電機矢量控制的相電流采樣與濾波方法的研究

摘 要：電流的采樣對電機矢量控制是非常重要的。在低成本應用場合，采用雙電阻相電流采樣的方法具有一定的優勢。論文對雙電阻相電流采樣原理進行了闡述，并對相電流波形進行了分析，提出了適用的數字濾波方法。并經過實驗驗證了雙電阻相電流采樣原理的正確性和數字濾波方法的有效性。

關鍵詞：電機矢量控制；永磁同步電機；電流采樣；數字濾波

引言

20世紀70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制電機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對電機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電機轉矩的目的。

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。在對成本要求高的應用場合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關鍵問題。

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算電流大小，適合于被測電流較小的場合?；魻栯娏鱾鞲衅鳒y量精度高、線性度好、響應快、使用簡單，但價格比較昂貴。電流互感器體積較大，造價昂貴，適合于被測電流大的場合。對于小功率的伺服驅動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，微處理器對某兩相電流通過采樣電阻進行采樣，再根據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，經過電壓偏置和放大[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，電流采樣時刻是在三相上橋臂都截止的時刻進行的，因為只有在這個時刻才能保證采樣電阻上均有反映該相電流的電流流過，只是此時可能采樣得到的電流是續流電流，不過續流電流也可以真實的反映相電流的值。由此可見，雙電阻采樣方法也可以實現三相定子電流的重構。

根據以上分析，雙電阻采樣方法可以實現三相定子電流的重構，不過由圖2可見該方案也存在電流采樣盲區問題，就是當電流采樣相為電壓最大相時，如果該相占空比比較高的時候，電流可采樣的區間（電壓最大相下橋臂開通區間）就變得狹窄，考慮到IGBT剛切換時會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鍵，負載一定時，如果采樣電阻的阻值小，則壓降小，在電機回路中不會產生很大的影響；如果采樣電阻的阻值過大，會引起電壓損耗，減小能量效率，且較大的阻值還會使負載電壓發生偏移，產生電磁干擾，產生系統對噪聲敏感等問題；此外選取采樣電阻時，還要考慮電阻的穩定性能和阻值誤差[3]。

2 相電流的濾波

由于永磁同步電機的寬范圍調速及高速特性，在電機設計時不易獲得理想的正弦氣隙磁場[4]，同時電力電子裝置的非線性特性，導致在系統控制時采樣的相電流含有不規則的高次諧波和隨機干擾。再加上電流采樣電路的穩定性及A/D轉換單元偏差的存在，更是加大了實際采樣到的電流波動。另外，在系統電路中采用的開關電源、大功率電磁鐵等電路，可能還會引起很大干擾。

可見，永磁同步電動機相電流中，含有各種高次、隨機的諧波。其中包含PWM斬波引起的高頻諧波，有因電機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的隨機脈沖。因此，在系統控制中，需要采用不同的硬件和數字濾波方法。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斬波引起的干擾。軟件濾波用于去除隨時脈沖干擾和由低次諧波引起的噪聲。

采用550W伺服驅動器（載波頻率16KHz），配4極15槽永磁同步電機進行測試。在3500rpm輕負載下，用示波器分時測得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，還由于電機反電勢、齒槽等影響，使相電流呈現的不是正弦波。

從處理器A/D轉換后，獲取的相電流數值如圖4所示，相電流又增加了由于A/D電路引起的隨機電流尖峰。

2.1 程序判斷濾波

對于隨機電流尖峰，通常采用限幅濾波法或限速濾波法[5]來實現消除。電機相電流是個動態的信號，既要考慮采樣值的實時性，又要顧及采樣值的連續性。文章實際采用如下濾波算法：設順序采樣時刻t1，t2，t3的采樣值分別為Y（1），Y（2），Y（3），ΔY1和ΔY2為根據現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，消除了隨機的電流尖峰，如圖5所示。

2.2 算術平均值法

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。

算術平均值法對信號的平滑濾波程度完全取決于n。

當n較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結果Y的影響??；當n較小時，平滑度低，但靈敏度高。電機相電流是個動態的信號，應視具體情況選取n。采用算術平均值法濾波后，消除了圖5波形中的大部分低次諧波，如圖6所示。經過兩次濾波后，相電流的波形得到了顯著的優化。

3 系統的實驗結果

采用上述550W伺服驅動器和電機，在測功機上進行相電流濾波前后的對比測試，結果如下：（1）電機3500rpm恒速運行，測功機不加載時：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3500rpm恒速運行，測功機加1.3Nm扭矩進行定點測試時：控制器的效率由濾波前的81.35%上升到濾波后的82.51%。

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

4 結束語

由以上分析及實驗結果可以看出，在采用雙電阻相電流采樣的伺服控制系統中，通過復合數字濾波方法能夠將由PWM斬波引起的高頻諧波、電機非正弦反電勢引起的低次諧波、電力電子線路因干擾出現的隨機脈沖等因素引起的相電流噪聲得到有效的抑制，提高了電機運行的平穩性，有效改善了系統的效率。

參考文獻

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通訊作者：葉維民