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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(duì)電機(jī)矢量控制是非常重要的。在低成本應(yīng)用場(chǎng)合，采用MOSFET導(dǎo)通電阻的電流采樣方法具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)檢測(cè)MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通管壓降來(lái)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(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，論證了該算法的正確性和可行性。
20世紀(jì)70年代西門(mén)子工程師F.Blaschke首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來(lái)解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)電機(jī)的勵(lì)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(gè)重要的指標(biāo)。在對(duì)成本要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)機(jī)相電流重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)利用三個(gè)MOSFET下管的導(dǎo)通壓降來(lái)獲取電流信息，根據(jù)逆變器所處開(kāi)關(guān)狀態(tài)和三相電流關(guān)系，計(jì)算出各相電流，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)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(cè)的手段已得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。MOSFET作為多子器件，在飽和導(dǎo)通時(shí)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(jiàn)，當(dāng)VGS大于9V時(shí)，MOSFET飽和導(dǎo)通，漏源為恒定電阻，并且阻值很小。不同型號(hào)的MOSFET有不同的漏源導(dǎo)通電阻值。
當(dāng)MOSFET功率開(kāi)關(guān)流過(guò)通態(tài)電流時(shí)，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(cè)出MOSFET開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)壓降也就檢測(cè)到流過(guò)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(duì)檢測(cè)精度影響。這種電流檢測(cè)電路簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本和空間，尤其是避免了檢測(cè)電阻的引入對(duì)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(chǎng)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(duì)稱正弦波電壓供電式交流電動(dòng)機(jī)的定子理想磁通圓為參考基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成指令的PWM波形�；贛OSFET內(nèi)阻的電流采樣原理如圖2所示，定義三相上橋臂的開(kāi)關(guān)管狀態(tài)分別為Sa、Sb、Sc，導(dǎo)通時(shí)定義為狀態(tài)“1”，關(guān)斷時(shí)定義為狀態(tài)“0”�？尚纬�8個(gè)空間電壓矢量，其中6個(gè)非零空間電壓矢量為V100、V110、V010、V011、V001、V101，2個(gè)零矢量為V000、V111將空間電壓矢量平面分為6個(gè)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(gè)基本矢量合成，作用有效時(shí)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(shí)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(shí)，通過(guò)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(cè)的相電流，如表1所示。
在一個(gè)PWM周期內(nèi)，1個(gè)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(shí)，通過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)ia+ib+ic=0計(jì)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(gè)PWM周期中電流采樣觸發(fā)1次。由于在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)候電流產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，所以采樣時(shí)刻設(shè)在1個(gè)基本電壓矢量的中間時(shí)刻。電流采樣時(shí)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(shí)際上電流采樣和電流重構(gòu)的成功實(shí)施必須滿足一個(gè)最基本的條件，即當(dāng)非零空間電壓矢量作用時(shí)電流采樣要有足夠的采樣窗口，其作用時(shí)間應(yīng)大于完成一次電流采樣所需的最短時(shí)間Tmin，即：Tmin = Td+ Tad+ Tsett (1)式中，Td為逆變器的死區(qū)時(shí)間;Tad為A/D采樣和保持時(shí)間;Tsett為采樣電流完全建立需要的穩(wěn)定時(shí)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(shí)，就不能滿足上述條件。通常采用不對(duì)稱PWM波可以解決這個(gè)電流檢測(cè)的局限性。不對(duì)稱PWM波可以保證在整個(gè)PWM周期脈沖占空比不變的情況下，獲得足夠的電流采樣時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)方法可參考文獻(xiàn)。
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，最大轉(zhuǎn)換速度為1Msps，支持對(duì)四個(gè)模擬輸入引腳進(jìn)行同時(shí)采樣。內(nèi)含的電機(jī)控制PWM(MCPWM)模塊簡(jiǎn)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(guò)一個(gè)內(nèi)含15位的遞增/遞減計(jì)數(shù)器(PTMR)來(lái)產(chǎn)生PWM輸出，PWM輸出支持帶雙更新的中心對(duì)齊模式，從而實(shí)現(xiàn)所需要的不對(duì)稱PWM波。PWM模塊有一個(gè)事件觸發(fā)器，允許A/D轉(zhuǎn)換與PWM時(shí)基同步，實(shí)現(xiàn)A/D采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間發(fā)生在PWM周期中的用戶設(shè)定點(diǎn)，完成預(yù)定時(shí)刻的電流采樣。
在電流采樣過(guò)程中，dsPIC30F5015通過(guò)內(nèi)部設(shè)置A/D采樣時(shí)間Tad為2.1us，死區(qū)時(shí)間Td為2.5us ，建立時(shí)間Tsett約為1us。為了能夠正確的重構(gòu)相電流信號(hào)，最小檢測(cè)時(shí)間Tmin設(shè)置為8us，同時(shí)這個(gè)時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑黾雍蜏p少。
本實(shí)驗(yàn)選取的電機(jī)為24極36槽電動(dòng)自行車(chē)輪轂電機(jī)，工作電壓48V，最高轉(zhuǎn)速500rpm，通過(guò)500W的電機(jī)變頻器控制電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在輕負(fù)載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速500rpm時(shí)正常運(yùn)行，實(shí)際檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)A相電流波形如圖6所示。從測(cè)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(yǔ)
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(jiǎn)單、成本低、精度高、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是避免了檢測(cè)電阻的引入對(duì)電路造成的額外功率損耗，在低壓交流電動(dòng)機(jī)的變頻控制領(lǐng)域中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)檢測(cè)MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通管壓降來(lái)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)器電流采樣方案中，為考慮成本，一般會(huì)采用橋臂中串聯(lián)電阻或者基于mos管壓降電流計(jì)算方式，但是當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，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(bǔ)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(shí)際電流出現(xiàn)較大的偏差，無(wú)法通過(guò)采樣電流值實(shí)現(xiàn)正常的控制。
3.中國(guó)專利cn 108768139a公開(kāi)了一種壓降型功率級(jí)電路中電流檢測(cè)誤差補(bǔ)償方法及電路，采樣抵消電壓，并作為反饋信號(hào)反饋到電流采樣模塊；所述抵消電壓作為輸入信號(hào)補(bǔ)償?shù)窒β蕀os器件上的寄生電感帶來(lái)的干擾信號(hào)。將抵消電壓作為反饋信號(hào)反饋到電流采樣模塊，作為輸入信號(hào)補(bǔ)償，能夠用于抵消由于功率級(jí)電路寄生電感所帶來(lái)的干擾，從而得到更準(zhǔn)確的電流過(guò)o檢測(cè)信號(hào)和電流過(guò)大信號(hào)。
4.中國(guó)專利cn 102495265b公開(kāi)了一種mosfet開(kāi)關(guān)元件的電流采樣電路，所述開(kāi)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(hào)端，所述開(kāi)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(kāi)關(guān)元件電流輸出信號(hào)端，所述采樣模塊的輸出端作為采樣電流輸出信號(hào)端，所述采樣模塊直接采樣mosfet開(kāi)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(gè)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(kāi)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(guò)電阻采樣和mos壓降電流采樣綜合的方法，實(shí)現(xiàn)兩種電流采樣互為補(bǔ)充，優(yōu)化電流采樣精度。而上述兩個(gè)專利則是分別針對(duì)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(duì)mosfet溫度升高做出補(bǔ)償，導(dǎo)致在實(shí)際工作中的電流采樣值會(huì)大于實(shí)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(diǎn)電壓，同時(shí)通過(guò)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(diǎn)溫度的關(guān)系，形成對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系作為補(bǔ)償公式，帶入采樣計(jì)算電流值中進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)在不同電流，不同溫升的情況下對(duì)采樣值進(jìn)行精確補(bǔ)償，以保證電流采樣的精度。
7.此外，一方面由于對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解存在差異；另一方面由于申請(qǐng)人做出本發(fā)明時(shí)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(qǐng)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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