電機控制系統中的相電流檢測與數據處理

朱成海+王富東

摘 要：電流檢測是現代電機控制技術中的重要環節。在工程上，電機電流的檢測不僅要滿足測量精度要求，還要考慮低成本、體積等實際問題。文章在對各種電流檢測方法進行對比分析的基礎上，采用三個采樣電阻實現了電流檢測。電流采樣數據通過通信接口傳送到個人電腦，并用MATLAB進行數據分析，進而得到對于實際采樣數據的處理方法與有關參數，最終得到了可以用于電機控制的電流信號。

關鍵詞：電機控制；相電流采樣；數據通信；MATLAB數據處理

1 概述

現代電機控制系統中廣泛采用矢量控制技術，而電機的相電流檢測則是矢量控制的基礎[1]。在工程應用中，電流檢測既要滿足精度要求，還要考慮體積、成本等一系列實際問題。常見的電流檢測方法有以下幾種：（1）使用電流互感器。但電流互感器存在體積大，成本高等缺點，而且一般適用于檢測大電流。（2）使用霍爾電流傳感器。這種傳感器使用方法簡單，而且可以做到高精度檢測和快速響應。但由于其價格昂貴，會大大增加生產成本。張蘭紅通過在電機逆變器下橋臂串接電流傳感器ACS712的方法對電機相電流進行了檢測，該設計檢測電流簡單可靠、精度高。但由于ACS712價格較高，增加了生產成本[1]。（3）電阻采樣。其基本原理就是在需要測電流的電路中串聯一個小電阻，通過檢測該電阻的壓降，從而計算出實際電流的大小。這種方法成本低而且可以檢測較小的電流，適用于電機相電流檢測[2]。其缺點是采樣電路與電機主電路不隔離，另外對采樣電阻的精度要求很高，需要采用專門的采樣電阻。葉維民使用雙電阻相電流采樣的方法來進行電機電流采樣，并提供了相應的濾波算法，這種方法精度高、實時性好。但由于只測兩相電流，第三相通過計算所得，由于電路不完全對稱，第三相電流通過計算所得會存在誤差[2]。本文通過三電阻采樣，消除了電路不對稱對第三相電流的影響。

無論采用哪種電流檢測方法，采樣得到的電機電流都存在一定的誤差[3]。電機電流越大，干擾越嚴重，原始的電流采樣數據根本無法用于矢量控制的計算。為此，先將實驗中的電流采樣數據通過通信接口傳送到個人電腦，再通過MATLAB分析干擾信號的特征，采用合適的方法對原始采樣數據進行處理（濾波），最后得到比較理想的電流波形。再將濾波算法移植到電機控制控制系統的CPU中，最終得到了滿意的控制效果。

2 采樣電路的設計

實驗系統是一臺400W的PMSM電機。由于PMSM電機的功率一般都比較小，所以采用電阻采樣的電流檢測方法是比較合適的。采樣電阻安裝在三相H橋的下部接地端，采樣電阻上的電壓信號經過放大電路處理后輸入到單片機的A/D引腳上，如圖1所示。之所以采用3個采樣電阻而不是2個，是由于三相采樣與信號處理電路難以做到精確一致，從而導致三相電流采樣數據之和不為0。

電流檢測的采樣時刻選取在每個PWM周期的中點，確保在每一個PWM周期中都進行電流采樣，這樣可以保證電流采樣的實時性，如圖2（a）所示。此時，三相H橋的上臂都處于關斷狀態，下臂都處于導通狀態[4]。如果忽略下臂驅動元件的導通電阻和二極管的導通壓降，此時的等效電路如圖2（b）所示。

顯然，此時電路中的電流是續流電流。續流電流是不斷衰減的，雖然續流電流并不等于實際電流，但應該與實際電流有一定關系。通過在電機電路中串聯一個電流傳感器（ACS712），將其輸出與采樣的到的續流電流信號進行對比，發現兩者的波形基本是一致的。這說明確實可以將續流電流作為實際電流來進行分析和處理。

為了減少電阻上的損耗，采樣電阻的阻值一般都在幾十毫歐姆，采樣電阻上的電壓通常也就只有毫伏的數量級。而且續流電流有正有負，對于單電源的CPU需要將采樣信號進行電平提升并放大。為此專門設計了相應的信號轉換電路，如圖3所示。

由圖3可見，這是一個同相輸入放大電路。由所給電路參數，可得如下關系：

如果采樣電阻取50毫歐，CPU的A/D模塊輸入電壓范圍為0-5V，則可以得到測量電流范圍為-10.6到10.6A，所用A/D模塊為10位A/D模塊，理論測量精度為0.02A，采樣精度較高。

運放可以采用單片4運放電路，這樣就可以用一片運放完成3路電流的信號轉換。為了增加電路的抗干擾性，在電路中還可以增加電容濾波。

3 采樣軟件設計

為了保證采樣時刻，需要采用專門的技術手段。在專門為電機控制所設計的CPU中，都配置有相應的三相PWM控制模塊。例如TI公司的TMS320F2812DSP，該芯片內含有事件管理器EVA模塊，可以直接輸出三相對稱PWM控制信號，用于控制逆變器的三相H橋的6個開關元件[5]。類似的器件還有飛思卡爾（Freescale）公司、微芯（Microchip）公司、仙童（Fairchild）公司的有關產品。

在這些芯片中，一般還有一個特殊事件觸發器，用于產生某些特定功能的觸發信號，例如觸發A/D轉換。微芯公司的DSC控制器就具有這種功能，該芯片可以在一個PWM周期的任意時刻產生觸發信號。因此在程序設計中，只要在初始化中設置相應的控制寄存器，就可以很方便地實現在一個PWM周期的中點時刻觸發A/D采樣的功能。該DSC控制器的某些型號具有多路信號的同步采樣功能，很容易就實現了3路采樣信號的A/D轉換。

這樣實現的電流采樣與電機控制的PWM是同步的，因此并不是整周期采樣。電機控制PWM的載波頻率一般在5KHz-20KHz之間，而電機運行正弦波的頻率一般在400Hz以下。因此，在大多數情況下還需要進行一些數據處理。

4 采樣數據處理

實驗采用上述的400W的PMSM電機，轉速為1000rpm。實際采樣頻率為2.65KHz，在電機達到額定轉速時，相鄰兩次采樣轉子角度變化為2.62度，可以滿足電機采樣實時性的要求。由于各種誤差與電磁干擾的影響，通過A/D轉換得到的原始電流數據不能直接使用[6]。為了得到理想的電流信號，需要對采樣數據進行深入的分析，從而得到對采樣數據進行數據處理的方法與濾波器的有關參數。由于電機控制器的顯示內容有限，在控制器上對數據進行分析是很困難的。為此利用CPU的通信接口，將一段時間內的采樣數據傳送到個人計算機上，再利用MATLAB進行數據分析與處理。

對采樣數據進行頻譜分析，通過頻譜分析可以看出干擾信號的頻率分布。由于單片機采樣頻率為固定值2.65KHz，而正弦波的頻率是隨電機轉速的快慢而變化的，因此在一個正弦波周期中的采樣個數不是整數，這在理論上會造成“頻譜泄漏”，我們使用加窗函數的方法可以盡量減小頻譜泄漏帶來的影響。圖4（a）為采樣數據波形，圖4（b）對應的頻譜分析結果。

根據頻譜分析圖可以看出，電機中存在三次諧波和PWM載波引起的高次諧波的噪聲干擾。理論上SVPWM輸出的相電壓波形為馬鞍形，不是標準的正弦波，因此相電流中也應該含有三次諧波成分。

5 濾波算法

為了進一步使采樣信號滿足計算要求，我們將在PC機上用各種濾波算法對采樣數據進行濾波處理。常用的數字濾波器分為有限長脈沖響應（FIR）和無限長脈沖響應（IIR）濾波器，無限沖激響應濾波器的設計是借助模擬濾波器轉換的設計方法，一般有公式和圖表可查詢，另外還有一些典型模擬濾波器可供選擇，這種方法相對比較簡單[7]。有限沖激響應濾波器主要采用非遞歸結構，可以保證絕對的穩定。FIR與IIR根據階次不同，又可以分為一階、二階和高階等。理論上，濾波器階次越高，濾波效果越好，但計算量也越大，一般我們只考慮一階和二階濾波器。為了比較幾種濾波器的好壞，我們將采樣數據分別做了一階和二階的FIR和IIR濾波。通過比較它們之間的計算量（Matlab計算時間）和總諧波畸變率（THD），對比了濾波效果。

Gn為所有諧波分量的有效制，G1為基波分量的有效制。

從表中可以看出，FIR的計算量比IIR要大一些、但是FIR的效果會比IIR好些。另外在實際單片機應用中，FIR算法具有線性相位，更易設計。因此，我們在實際應用中選擇一階FIR濾波算法。圖5（a）為濾波后頻譜分析圖，圖5（b）為濾波后電流矢量合成圖。

6 結束語

精確的相電流檢測是電機閉環控制中電流閉環的前提條件，是電機控制系統不可或缺的關鍵步驟。本文提出了一種新型的三個采樣電阻實現電流檢測的方法，通過MATLAB分析一臺永磁同步電機的電流采樣數據特征，采用合適的方法對原始采樣數據進行了處理，最后得到了比較理想的電流波形。再將濾波算法移植到電機控制控制系統的CPU中，最終得到了滿意的控制效果。

參考文獻

[1]張蘭紅，鄭慧麗.異步電機SVM-DTC系統中的相電流檢測研究[J].電測與儀表，2014，51（20）：84-89.

[2]葉維明.電機矢量控制的相電流采樣與濾波方法的研究[J].科技創新，2015，32：44-46.

[3]Jim Lepkowski.Motor Control Sensor Feedback Cricuits[Z].America： Microchip Technology Inc.， 2003.

[4]陳伯時.電力拖動控制自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5]宋雪雷，王永興.基于DSP的PMSM控制器設計及相關問題分析[J].電力電子技術，2010，44（7）：33-34.

[6]高振天，郭立新.電機控制中的電流檢測技術[J].機電工程技術，2012（8）：148-150.

[7]伍永鋒.FIR數字濾波器的MATLAB設計及DSP的實現[J].計算機光盤軟件與應用，2010（6）：153-154.

作者簡介：朱成海（1991-），男，在讀碩士，研究方向：工業自動化。