電機(jī)控制系統(tǒng)中的相電流檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理

朱成海+王富東

摘 要：電流檢測(cè)是現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。在工程上，電機(jī)電流的檢測(cè)不僅要滿足測(cè)量精度要求，還要考慮低成本、體積等實(shí)際問(wèn)題。文章在對(duì)各種電流檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，采用三個(gè)采樣電阻實(shí)現(xiàn)了電流檢測(cè)。電流采樣數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口傳送到個(gè)人電腦，并用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而得到對(duì)于實(shí)際采樣數(shù)據(jù)的處理方法與有關(guān)參數(shù)，最終得到了可以用于電機(jī)控制的電流信號(hào)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制；相電流采樣；數(shù)據(jù)通信；MATLAB數(shù)據(jù)處理

1 概述

現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛采用矢量控制技術(shù)，而電機(jī)的相電流檢測(cè)則是矢量控制的基礎(chǔ)[1]。在工程應(yīng)用中，電流檢測(cè)既要滿足精度要求，還要考慮體積、成本等一系列實(shí)際問(wèn)題。常見(jiàn)的電流檢測(cè)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(diǎn)，而且一般適用于檢測(cè)大電流。（2）使用霍爾電流傳感器。這種傳感器使用方法簡(jiǎn)單，而且可以做到高精度檢測(cè)和快速響應(yīng)。但由于其價(jià)格昂貴，會(huì)大大增加生產(chǎn)成本。張?zhí)m紅通過(guò)在電機(jī)逆變器下橋臂串接電流傳感器ACS712的方法對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行了檢測(cè)，該設(shè)計(jì)檢測(cè)電流簡(jiǎn)單可靠、精度高。但由于ACS712價(jià)格較高，增加了生產(chǎn)成本[1]。（3）電阻采樣。其基本原理就是在需要測(cè)電流的電路中串聯(lián)一個(gè)小電阻，通過(guò)檢測(cè)該電阻的壓降，從而計(jì)算出實(shí)際電流的大小。這種方法成本低而且可以檢測(cè)較小的電流，適用于電機(jī)相電流檢測(cè)[2]。其缺點(diǎn)是采樣電路與電機(jī)主電路不隔離，另外對(duì)采樣電阻的精度要求很高，需要采用專(zhuān)門(mén)的采樣電阻。葉維民使用雙電阻相電流采樣的方法來(lái)進(jìn)行電機(jī)電流采樣，并提供了相應(yīng)的濾波算法，這種方法精度高、實(shí)時(shí)性好。但由于只測(cè)兩相電流，第三相通過(guò)計(jì)算所得，由于電路不完全對(duì)稱(chēng)，第三相電流通過(guò)計(jì)算所得會(huì)存在誤差[2]。本文通過(guò)三電阻采樣，消除了電路不對(duì)稱(chēng)對(duì)第三相電流的影響。

無(wú)論采用哪種電流檢測(cè)方法，采樣得到的電機(jī)電流都存在一定的誤差[3]。電機(jī)電流越大，干擾越嚴(yán)重，原始的電流采樣數(shù)據(jù)根本無(wú)法用于矢量控制的計(jì)算。為此，先將實(shí)驗(yàn)中的電流采樣數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口傳送到個(gè)人電腦，再通過(guò)MATLAB分析干擾信號(hào)的特征，采用合適的方法對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)控制控制系統(tǒng)的CPU中，最終得到了滿意的控制效果。

2 采樣電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一臺(tái)400W的PMSM電機(jī)。由于PMSM電機(jī)的功率一般都比較小，所以采用電阻采樣的電流檢測(cè)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(hào)經(jīng)過(guò)放大電路處理后輸入到單片機(jī)的A/D引腳上，如圖1所示。之所以采用3個(gè)采樣電阻而不是2個(gè)，是由于三相采樣與信號(hào)處理電路難以做到精確一致，從而導(dǎo)致三相電流采樣數(shù)據(jù)之和不為0。

電流檢測(cè)的采樣時(shí)刻選取在每個(gè)PWM周期的中點(diǎn)，確保在每一個(gè)PWM周期中都進(jìn)行電流采樣，這樣可以保證電流采樣的實(shí)時(shí)性，如圖2（a）所示。此時(shí)，三相H橋的上臂都處于關(guān)斷狀態(tài)，下臂都處于導(dǎo)通狀態(tài)[4]。如果忽略下臂驅(qū)動(dòng)元件的導(dǎo)通電阻和二極管的導(dǎo)通壓降，此時(shí)的等效電路如圖2（b）所示。

顯然，此時(shí)電路中的電流是續(xù)流電流。續(xù)流電流是不斷衰減的，雖然續(xù)流電流并不等于實(shí)際電流，但應(yīng)該與實(shí)際電流有一定關(guān)系。通過(guò)在電機(jī)電路中串聯(lián)一個(gè)電流傳感器（ACS712），將其輸出與采樣的到的續(xù)流電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的波形基本是一致的。這說(shuō)明確實(shí)可以將續(xù)流電流作為實(shí)際電流來(lái)進(jìn)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(shù)量級(jí)。而且續(xù)流電流有正有負(fù)，對(duì)于單電源的CPU需要將采樣信號(hào)進(jìn)行電平提升并放大。為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，這是一個(gè)同相輸入放大電路。由所給電路參數(shù)，可得如下關(guān)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(cè)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(cè)量精度為0.02A，采樣精度較高。

運(yùn)放可以采用單片4運(yùn)放電路，這樣就可以用一片運(yùn)放完成3路電流的信號(hào)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

為了保證采樣時(shí)刻，需要采用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)手段。在專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制所設(shè)計(jì)的CPU中，都配置有相應(yīng)的三相PWM控制模塊。例如TI公司的TMS320F2812DSP，該芯片內(nèi)含有事件管理器EVA模塊，可以直接輸出三相對(duì)稱(chēng)PWM控制信號(hào)，用于控制逆變器的三相H橋的6個(gè)開(kāi)關(guān)元件[5]。類(lèi)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(guān)產(chǎn)品。

在這些芯片中，一般還有一個(gè)特殊事件觸發(fā)器，用于產(chǎn)生某些特定功能的觸發(fā)信號(hào)，例如觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)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(gè)PWM周期的任意時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。因此在程序設(shè)計(jì)中，只要在初始化中設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)在一個(gè)PWM周期的中點(diǎn)時(shí)刻觸發(fā)A/D采樣的功能。該DSC控制器的某些型號(hào)具有多路信號(hào)的同步采樣功能，很容易就實(shí)現(xiàn)了3路采樣信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。

這樣實(shí)現(xiàn)的電流采樣與電機(jī)控制的PWM是同步的，因此并不是整周期采樣。電機(jī)控制PWM的載波頻率一般在5KHz-20KHz之間，而電機(jī)運(yùn)行正弦波的頻率一般在400Hz以下。因此，在大多數(shù)情況下還需要進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理。

4 采樣數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采用上述的400W的PMSM電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1000rpm。實(shí)際采樣頻率為2.65KHz，在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，相鄰兩次采樣轉(zhuǎn)子角度變化為2.62度，可以滿足電機(jī)采樣實(shí)時(shí)性的要求。由于各種誤差與電磁干擾的影響，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到的原始電流數(shù)據(jù)不能直接使用[6]。為了得到理想的電流信號(hào)，需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，從而得到對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法與濾波器的有關(guān)參數(shù)。由于電機(jī)控制器的顯示內(nèi)容有限，在控制器上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是很困難的。為此利用CPU的通信接口，將一段時(shí)間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)傳送到個(gè)人計(jì)算機(jī)上，再利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，通過(guò)頻譜分析可以看出干擾信號(hào)的頻率分布。由于單片機(jī)采樣頻率為固定值2.65KHz，而正弦波的頻率是隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢而變化的，因此在一個(gè)正弦波周期中的采樣個(gè)數(shù)不是整數(shù)，這在理論上會(huì)造成“頻譜泄漏”，我們使用加窗函數(shù)的方法可以盡量減小頻譜泄漏帶來(lái)的影響。圖4（a）為采樣數(shù)據(jù)波形，圖4（b）對(duì)應(yīng)的頻譜分析結(jié)果。

根據(jù)頻譜分析圖可以看出，電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因此相電流中也應(yīng)該含有三次諧波成分。

5 濾波算法

為了進(jìn)一步使采樣信號(hào)滿足計(jì)算要求，我們將在PC機(jī)上用各種濾波算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。常用的數(shù)字濾波器分為有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)（FIR）和無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)是借助模擬濾波器轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)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(duì)比較簡(jiǎn)單[7]。有限沖激響應(yīng)濾波器主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，可以保證絕對(duì)的穩(wěn)定。FIR與IIR根據(jù)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(jì)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(shù)據(jù)分別做了一階和二階的FIR和IIR濾波。通過(guò)比較它們之間的計(jì)算量（Matlab計(jì)算時(shí)間）和總諧波畸變率（THD），對(duì)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，F(xiàn)IR的計(jì)算量比IIR要大一些、但是FIR的效果會(huì)比IIR好些。另外在實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用中，F(xiàn)IR算法具有線性相位，更易設(shè)計(jì)。因此，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)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(jié)束語(yǔ)

精確的相電流檢測(cè)是電機(jī)閉環(huán)控制中電流閉環(huán)的前提條件，是電機(jī)控制系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵步驟。本文提出了一種新型的三個(gè)采樣電阻實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)的方法，通過(guò)MATLAB分析一臺(tái)永磁同步電機(jī)的電流采樣數(shù)據(jù)特征，采用合適的方法對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)控制控制系統(tǒng)的CPU中，最終得到了滿意的控制效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：朱成海（1991-），男，在讀碩士，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。