電機(jī)矢量控制的相電流采樣與濾波方法的研究

摘 要：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)用場合，采用雙電阻相電流采樣的方法具有一定的優(yōu)勢。論文對(duì)雙電阻相電流采樣原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)相電流波形進(jìn)行了分析，提出了適用的數(shù)字濾波方法。并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙電阻相電流采樣原理的正確性和數(shù)字濾波方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電機(jī)矢量控制；永磁同步電機(jī)；電流采樣；數(shù)字濾波

引言

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(shí)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(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)用場合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關(guān)鍵問題。

電流檢測通常有以下幾種方式：（1）電阻采樣；（2）霍爾電流傳感器；（3）電流互感器。電阻采樣通過測量電阻上的壓降來計(jì)算電流大小，適合于被測電流較小的場合。霍爾電流傳感器測量精度高、線性度好、響應(yīng)快、使用簡單，但價(jià)格比較昂貴。電流互感器體積較大，造價(jià)昂貴，適合于被測電流大的場合。對(duì)于小功率的伺服驅(qū)動(dòng)器適合采用電阻采樣方式，文章以雙電阻電流采樣方式[1]展開分析。

1 雙電阻相電流的采樣原理

雙電阻采樣方式的典型電路如圖1所示，微處理器對(duì)某兩相電流通過采樣電阻進(jìn)行采樣，再根據(jù)iu、iv、iw的矢量和為零，即：iu+iv+iw=0的理論推算出第三相電流的值。從采樣電阻上獲取的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓偏置和放大[2]后，輸入到微處理器的A/D單元。雙電阻采樣的邏輯如圖2所示，電流采樣時(shí)刻是在三相上橋臂都截止的時(shí)刻進(jìn)行的，因?yàn)橹挥性谶@個(gè)時(shí)刻才能保證采樣電阻上均有反映該相電流的電流流過，只是此時(shí)可能采樣得到的電流是續(xù)流電流，不過續(xù)流電流也可以真實(shí)的反映相電流的值。由此可見，雙電阻采樣方法也可以實(shí)現(xiàn)三相定子電流的重構(gòu)。

根據(jù)以上分析，雙電阻采樣方法可以實(shí)現(xiàn)三相定子電流的重構(gòu)，不過由圖2可見該方案也存在電流采樣盲區(qū)問題，就是當(dāng)電流采樣相為電壓最大相時(shí)，如果該相占空比比較高的時(shí)候，電流可采樣的區(qū)間（電壓最大相下橋臂開通區(qū)間）就變得狹窄，考慮到IGBT剛切換時(shí)會(huì)有比較大的電流震蕩的問題，使得電流采樣誤差比較大。目前解決的辦法是限制電壓最大占空比，通用限制在95%以下。這里采樣電阻的選取很關(guān)鍵，負(fù)載一定時(shí)，如果采樣電阻的阻值小，則壓降小，在電機(jī)回路中不會(huì)產(chǎn)生很大的影響；如果采樣電阻的阻值過大，會(huì)引起電壓損耗，減小能量效率，且較大的阻值還會(huì)使負(fù)載電壓發(fā)生偏移，產(chǎn)生電磁干擾，產(chǎn)生系統(tǒng)對(duì)噪聲敏感等問題；此外選取采樣電阻時(shí)，還要考慮電阻的穩(wěn)定性能和阻值誤差[3]。

2 相電流的濾波

由于永磁同步電機(jī)的寬范圍調(diào)速及高速特性，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不易獲得理想的正弦氣隙磁場[4]，同時(shí)電力電子裝置的非線性特性，導(dǎo)致在系統(tǒng)控制時(shí)采樣的相電流含有不規(guī)則的高次諧波和隨機(jī)干擾。再加上電流采樣電路的穩(wěn)定性及A/D轉(zhuǎn)換單元偏差的存在，更是加大了實(shí)際采樣到的電流波動(dòng)。另外，在系統(tǒng)電路中采用的開關(guān)電源、大功率電磁鐵等電路，可能還會(huì)引起很大干擾。

可見，永磁同步電動(dòng)機(jī)相電流中，含有各種高次、隨機(jī)的諧波。其中包含PWM斬波引起的高頻諧波，有因電機(jī)非正弦反電勢引起的低次諧波，還有電力電子線路因干擾出現(xiàn)的隨機(jī)脈沖。因此，在系統(tǒng)控制中，需要采用不同的硬件和數(shù)字濾波方法。硬件濾波是在電流采樣電路上增加LC濾波電路，用于去除逆變器的功率開關(guān)斬波引起的干擾。軟件濾波用于去除隨時(shí)脈沖干擾和由低次諧波引起的噪聲。

采用550W伺服驅(qū)動(dòng)器（載波頻率16KHz），配4極15槽永磁同步電機(jī)進(jìn)行測試。在3500rpm輕負(fù)載下，用示波器分時(shí)測得U、V相電流如圖3所示，相電流波形除了由于斬波引起的高次諧波外，還由于電機(jī)反電勢、齒槽等影響，使相電流呈現(xiàn)的不是正弦波。

從處理器A/D轉(zhuǎn)換后，獲取的相電流數(shù)值如圖4所示，相電流又增加了由于A/D電路引起的隨機(jī)電流尖峰。

2.1 程序判斷濾波

對(duì)于隨機(jī)電流尖峰，通常采用限幅濾波法或限速濾波法[5]來實(shí)現(xiàn)消除。電機(jī)相電流是個(gè)動(dòng)態(tài)的信號(hào)，既要考慮采樣值的實(shí)時(shí)性，又要顧及采樣值的連續(xù)性。文章實(shí)際采用如下濾波算法：設(shè)順序采樣時(shí)刻t1，t2，t3的采樣值分別為Y（1），Y（2），Y（3），ΔY1和ΔY2為根據(jù)現(xiàn)場情況確定的門限值，其中ΔY1<ΔY2。具體算法如式（1）所示。

采用程序判斷濾波后，消除了隨機(jī)的電流尖峰，如圖5所示。

2.2 算術(shù)平均值法

圖5所示的相電流波形中還存在著低次諧波，由于它在時(shí)間域的頻率是不確定的，這里采用平均值濾波法[7]來處理，具體算法如式（2）所示。

算術(shù)平均值法對(duì)信號(hào)的平滑濾波程度完全取決于n。

當(dāng)n較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號(hào)的變化對(duì)測量計(jì)算結(jié)果Y的影響小；當(dāng)n較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。電機(jī)相電流是個(gè)動(dòng)態(tài)的信號(hào)，應(yīng)視具體情況選取n。采用算術(shù)平均值法濾波后，消除了圖5波形中的大部分低次諧波，如圖6所示。經(jīng)過兩次濾波后，相電流的波形得到了顯著的優(yōu)化。

3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述550W伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，在測功機(jī)上進(jìn)行相電流濾波前后的對(duì)比測試，結(jié)果如下：（1）電機(jī)3500rpm恒速運(yùn)行，測功機(jī)不加載時(shí)：控制器輸入功率由濾波前的73.47W下降到濾波后的55.01W。（2）電機(jī)3500rpm恒速運(yùn)行，測功機(jī)加1.3Nm扭矩進(jìn)行定點(diǎn)測試時(shí)：控制器的效率由濾波前的81.35%上升到濾波后的82.51%。

由上述結(jié)果可以看出，采用了相電流濾波的伺服系統(tǒng)，減少了功耗，提升了系統(tǒng)的效率。

4 結(jié)束語

由以上分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在采用雙電阻相電流采樣的伺服控制系統(tǒng)中，通過復(fù)合數(shù)字濾波方法能夠?qū)⒂蒔WM斬波引起的高頻諧波、電機(jī)非正弦反電勢引起的低次諧波、電力電子線路因干擾出現(xiàn)的隨機(jī)脈沖等因素引起的相電流噪聲得到有效的抑制，提高了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，有效改善了系統(tǒng)的效率。

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通訊作者：葉維民