摘 要：電流的采樣對電機矢量控制是非常重要的。在低成本應(yīng)用場合，采用雙電阻相電流采樣的方法具有一定的優(yōu)勢。論文對雙電阻相電流采樣原理進行了闡述，并對相電流波形進行了分析，提出了適用的數(shù)字濾波方法。并經(jīng)過實驗驗證了雙電阻相電流采樣原理的正確性和數(shù)字濾波方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電機矢量控制；永磁同步電機；電流采樣；數(shù)字濾波

引言

20世紀70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制電機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。

在交流電機矢量控制策略中，相電流采樣性能是一個重要的指標(biāo)。在對成本要求高的應(yīng)用場合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關(guān)鍵問題。

電流檢測通常有以下幾種方式：（1）電阻采樣；（2）霍爾電流傳感器；（3）電流互感器。電阻采樣通過測量電阻上的壓降來計算電流大小，適合于被測電流較小的場合?；魻栯娏鱾鞲衅鳒y量精度高、線性度好、響應(yīng)快、使用簡單，但價格比較昂貴。電流互感器體積較大，造價昂貴，適合于被測電流大的場合。對于小功率的伺服驅(qū)動器適合采用電阻采樣方式，文章以雙電阻電流采樣方式[1]展開分析。

1 雙電阻相電流的采樣原理

雙電阻采樣方式的典型電路如圖1所示，微處理器對某兩相電流通過采樣電阻進行采樣，再根據(jù)iu、iv、iw的矢量和為零，即：iu+iv+iw=0的理論推算出第三相電流的值。從采樣電阻上獲取的電壓信號，經(jīng)過電壓偏置和放大[2]后，輸入到微處理器的A/D單元。雙電阻采樣的邏輯如圖2所示，電流采樣時刻是在三相上橋臂都截止的時刻進行的，因為只有在這個時刻才能保證采樣電阻上均有反映該相電流的電流流過，只是此時可能采樣得到的電流是續(xù)流電流，不過續(xù)流電流也可以真實的反映相電流的值。由此可見，雙電阻采樣方法也可以實現(xiàn)三相定子電流的重構(gòu)。

根據(jù)以上分析，雙電阻采樣方法可以實現(xiàn)三相定子電流的重構(gòu)，不過由圖2可見該方案也存在電流采樣盲區(qū)問題，就是當(dāng)電流采樣相為電壓最大相時，如果該相占空比比較高的時候，電流可采樣的區(qū)間（電壓最大相下橋臂開通區(qū)間）就變得狹窄，考慮到IGBT剛切換時會有比較大的電流震蕩的問題，使得電流采樣誤差比較大。目前解決的辦法是限制電壓最大占空比，通用限制在95%以下。這里采樣電阻的選取很關(guān)鍵，負載一定時，如果采樣電阻的阻值小，則壓降小，在電機回路中不會產(chǎn)生很大的影響；如果采樣電阻的阻值過大，會引起電壓損耗，減小能量效率，且較大的阻值還會使負載電壓發(fā)生偏移，產(chǎn)生電磁干擾，產(chǎn)生系統(tǒng)對噪聲敏感等問題；此外選取采樣電阻時，還要考慮電阻的穩(wěn)定性能和阻值誤差[3]。

2 相電流的濾波

由于永磁同步電機的寬范圍調(diào)速及高速特性，在電機設(shè)計時不易獲得理想的正弦氣隙磁場[4]，同時電力電子裝置的非線性特性，導(dǎo)致在系統(tǒng)控制時采樣的相電流含有不規(guī)則的高次諧波和隨機干擾。再加上電流采樣電路的穩(wěn)定性及A/D轉(zhuǎn)換單元偏差的存在，更是加大了實際采樣到的電流波動。另外，在系統(tǒng)電路中采用的開關(guān)電源、大功率電磁鐵等電路，可能還會引起很大干擾。

可見，永磁同步電動機相電流中，含有各種高次、隨機的諧波。其中包含PWM斬波引起的高頻諧波，有因電機非正弦反電勢引起的低次諧波，還有電力電子線路因干擾出現(xiàn)的隨機脈沖。因此，在系統(tǒng)控制中，需要采用不同的硬件和數(shù)字濾波方法。硬件濾波是在電流采樣電路上增加LC濾波電路，用于去除逆變器的功率開關(guān)斬波引起的干擾。軟件濾波用于去除隨時脈沖干擾和由低次諧波引起的噪聲。

采用550W伺服驅(qū)動器（載波頻率16KHz），配4極15槽永磁同步電機進行測試。在3500rpm輕負載下，用示波器分時測得U、V相電流如圖3所示，相電流波形除了由于斬波引起的高次諧波外，還由于電機反電勢、齒槽等影響，使相電流呈現(xiàn)的不是正弦波。

從處理器A/D轉(zhuǎn)換后，獲取的相電流數(shù)值如圖4所示，相電流又增加了由于A/D電路引起的隨機電流尖峰。

2.1 程序判斷濾波

對于隨機電流尖峰，通常采用限幅濾波法或限速濾波法[5]來實現(xiàn)消除。電機相電流是個動態(tài)的信號，既要考慮采樣值的實時性，又要顧及采樣值的連續(xù)性。文章實際采用如下濾波算法：設(shè)順序采樣時刻t1，t2，t3的采樣值分別為Y（1），Y（2），Y（3），ΔY1和ΔY2為根據(jù)現(xiàn)場情況確定的門限值，其中ΔY1<ΔY2。具體算法如式（1）所示。

采用程序判斷濾波后，消除了隨機的電流尖峰，如圖5所示。

2.2 算術(shù)平均值法

圖5所示的相電流波形中還存在著低次諧波，由于它在時間域的頻率是不確定的，這里采用平均值濾波法[7]來處理，具體算法如式（2）所示。

算術(shù)平均值法對信號的平滑濾波程度完全取決于n。

當(dāng)n較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結(jié)果Y的影響??；當(dāng)n較小時，平滑度低，但靈敏度高。電機相電流是個動態(tài)的信號，應(yīng)視具體情況選取n。采用算術(shù)平均值法濾波后，消除了圖5波形中的大部分低次諧波，如圖6所示。經(jīng)過兩次濾波后，相電流的波形得到了顯著的優(yōu)化。

3 系統(tǒng)的實驗結(jié)果

采用上述550W伺服驅(qū)動器和電機，在測功機上進行相電流濾波前后的對比測試，結(jié)果如下：（1）電機3500rpm恒速運行，測功機不加載時：控制器輸入功率由濾波前的73.47W下降到濾波后的55.01W。（2）電機3500rpm恒速運行，測功機加1.3Nm扭矩進行定點測試時：控制器的效率由濾波前的81.35%上升到濾波后的82.51%。

由上述結(jié)果可以看出，采用了相電流濾波的伺服系統(tǒng)，減少了功耗，提升了系統(tǒng)的效率。

4 結(jié)束語

由以上分析及實驗結(jié)果可以看出，在采用雙電阻相電流采樣的伺服控制系統(tǒng)中，通過復(fù)合數(shù)字濾波方法能夠?qū)⒂蒔WM斬波引起的高頻諧波、電機非正弦反電勢引起的低次諧波、電力電子線路因干擾出現(xiàn)的隨機脈沖等因素引起的相電流噪聲得到有效的抑制，提高了電機運行的平穩(wěn)性，有效改善了系統(tǒng)的效率。

參考文獻

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通訊作者：葉維民