專利名稱：三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無速度傳感器矢量控制(SVC)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，特別涉及一種通過重構(gòu)三相交流電機(jī)電流來實(shí)現(xiàn)單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量控制方法。
背景技術(shù)：
矢量控制是當(dāng)前最流行的一種高性能電機(jī)控制方法。通過坐標(biāo)矢量變換，電機(jī)的三相電流分解成兩個(gè)互相垂直的dq軸電流磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量，然后像直流電機(jī)一樣直接地控制電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精確的控制。無速度傳感器矢量控制，消除了電機(jī)的速度傳感器(通常是編碼器)，通過電機(jī)的電流觀測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。這樣不僅降低了電機(jī)控制硬件的成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。通常情況下，無速度傳感器矢量控制至少需要檢測(cè)電機(jī)的兩相電流用來觀測(cè)電機(jī)的磁鏈，進(jìn)而計(jì)算電機(jī)的位置和速度。電流檢測(cè)硬件增加了成本。因此，現(xiàn)有技術(shù)人員更多地關(guān)注在開發(fā)單母線電流檢測(cè)矢量控制，目的是刪除電機(jī)電流直接檢測(cè)，通過一個(gè)安裝在變頻器母線低壓側(cè)的分流電阻檢測(cè)母線電流，進(jìn)而重構(gòu)出電機(jī)的三相電流。另一方面，現(xiàn)有已知的方案都是根據(jù)電壓源逆變器六個(gè)開關(guān)空間矢量模式，直接確定采取的直流母線電流是電機(jī)三相電流中哪一相電流。由于電壓源逆變器三個(gè)橋臂總共有六個(gè)非零狀態(tài)，每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)相應(yīng)地對(duì)應(yīng)著電機(jī)流過的一相電流。因此，根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的六個(gè)空間矢量即可得到電機(jī)的每一相電流。例如，Delpha， STmicroelectronics和Freescale的單母線電機(jī)電流重構(gòu)方法原理都是這樣。然而，這種電機(jī)電流重構(gòu)方法存在問題，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)在空間矢量的扇區(qū)邊界和低調(diào)制區(qū)域的時(shí)候，如果有效矢量持續(xù)的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì)出錯(cuò)。為此一些公開的方案則采取補(bǔ)償辦法，是在相鄰邊界的時(shí)候插入有效矢量，但是插入有效矢量會(huì)給電流波形帶來失真。同時(shí)，這種方法僅僅局限于空間矢量脈寬調(diào)制模式，對(duì)于其它脈寬調(diào)制方式，這種電機(jī)的相電流直接地等于母線電流方法就不能使用。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷以及實(shí)際應(yīng)用的需求，本發(fā)明提出一種獨(dú)特的三相交流電機(jī)單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量控制方法。通過一個(gè)安裝在變頻器母線低壓側(cè)的分流電阻檢測(cè)母線電流，根據(jù)控制開關(guān)的脈寬調(diào)制PWM占空比大小，確定母線電流采取的觸發(fā)時(shí)間，相應(yīng)地重構(gòu)電機(jī)的三相電流。發(fā)明的電機(jī)電流重構(gòu)方法刪除了電機(jī)電流直接檢測(cè)硬件電路，節(jié)省硬件成本，又能達(dá)到與電機(jī)三相電流直接檢測(cè)矢量控制一樣的性能。本發(fā)明方法包括如下步驟(I)設(shè)置由AC/DC整流器、一個(gè)帶直流母線電流檢測(cè)的電壓源逆變器和一個(gè)基于微處理器的電機(jī)控制器所組成的硬件電路系統(tǒng)；電壓源逆變器為電機(jī)提供三相電壓和頻率可調(diào)的電源；電機(jī)控制器用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流重構(gòu)算法和單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量
4控制方法；上述系統(tǒng)是開發(fā)電機(jī)電流重構(gòu)和控制硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。(2)輸入直流母線電流到微處理器的兩個(gè)邏輯到數(shù)字(ADC)通道ANO和AN6，根據(jù)脈寬調(diào)制PWM占空比確定兩個(gè)ADC輸入通道硬件觸發(fā)時(shí)間，并相應(yīng)地讀取電機(jī)的三相電流；(3)讀取母線電流采樣值，并根據(jù)脈寬調(diào)制PWM占空比大小確定重構(gòu)的是那一相電流；電流采樣值減去零電流偏移值，計(jì)算母線電流的實(shí)際值；(4)在電壓源逆變器六種開關(guān)狀態(tài)下，重復(fù)讀取兩個(gè)ADC通道電流值，重構(gòu)電機(jī)的三相電流；(5)通過坐標(biāo)矢量變換，分解重構(gòu)的三相電流成兩個(gè)互相垂直的dq軸直流電流， 即磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量，從而實(shí)現(xiàn)單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量控制。由上述本發(fā)明方法對(duì)比可知，通常三相交流電機(jī)矢量控制需要檢測(cè)電機(jī)的三相電流，然后變換到dq軸兩相直流電流，這樣就可以直接地控制電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，達(dá)到與直流電機(jī)控制相媲美的快速和精確的性能。直接檢測(cè)電機(jī)的三相電流增加了硬件成本。本發(fā)明方法利用直流母線電流重構(gòu)電機(jī)的三相交流電流，刪除了電機(jī)電流直接檢測(cè)硬件電路和節(jié)省了成本，又能達(dá)到與三相電流直接檢測(cè)控制一樣的性能。此外，本發(fā)明所述的單母線電機(jī)電流重構(gòu)方法是根據(jù)六個(gè)開關(guān)控制的脈寬調(diào)制 PWM占空比大小，確定微處理器的定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間，通過硬件相應(yīng)地觸發(fā)兩個(gè)ADC通道去采取直流母線的電流，進(jìn)而相應(yīng)地重構(gòu)電機(jī)的三相電流。這種方法不僅適用于空間矢量脈寬調(diào)制模式，而且消除了基于空間開關(guān)矢量方法中存在的扇區(qū)邊界和低調(diào)制區(qū)域問題。另外， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，本發(fā)明的電機(jī)電流重構(gòu)方法也適用于其它任何開關(guān)調(diào)制模式，更具有通用性和實(shí)用性。特別是在小電流和低調(diào)制區(qū)域，它也能精確的重構(gòu)出電機(jī)的三相電流。
以下結(jié)合附圖
和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本發(fā)明。圖I為單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量控制硬件開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。圖2為定時(shí)器觸發(fā)電機(jī)電流重構(gòu)示意圖。圖3為電機(jī)三相電流重構(gòu)無速度傳感器矢量控制控制實(shí)施策略方框圖。圖4為空載情況下重構(gòu)出來的電機(jī)相電流波形圖。圖5為滿載情況下重構(gòu)出來的電機(jī)相電流波形圖。圖6為空載情況下直接檢測(cè)出來的電機(jī)相電流波形圖。圖7為滿載情況下直接檢測(cè)出來的電機(jī)相電流波形圖。圖8為電機(jī)電流重構(gòu)出來的無速度傳感器矢量控制速度負(fù)載響應(yīng)曲線。圖9為電機(jī)電流直接檢測(cè)出來的無速度傳感器矢量控制速度負(fù)載響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法， 具體實(shí)施過程包括
(一)硬件電路設(shè)置；首先，具體介紹一下本發(fā)明方案中所涉及的硬件電路。如圖I所示，該系統(tǒng)主要包括一個(gè)由AC到DC整流器，直流母線和DC到AC逆變器組成的電壓源逆變器(VSI)，和一個(gè)以微處理器為中心處理單元的控制器。電壓源逆變器是用來給電機(jī)提供頻率和電壓可以調(diào)節(jié)的三相電源?？刂破魇怯脕韺?shí)現(xiàn)電機(jī)的三相電流重構(gòu)算法以及無速度傳感器矢量控制方案。所示系統(tǒng)采取母線電壓，母線電流，以及電機(jī)的三相電流。三相電流檢測(cè)主要是用來做對(duì)比試驗(yàn)，確認(rèn)開發(fā)的電機(jī)電流重構(gòu)方法和單母線電流無速度傳感器矢量控制的性能是否與常規(guī)的電機(jī)電流直接檢測(cè)矢量控制接近。實(shí)際上，在本發(fā)明方案里刪除了電機(jī)的相電流檢測(cè)，系統(tǒng)僅僅需要采取的是母線電壓和電流。母線電流采取是通過安裝在變頻器母線低壓側(cè)的一個(gè)分流電阻檢測(cè)，然后輸入到微處理器(MCU) 計(jì)算電機(jī)的三相電流。( 二)電流重構(gòu)方法；如上所述，電機(jī)的三相電流不是直接用三個(gè)電流傳感器檢測(cè)，而是通過母線電流重構(gòu)計(jì)算出來?；诿}寬調(diào)制PWM占空比大小，本發(fā)明方法開發(fā)了一個(gè)獨(dú)特的電流重構(gòu)方法。圖2顯示了由一個(gè)分流電阻檢測(cè)的直流母線電流，輸入到電機(jī)控制器(微處理器) 的兩個(gè)ADC通道，根據(jù)脈寬調(diào)制PWM占空比大小確定觸發(fā)ADC通道的時(shí)間，并相應(yīng)地讀取電機(jī)的三相電流。如這個(gè)圖上所示W(wǎng)相的PWM占空比值最大，V相次之，U相的最小。如果在W相和V相的上升沿之間檢測(cè)母線電流，這個(gè)電流確定是W相電流，因?yàn)樵谶@種情況下，只有W相才是導(dǎo)通的，也就是說逆變器的三個(gè)橋臂只有W相的上橋臂開關(guān)IGBT 是導(dǎo)通的，因此，分流電阻上測(cè)量到的母線電流僅僅是W相電流。下一個(gè)PWM脈沖，如果檢測(cè)的電流是在V相和U相的上升沿之間，那么W相和V相這兩相電流被測(cè)量，這意味著U相電流被測(cè)量，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)三相對(duì)稱系統(tǒng)，所有的三相電流總和應(yīng)為零。因此，母線電流測(cè)量和電機(jī)的三相電流重構(gòu)必須在一個(gè)精確的時(shí)間下讀取。在一個(gè)PWM中斷時(shí)間內(nèi)，為了精確地觸發(fā)這兩個(gè)ADC通道讀取電機(jī)的三相電流值，需要使用兩個(gè)定時(shí)器通道MTU2S4. TADC0BRA和MTU2S4. TADC0BRB來定時(shí)控觸發(fā)時(shí)間。根據(jù)已知的PWM輸出占空比，計(jì)算這兩個(gè)ADC通道的精確的觸發(fā)時(shí)間。微處理器具有多功能定時(shí)器脈沖通道，包括多個(gè)16位或32位定時(shí)器。在本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)過程中，兩個(gè)定時(shí)器通道MTU2S4. ADC0BRA和MTU2S4. TADC0BRB被用作母線電流檢測(cè)定時(shí)器，根據(jù)每個(gè)階段開關(guān)狀態(tài)的PWM占空比值計(jì)算出精確的時(shí)間，觸發(fā)ADC通道ANO和 AN6。這個(gè)算法的主要部分是要比較三相PWM占空比值，以確定MTU2S4. TADC0BRA， MTU2S4. TADC0BRB兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間。因?yàn)槿齻€(gè)PWM占空比值是不斷變化，W相的PWM占空比不總是最大的，因此，每次需要設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)臉?biāo)志來標(biāo)示當(dāng)前正在執(zhí)行相電流測(cè)量中哪一相PWM值是最大的。所有的PWM占空比值比較，相標(biāo)志的設(shè)置，以及相應(yīng)的ADC通道觸發(fā)時(shí)間計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的處理過程，需要占用更多的CPU處理時(shí)間和內(nèi)存。CPU帶寬比直接電流檢測(cè)方案無速度傳感器矢量控制要求高。因此，對(duì)于單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量控制，ADC通道ANO和AN6觸發(fā)應(yīng)該由硬件來實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間。此外，算法執(zhí)行的微處理器需要具有較高的運(yùn)算能力，使得母線電流檢測(cè)和電機(jī)三相電流重構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和精確。如上所述，通過兩個(gè)ADC通道ANO和AN6采取母線電流，采樣值分別存放在iwOad 和iw6ad。根據(jù)三相PWM的占空比du，dv和dw，計(jì)算ADC觸發(fā)定時(shí)器時(shí)間和設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)電流轉(zhuǎn)換。具體實(shí)施描述如下I)如果 du > dv > dw,設(shè)置 MTU2S4. TADCOBRA, MTU2S4. TADCOBRB 兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間分別為MTU2S4. TADCOBRA = dv+SSMTU2S4. TADCOBRB = dw+SSSS值決定于ADC采樣時(shí)間和硬件電路設(shè)定時(shí)間。轉(zhuǎn)換母線電流為U相和W相的電流ium = iw0ad-iw0_offiwm = -iw6ad+iw6_offiw0_off和iw6_off分別是兩個(gè)ADC通道ANO和AN6采取的直流母線零電流的偏移值。2)如果 du > dw > dv，設(shè)置 MTU2S4. TADCOBRA, MTU2S4. TADCOBRB 兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間分別為MTU2S4. TADCOBRA = dw+SSMTU2S4. TADCOBRB = dv+SS轉(zhuǎn)換母線電流為U相和V相的電流ium = iw0ad-iw0_offivm = -iw6ad+iw6_off3)如果 dw > du > dv,設(shè)置 MTU2S4. TADCOBRA, MTU2S4. TADCOBRB 兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間分別為MTU2S4. TADCOBRA = du+SSMTU2S4. TADCOBRB = dv+SS轉(zhuǎn)換母線電流為W相和V相的電流iwm = iw0ad-iw0_offivm = -iw6ad+iw6_off4)如果 dv > du > dw,設(shè)置 MTU2S4. TADCOBRA, MTU2S4. TADCOBRB 兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間分別為MTU2S4. TADCOBRA = du+SSMTU2S4. TADCOBRB = dw+SS轉(zhuǎn)換母線電流為U相和W相的電流ium = iw0ad-iw0_offiwm = -iw6ad+iw6_off5)如果 dv > dw > du，設(shè)置 MTU2S4. TADCOBRA, MTU2S4. TADCOBRB 兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間分別為MTU2S4. TADCOBRA = dw+SSMTU2S4. TADCOBRB = du+SS
轉(zhuǎn)換母線電流為V相和U相的電流ivm = iw0ad-iw0_offi um = -iw6ad+iw6_off6)如果 dw > dv > du，設(shè)置 MTU2S4. TADCOBRA, MTU2S4. TADCOBRB 兩個(gè)定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間分別為MTU2S4. TADCOBRA = dv+SSMTU2S4. TADCOBRB = du+SS轉(zhuǎn)換母線電流為W相和U相的電流iwm = iw0ad-iw0_offium = -iw6ad+iw6_off電壓源逆變器提供電機(jī)三相變頻變壓電源，三個(gè)橋臂六個(gè)開關(guān)總共有六個(gè)非零狀態(tài)。因此，上面的六種狀況包括了這六個(gè)狀態(tài)，從而轉(zhuǎn)換母線電流為電機(jī)的三相電流。(三)電流重構(gòu)應(yīng)用和無速度傳感器矢量控制實(shí)施策略；重構(gòu)出的電機(jī)三相電流經(jīng)過矢量變換成兩相dq軸直流電流。矢量變換分成兩個(gè)步聚。首先是Clarke變換，轉(zhuǎn)換電機(jī)的三相交流電流為兩相互相垂直的交流電流ia和i β。
權(quán)利要求
1.三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法，其特征在于，包括如下步驟(1)設(shè)置由AC/DC整流器、一個(gè)帶直流母線電流檢測(cè)的電壓源逆變器和一個(gè)基于微處理器的電機(jī)控制器所組成的硬件電路系統(tǒng)；(2)輸入直流母線電流到微處理器的兩個(gè)邏輯到數(shù)字(ADC)通道ANO和AN6，根據(jù)脈寬調(diào)制PWM占空比確定兩個(gè)ADC輸入通道硬件觸發(fā)時(shí)間，并相應(yīng)地讀取電機(jī)的三相電流；(3)讀取母線電流采樣值，并根據(jù)脈寬調(diào)制PWM占空比大小確定重構(gòu)的是那一相電流; 電流采樣值減去零電流偏移值，計(jì)算母線電流的實(shí)際值； (4)在電壓源逆變器六種開關(guān)狀態(tài)下，重復(fù)讀取兩個(gè)ADC通道電流值，重構(gòu)電機(jī)的三相電流；(5)通過坐標(biāo)矢量變換，分解重構(gòu)的三相電流成兩個(gè)互相垂直的dq軸直流電流，即磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量，從而實(shí)現(xiàn)單母線電流檢測(cè)無速度傳感器矢量控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中，通過使用兩個(gè)定時(shí)器通道MTU2S4. TADC0BRA和MTU2S4. TADC0BRB來用作母線電流檢測(cè)定時(shí)器，繼而精確定時(shí)觸發(fā)這兩個(gè)ADC通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中，設(shè)iw0_off和iw6_off分別是兩個(gè)ADC通道ANO和AN6采取的直流母線零電流的偏移值，根據(jù)三相PWM的占空比du，dv和dw，計(jì)算ADC觸發(fā)定時(shí)器時(shí)間和設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)電流轉(zhuǎn)換；具體包括以下六種情況當(dāng) du > dv > dw,MTU2S4. TADCOBRA = dv+SS,MTU2S4. TADCOBRB = dw+SS ;轉(zhuǎn)換母線電流為 U 相和 W 相的電流ium = iw0ad-iw0_off, iwm = -iw6ad+iw6_off ；當(dāng) du > dw > dv，MTU2S4. TADCOBRA = dw+SS,MTU2S4. TADCOBRB = dv+SS ;轉(zhuǎn)換母線電流為 U 相和 V 相的電流ium = iw0ad-iw0_off, ivm = -iw6ad+iw6_off ；當(dāng) dw > du > dv，MTU2S4. TADCOBRA = du+SS，MTU2S4. TADCOBRB = dv+SS ;轉(zhuǎn)換母線電流為 W 相和 V 相的電流iwm = iwOad-iwO_off, ivm = -iw6ad+iw6_off ；當(dāng) dv > du > dw,MTU2S4. TADCOBRA = du+SS,MTU2S4. TADCOBRB = dw+SS ;轉(zhuǎn)換母線電流為 U 相和 W 相的電流ium = iwOad-iwO_off, iwm = -iw6ad+iw6_off ；當(dāng) dv > dw > du,MTU2S4. TADCOBRA = dw+SS,MTU2S4. TADCOBRB = du+SS ;轉(zhuǎn)換母線電流為 V 相和 U 相的電流ivm = iwOad-iwO_off, ium = -iw6ad+iw6_off ；當(dāng) dw > dv > du,MTU2S4. TADCOBRA = dv+SS,MTU2S4. TADCOBRB = du+SS ;轉(zhuǎn)換母線電流為 W 相和 U 相的電流iwTn = iwOad-iwO_off, ium = -iw6ad+iw6_off。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法，其特征在于，所述步驟(5)中，矢量變換包括步驟a =Clarke變換，轉(zhuǎn)換電機(jī)的三相交流電流為兩相互相垂直的交流電流ia和i β，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獨(dú)特的三相交流電機(jī)單母線電流檢無速度傳感器矢量控制方法。通過一個(gè)安裝在變頻器母線低壓側(cè)的分流電阻檢測(cè)母線電流，根據(jù)控制開關(guān)的脈寬調(diào)制PWM占空比大小，確定母線電流采取的觸發(fā)時(shí)間，相應(yīng)地重構(gòu)電機(jī)的三相電流。發(fā)明的電機(jī)電流重構(gòu)方法刪除了電機(jī)電流直接檢測(cè)硬件電路，節(jié)省硬件成本，又能達(dá)到與電機(jī)三相電流直接檢測(cè)矢量控制一樣的性能。這種方法不僅適用于空間矢量脈寬調(diào)制模式，而且消除了基于空間開關(guān)矢量方法中存在的扇區(qū)邊界和低調(diào)制區(qū)域問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，本發(fā)明的電機(jī)電流重構(gòu)方法也適用于其它任何開關(guān)調(diào)制模式，更具有通用性和實(shí)用性。特別是在小電流和低調(diào)制區(qū)域，它也能精確的重構(gòu)出電機(jī)的三相電流。
文檔編號(hào)H02P21/12GK102594249SQ20121002073
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月30日
發(fā)明者徐黃生 申請(qǐng)人:江陰歆拓電子科技有限公司