(jī)變頻器控制電路進(jìn)行實驗。在輕負(fù)載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速500rpm時正常運行，實際檢測到的電動機(jī)A相電流波形如圖6所示。從測試結(jié)果可以看出，電流波形平滑，效果很好。表明相電流采樣及重構(gòu)方法有效。
四、結(jié)語
基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣及相電流重構(gòu)的方法具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高、易實現(xiàn)等優(yōu)點，尤其是避免了檢測電阻的引入對電路造成的額外功率損耗，在低壓交流電動機(jī)的變頻控制領(lǐng)域中具有很高的應(yīng)用價值。本文對檢測MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通管壓降來獲取電流的原理進(jìn)行了闡述，提出了電機(jī)矢量控制中電流采樣及相電流重構(gòu)的方法。實驗證明基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣及相電流重構(gòu)的算法能實現(xiàn)全區(qū)域的電流采樣及重構(gòu)。
一種基于mos壓降的新型電流采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采樣領(lǐng)域，尤其涉及一種基于mos壓降的新型電流采樣方法。
背景技術(shù)：
2.在電機(jī)驅(qū)動器電流采樣方案中，為考慮成本，一般會采用橋臂中串聯(lián)電阻或者基于mos管壓降電流計算方式，但是當(dāng)電流過大時，電阻上發(fā)熱情況越發(fā)嚴(yán)重，影響整機(jī)的效率，mos管壓降的方式如果不進(jìn)行補償，采樣精度往往很難得到保證。第二種方案精度差的原因是，在使用中，由于mosfet自身溫度特性導(dǎo)致內(nèi)阻變化，從而導(dǎo)致壓降的變化，使得采樣電流與實際電流出現(xiàn)較大的偏差，無法通過采樣電流值實現(xiàn)正常的控制。
3.中國專利cn 108768139a公開了一種壓降型功率級電路中電流檢測誤差補償方法及電路，采樣抵消電壓，并作為反饋信號反饋到電流采樣模塊；所述抵消電壓作為輸入信號補償?shù)窒β蕀os器件上的寄生電感帶來的干擾信號。將抵消電壓作為反饋信號反饋到電流采樣模塊，作為輸入信號補償，能夠用于抵消由于功率級電路寄生電感所帶來的干擾，從而得到更準(zhǔn)確的電流過o檢測信號和電流過大信號。
4.中國專利cn 102495265b公開了一種mosfet開關(guān)元件的電流采樣電路，所述開關(guān)元件的第一端和采樣模塊的第一輸入端相連，并作為電流輸入信號端，所述開關(guān)元件的第二端和采樣模塊的第二輸入端相連，并作為mosfet開關(guān)元件電流輸出信號端，所述采樣模塊的輸出端作為采樣電流輸出信號端，所述采樣模塊直接采樣mosfet開關(guān)元件的第一端和第二端的電壓差，所述采樣模塊的第一輸入端和第二輸入端之間可允許的最大電壓差值為采樣模塊兩個輸入端之間的耐壓值；所述采樣模塊包括的鉗位模塊增加采樣模塊的耐壓值，阻斷從采樣模塊的第一輸入端端到第二輸入端之間形成電流通路，提高mosfet開關(guān)元件的電流采樣電路的工作電壓范圍。
5.現(xiàn)有技術(shù)中提供了多種電流采樣方法，例如通過電阻采樣和mos壓降電流采樣綜合的方法，實現(xiàn)兩種電流采樣互為補充，優(yōu)化電流采樣精度。而上述兩個專利則是分別針對引入電壓和提高工作電壓范圍的角度去提高采樣的效率，但是都未對mosfet溫度升高做出補償，導(dǎo)致在實際工作中的電流采樣值會大于實際值。
6.本發(fā)明在現(xiàn)有硬件方案的基礎(chǔ)上采集橋臂中點電壓，同時通過引入mosfet的結(jié)溫與損耗關(guān)系、結(jié)溫與mos內(nèi)阻的關(guān)系以及結(jié)溫與采樣點溫度的關(guān)系，形成對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系作為補償公式，帶入采樣計算電流值中進(jìn)行使用，實現(xiàn)在不同電流，不同溫升的情況下對采樣值進(jìn)行精確補償，以保證電流采樣的精度。
7.此外，一方面由于對本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解存在差異；另一方面由于申請人做出本發(fā)明時研究了大量文獻(xiàn)和專利，但篇幅所限并未詳細(xì)羅列所有的細(xì)節(jié)與內(nèi)容，然而這絕非本發(fā)明不具備這些現(xiàn)有技術(shù)的特征，相反本發(fā)明已經(jīng)具備現(xiàn)有技術(shù)的所有特征，而且申請人保留在背景技術(shù)中增加相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)之權(quán)利。
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