因為成本和尺寸的原因,現在的電機控制器是逐漸高度集成化,小尺寸化?;魻?a href="http://www.qd573.com/tags/電流/" target="_blank">電流傳感器或者電流采樣芯片因為其高成本,使用是很受限制的。
天價電流傳感器
所以,如下圖的下橋臂雙電阻或者三電阻采樣方式是逐漸流行起來了??紤]到采樣信號是共地的,所以省去了隔離電路,加上MCU大多內置運放,所以整個電路的集成度很高。
下橋臂三電阻采樣
像電動自行車這類產品,為了追求極致的尺寸,哪怕會引入諧波,也會考慮使用單電阻采樣。
在無感FOC 控制算法里,因為位置估算和電流環都需要用到電流反饋值,所以電流采樣對整個無感FOC的性能息息相關。在采用下橋三電阻采樣方案時,如果沒有精確的采樣相電流,電機會產生較大噪音,運行效率低,極限速度低甚至無法工作。
方法簡介
下橋臂雙電阻和三電阻采樣,必須在對應的下橋臂開通才可以,否則該橋臂電阻上沒有流過電流,采樣失敗。
到了高速或者弱磁區,下橋臂開通的脈寬會越來越窄。最小脈寬的寬度越大,那么采樣點距離MOSFET開關噪聲越遠,但是最大占空比不足,導致整個電機的極限速度或者最大力矩不理想,無法充分利用直流電壓。
如果最小脈寬盡量減小,最大輸出電壓有所提高,但是采樣點離MOSFET開關點很近,容易采樣到噪聲導致無法工作。
傳統的方法是限制 調制率 ,在三相下橋臂的中點采樣觸發電流采樣。就是限制最大占空比,犧牲了直流電壓的利用率。一般來說,以M0為例,因為ADC的采樣率和轉換時間不會很快,一般一個通道采樣加轉換,對時鐘降額使用大概是1us。所以采樣3個通道需要3us,那么中間零矢量的時間起碼要選5us以上,如下圖即T1的最小寬度。
其中 Tminwidth=Tdeadtime + Tdelay + Tadc_sample。Tdeadtime 為死區時間,Tdelay 為 IGBT/MOSFET 導通延遲時間,Tadc_sample 為 ADC 采樣三通道電流所需時間。所以Tminwidth=6us。
假設開關頻率20k,開關周期50us,那么最大占空比只有(50-6)/50=88%.
T1代表零矢量
有些廠家的方案會略微修改一下,比如上圖中T1/T2/T3,當T1
以上方法是比較穩妥,但是沒有最大限度地輸出有效電壓,中間T1的零矢量是沒有有效電壓輸出的。
本人提出三種方法,一種源自某半導體廠商,一種受到單電阻采樣的啟發想到。
方法一
設定Tminwidth = 5us的前提下,所有采樣情況分析如下:
在PWM右邊采樣
1,當T1 >= Tminwidth, 在T1的中間觸發U/V/W三相采樣或者脈寬相對更快的U/V采樣。
2,當T1 < Tminwidth, 當T2 >= Tminwidth, 在T2的中間觸發UV兩相采樣。此時W相沒有開通,所以只能選擇觸發UV采樣,或者仍然使能UVW采樣,但是W相采樣結果舍棄。
3, 當T1 < Tminwidth, 當T2 < Tminwidth, 在T3范圍內觸發U相采樣。此時只有U相開通,所以V/W采樣的結果是無效的,因為橋臂電阻并沒有流過電流。那么這種情況下要么對采樣到的電流作 低通濾波 ,要么V相或者W相使用上一拍采樣的電流。
該方法可以把占空比開到100%。
第3種情況下,必須考慮用上一拍的電流當作本拍電流使用,或者考慮低通濾波濾掉采樣的錯誤信號,引入相位延時。
在情況2和情況3的時候,在線修改采樣觸發點,當前寫入寄存器,下個開關周期生效。
同時兩次采樣的時間間隔不再固定,那么FOC的計算時間就必須縮短了。否則第3種情況因為扇區切換,到下一開關周期切換到第1種情況,FOC的計算時間必須限制在開關周期的75%以下。根本原因,還是第3種情況下觸發ADC采樣太晚,導致留給FOC計算的時間不足。
優點:
1、最大占空比100%
缺點:
1、FOC計算時間受限,不能超過中斷周期的75%
2、ADC必須支持在線切換采樣點,延時一個開關周期生效
3、某些情況下必須用上一拍電流替代當前電流,引入相位延時?;蛘哂玫屯V波濾除噪聲
方法二
方法二是在第一種方法的基礎上有一些啟發,主要是第2,第3種情況的優化。處理方式如下:
1,當T1 >= Tminwidth, 在T1的中間觸發U/V/W三相采樣或者脈寬相對更快的U/V采樣。
2,當T1 < Tminwidth, 當T2 >= Tminwidth, 在T2的中點觸發V相采樣,在T3的中點觸發U相采樣。
這種方法和T2中點觸發UV采樣的方式相比,對T2的寬度可以更窄,因為T2整個寬度內只采樣1個ADC通道。如果采樣2個ADC通道,那么寬度要增大起碼1us。
3, 當T1 < Tminwidth, 當T2 < Tminwidth, 把T2往右邊 移動 ,移動的增量是(Tminwidth-T2)。
從而可以實現在T2范圍內觸發1次對V相的采樣,然后在T3中點觸發對U相的采樣。
該方法可以把占空比開到 100% ,不用考慮用上一拍的電流當作本拍電流使用,也不用考慮低通濾波濾掉采樣的錯誤信號。尤其不會引入相位延時。
移動T2也會存在問題,因為可能導致V相開通點超過了PWM比較值的頂點,所以當V相計算的占空比不大到時候,就不光要移動可能導致諧波,還有可能改變V相的導通寬度,同時T1還有可能往左移動。
這一類極端情況下,可能會移動VW兩相的開通脈沖,同時還要改變V相的導通寬度,引入一定諧波,和單電阻比較類似了。
缺點就是采樣方式和單電阻類似,在情況2和情況3的時候,一個開關周期內必須觸發2次ADC采樣,上個周期計算觸發點寫入寄存器,下個開關周期就生效。
同時兩次采樣的時間間隔不再固定,那么FOC的計算時間就必須縮短了。否則第3種情況因為扇區切換,到下一開關周期切換到第1種情況,FOC的計算時間必須限制在開關周期的 75% 以下。
優點:
1、最大占空比100%
2、不需要用上一拍電流替代當前電流,沒有相位延時
缺點:
1、FOC計算時間受限,不能超過中斷周期的75%
2、ADC必須支持在線切換采樣點,延時一個開關周期生效,一個周期內觸發2次ADC采樣。
3、第2種情況有移相,類似單電阻采樣,引入電流諧波,甚至改變導通寬度。
方法三
方法三和在傳統的方法比較類似, 固定點采樣 ,但是占空比在某些情況下可以達到100%。
1,當T1 >= Tminwidth, 在T1的中間觸發U/V/W三相采樣或者脈寬相對更快的U/V采樣。
2,當T1 < Tminwidth, 當T2 >= Tminwidth, 強制T1=0, 在T2中點對UV相觸發采樣。
3, 當T1 < Tminwidth, 當T2 < Tminwidth, 強制T1=0, 強制T2=Tminwidth, 在T2中點對UV相觸發采樣。
該方法可以把占空比開到 100% ,比如強制T1=0, 就是強迫實現了100%占空比。因為T1較小的時候,如果中點固定采樣,肯定會受到T1開關動作的影響。這種情況下規避開關噪聲,只能強制T1是不存在的,即W相下橋不導通,一直關閉。這樣子UV兩相就能在足夠的采樣寬帶下實現采樣。
情況3也是類似的原因,解決了T1,當T2不夠,只能給T2強制最小寬度,沒有寬度就創造寬度,強制觸發采樣。
用考慮用上一拍的電流當作本拍電流使用,也不用考慮低通濾波濾掉采樣的錯誤信號。尤其不會引入相位延時。固定采樣點,配置也簡單。
缺點就是在某些情況下,強制改變了T1和T2的寬度,雖然沒有引入諧波,但是改變了目標輸出電壓。
因為是固定采樣點,所以FOC計算時間沒有特殊限制。
優點:
1、最大占空比100%
2、不需要移相,不需要在線改變采樣點,對FOC計算時間沒有限制。
缺點:
1、極限速度下會改變T1和T2的實際值,導致實際輸出電壓和目標電壓存在偏差
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