AN1299A-CN PMSM无传感器FOC三相电流重构算法.pdf在无传感器方法中，可以使用流经电

文件名称: AN1299A-CN PMSM无传感器FOC三相电流重构算法.pdf

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详细说明：在无传感器方法中，可以使用流经电机线圈的电流提供的信息，对电机位置进行估计。实现该传感技术可采用以下两种途径：双分流电阻和单分流电阻。为了估计电机位置，双分流电阻技术利用的是流过两个电机线圈的电流所蕴含的信息。单分流电阻技术仅利用流经直流母线的电流所蕴含的信息，进而重构三相电流，然后估计电机位置。AN1299 使用单分流电阻的优缺点实现细节优点为了用交流信号驱动电机,PWM方法用来驱动三相逆变器中的开关晶体管。这种调制以及得到的调制波形如前已述及,单分流三相重构的最重要原因之一是要降低图5所示。成本。而这进而又把采样电路简化至一个分流电阻和通过向PWM发生器模块载入一组占空比值,可以生成个差动放大器。正弦波形。查找表屮的值表示被调制的正弦波,所以除了降低成本的益处之外,单分流算法还允许使用功率旦把这些占空比值经过逆变器送至电机绕组,电机绕组模块,功率模块不用为每相提供单独的接地连接ε 将针对廾关模式进行滤波。得到的正弦波如图5所示。单分流测量的另一个益处是检测全部三相时使用的电路正弘值査找表的缺点在于其所能达到的最大值仅为输入相同。对于全部测量,增益和偏移都将是相同的,这就电压的86%。另一种正弦调制方法是空间矢量调制,可不再需要校准每相的放大电路或者在软件中进行补偿。用来克服这一限制。SM允许100%地利用输入电压。在若干应用笔己中对SVM进行了说明和使用,诸如缺点 AN908,《使用dsPC30F实现交流感应电机的矢量控制》以及AN1017,《使用 dsPIc30FDSC实现PMSM 在单分流测量期间,为了允许测量电流,需要对正弦调电机的正弦驱动》。使用SVM生成的典型电压波形如制模式进行修改。这种模式修改可能会产生一些电流纹图6所示波。由于模式修改以及对修改的校正,实现算法时会占用史多的CPU资源。图5:正弦调制< R 08 Carrier 06 0.4 0.2 2 T PWM 0.5 0.5 3 5 2( O 2009 Microchip Technology Inc DS01299ACN第3贝 AN1299 图6:空间矢量调制(svM) 100% PWM1 50 PWM2 PWM3 SVM 在计算产生的线电压时,我们得到三个相移为120°的正弦波形,如图7所示。图7:计算得到的线电压 LVBU OV VA-VB VB-∨e BUS 区间 IlI DS01299ACN第4页 c 2009 Microchip Technology Inc AN1299 SvM和电流测量的关系为了观察PWM调制与(通过单分流电阻的)电流测量之间的关系,让我们考虑PWM周期2的例子。由于只在测量流经单分流电阻的电流时,底部开关的状态至关对低侧开关PWM感兴趣,我们将只显示PWM的重要。为了说明这一点,放大SVM的区间见图8。 PWMXL分量(图9) 另外,还给出了每个开关醋伓管工的PWWM形。图8:区间中开关晶体管上的PWM信号 100% PWM1 50% PWM2 PWM3 PWM1H PWM1L PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L PWM 2 4 6 图9:测量电流的采样时间窗 PWM1L PWM2L PWM3L T1 T2 T3 T2 T1 O 2009 Microchip Technology Inc DS01299ACN第5贝 AN1299 对于三相逆变器,我们将分析此周期的所有不同的图12 电流IA流经分流电阻 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|GBT)组合,从中我们看到,没有电流流经单分流电阻(图10)。图10:无电流流经分流电阻 VBUS IBUS=IA VEUS 3 T3的情形与T0一样,其中没有电流流经分流电阻,所以 BUs=0,如佟13所 SIBus=C 图13: 无电流流经分流电阻进到T1,我们看到PWM2L有效,同时PWMH和 wM3H也有效(目前沒有显示,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洌量值表示的是-B,如 VBUS 图11所图11:电流l流经分流电阻 BUS =O 在PWM周期的后半周,模式将重复。考虑一个完整的 3 PWM周期,电流代表实际相电流的时间窗有两个。在这 VBUS 个例子中,在一个PWM周期中对-B和|A进行测量。由于这是平衡系统,IC可使用公式2计算得到。这就许使用单分流电阻在一个PWM周期中完成三个电流的测量 IBUS =-IB 公式2:Ic计算在T2期间,PWM2L和PWM3L有效,且PWMH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。生成真值表(表1)将有助于解释:对于电子开关的所有可能组合,测得的电流表示着什么。首先,让我们对图14中的每个电子开关进行命名 DS01299ACN第6页 c 2009 Microchip Technology Inc AN1299 图14:分流电阻真值表命名约定特殊情况存在不允许单分流三相重构的特殊情形 H 2H 3H 在高调制指数期间,占空比相似或相等由于正弦波形是使用SVM产生的,会有一些PWM周期,其间要进行电流采样的时间窗口不够宽。这种情形 IL 3L 的例子之一是PWM周期1,如图8所示。如果加以放大的话,我们注意到PWML和PWM3L是相同的,这导致T2为0。图15所示是这种情况的放人图。 BUS= 0 这种情形不允许单片机测量第二个电流。所以,对于这个周期,不能重构得到三相电流信息。表1所示是对于全部八个可能的电路组合,BUs代表着什么。应牢记:来自同一桥臂上下两部的开关不可能在同一时间导通,因为要避免盲通,从而这些组合在表中没有列出。另外,任何其他组合,只要不允许电流流过分流电阻,也没有在表1中给出。表1:分流电阻真值表 H 2H|3H 1L 2L 3LIBUS on OFF OFF OFF ON oN +IA OFF ON OFF ON OFF ON+IB OFF OFF ON ONON OFF+Ic OFF ON ON ON OFFOFF -IA ON OFF ON OFF ON OFF-IB ON ON OFFOFFOFF ON 图15:相似占空比的采样时间窗口 PWM1L PWM2L PWM3L T3 T2=0 O 2009 Microchip Technology Inc DS01299ACN第7贝 AN1299 低调制指数期间占空比的相似性我们可以看到,占空比是如何接近50%的。实际上,0 低调制指数指的是调制信号的幅值低,这是相对于高调调制指数将在所有PWM输出上产生50%的占空比制指数而言的,在高调制指数的情形,由于调制信号的让我们仔细看一下PWM周期4,如图17所示,看看当高幅值,占空比甚全能达到100%。低调制抬数通常用使用单分流电阻重构三相电流时都有哪些局限性在电机轴上无负载时。因此调制信号的嘔值低。由于互考虑用来测量流经单分流电阻电流的两个窗口,T1和补模式用来调制正弦电压,占空比以50%为中心。如果 T2。要让差动放大器的输出达到稳态值,这两个时间窗研究与前面相同的区间,对于低调制指数而言,最终将口可能太小了。出现的情况类似于图16。图16: 低调制指数期间的相似占空比 100% 50% PWM2 0% PWM1H PWM1L PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L PWM 周期图17 低调制指数期间,相似占空比的采样时间窗口 PWM1L PWM2L PWM3L T1 T2 T3 T1 TO DS01299ACN第8页 c 2009 Microchip Technology Inc AN1299 死区时间此外,在互补模式屮,还会出现死区时间,而这将进步缩小这些时间窗口。如果高侧输出和死区时间出现在同一PWM周期,我们最终得到的情形类似于图18 图 18: 受死区时间影响的采样时间窗口 PWM1H PWM1L PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L TO 死区时间也影响着完成单分流电流测量的时间窗口。测图19 使用单分流电阻器测量电流所使量流经单分流电阻电流的最小时间窗口取决于下列参用的硬件 ·PWM频率: AVDD 这是因为,PWM频率越高,所有这些时间窗口的值就越小。检测系统所需的死区时间: 如前图所示,死区时间直接影响测量窗口硬件: 差动放大器压摆率、输出滤波器延时以及 MOSFET 开关噪声同样也影响着这个测量窗口。 A AVDD/2 硬件有效测量窗口将进一步缩短,起始丁放大器输出稳定之为了说明硬件是如何影响单分流测量的,让我们更仔细后,这就是说要扣除 MOSFET开关噪声、死区时间、地看一下最后一个PWM周期的前半周(图18),看看运放的压摆率和输出RC滤波器的稳定时间。这些影响实际单分流调理电路(如图19所示)的输出是什么样如图20所示。子 O 2009 Microchip Technology Inc DS01299ACN第9贝 AN1299 图20: 硬件对采样时间窗口的影响 T3 AVDD i T2 TO AVDD/2 SS 放大放大器的暂态响应(如图21所示),绿色方块表图22: 使用单分流电阻重构三相电流明在T1采样没有问题。然而,H于T2不够宽,在T2 期间不能对电流进行采样。灰色的暂态响应表示采样时的临界svM矢量区域间T2,如果它足够宽的话图21:硬件对采样时间窗口的影响,放大图 VI V∠ 通常,当调制如图22所示的六边形阴影区域时,三相电流的单分流重构是不可能的。明影区域表示的是低调制指数区以及从区问到区问变迁时的中到高调制指数区。至于SⅥM的更多细节,请参阅下列应用笔记: ·AN908《使用dsPC30F实现交流感应电机的矢量控制 AN955 VF Control of 3-Phase induction motor Using Space Vector Modulation ·AN1017《使用dsP|C30FDSC实现PMSM电机的正弦驱动》 AN1078《PMsM电机的无传感器磁场定向控制》如果不对SⅥM模式进行任何修改就进行电流重构,即忽略在一些周期电流不能被重构这一事实,三相电流测量结果如图23所示。SⅥM电压如图24所示。 DS01299A_CN第10页 c 2009 Microchip Technology Inc

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