FOC 电流采样方案比较

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最近有时间把TI ST还有Microchip三家关于PMSM控制中使用电阻采样相的电路看了一下,发现各家都有自己的特点,就做个总结吧。

1.TI C2000系列双电阻采样法

原理说明

在U相和V相的下桥分别串联一个功率电阻,通过一个运放电路连接至A/D。

采样时机放在PWM的下溢中断进行,U V两相电阻上的电流即为电机U V相的线电流。

关键点

(1)采样时机:

必须在的时候进行采样。

在软件设计的时候,采用下溢中断(处于第7段和第1段零矢量区域中),将电流采样的任务安排在一个PWM周期的开始处,在比较匹配到来之前的期间,U、V两相的上桥臂都是关断的,也就是说下桥臂是导通的,这样就可以在每个PWM周期顺利采样一次两个相电流值。

(2)采样方式

因为电机绕组线圈呈感性,线圈上的相电流不能突变,因此从矢量U0 转换到零矢量后,其对应的工作状态转换如图所示,其中二极管能起到续流作用,此时,下桥臂采样电阻上流过的是相电流,因此在每个PWM周期前期通过下桥臂的采样电阻检测相电流是可行的。

开关状态为000时电流的流通路径

(3)采样电流电路

从上图可以看出,流经各相采样电阻的电流是正负的,故采样电阻上端的电压是一个带正负信号的正弦波形(下端为地),后级运放电路作用是将整体电压抬高,并且进行比例增益。

2.STM32的方案:三电阻采样法

(1)电流处理:

采样电阻上端采集到的电压是一个带正负的正弦波形,所以其后端一定要接一个运放电路,一方面是滤波,更重要的则是把采集到的信号缩放到AD能采集的电压范围。这个电路可以采用同相比例放大+偏移。

(2)AD触发:

在STM32的高级定时器中,除了产生三相PWM波的CH1,CH2,CH3之外还有一个CH4,这个通道只能产生一路PWM波,它可以用来触发AD,可以比较容易的和前面几个PWM波同步,而且配置好周期能非常灵活的取采样点。
(3)相采样选择:

每次需要采集两个电流,采集哪两个电流由SVPWM当前扇区决定 。每次只有在下桥臂打开的时候才能进行采样。

(4)干扰TnoiseTrise

Tnoise是每次开关管打开或者关闭时,对当前采集的相电压的影响时间。Trise是每次开关管打开的时候该相电流会有一个跳变,需要一段时间来稳定。在这两个时间里面不能采集电流。

(5)SVPWM

SVPWM是FOC算法的最后一步,根据前面运算得到的数据,修改PWM波形输出,从而修正电机的运行。

[R1]此处与TI方案不同,ST方案根据扇区号来确定当前需要采样的电流相,而TI根据二极管续流可以持续获得稳定的U/V相电流反馈,TI的方法更好

[R2]TI的方案是在PWM 关闭的时候采样的,也就没有了干扰的问题

下面这张表格是是运用ST库的时候三电阻和单电阻在效率等方面的比较:

3.Microchip方案(AN1299

采用单电阻方式采样,在一组7段矢量的时间内,根据不同的开关顺序,进行多次采样

[R3]相比TI方案,采样次数较多,消耗的CPU资源较多,需要考虑死区对各个采样窗的影响,还有各采样窗口有最小宽度限制,处理算法相对比较麻烦

对于三相逆变器,我们将分析此周期的所有不同的PWMxL 组合(T0、T1、T2 和T3),了解电流测量代表着什么。从T0开始,在逆变器中我们有如下的电子开关(MOSFET 或IGBT)组合,从中我们看到,没有电流流经单分流电阻(图10)。

前进到T1,我们看到PWM2L 有效,同时PWM1H和PWM3H也有效(目前没有显示,但假设PWM输出是互补的)。由于有电流通过相A和C流入电机,通过相B流出电机,我们可以认为此电流测量值表示的是–IB,如图11 所示。

在T2 期间, PWM2L 和PWM3L 有效,且PWM1H有效。这种组合给出的是流经单分流电阻的电流IA,如图12 所示。

T3的情形与T0一样,其中没有电流流经分流电阻,所以IBUS = 0,如图13 所示。

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PIC 单电阻 采样时间点的计算

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