因为成本和尺寸的原因,现在的电机控制器是逐渐高度集成化,小尺寸化。霍尔电流传感器或者电流采样芯片因为其高成本,使用是很受限制的。
天价电流传感器
所以,如下图的下桥臂双电阻或者三电阻采样方式是逐渐流行起来了。考虑到采样信号是共地的,所以省去了隔离电路,加上MCU大多内置运放,所以整个电路的集成度很高。
下桥臂三电阻采样
像电动自行车这类产品,为了追求极致的尺寸,哪怕会引入谐波,也会考虑使用单电阻采样。
在无感FOC 控制算法里,因为位置估算和电流环都需要用到电流反馈值,所以电流采样对整个无感FOC的性能息息相关。在采用下桥三电阻采样方案时,如果没有精确的采样相电流,电机会产生较大噪音,运行效率低,极限速度低甚至无法工作。
方法简介
下桥臂双电阻和三电阻采样,必须在对应的下桥臂开通才可以,否则该桥臂电阻上没有流过电流,采样失败。
到了高速或者弱磁区,下桥臂开通的脉宽会越来越窄。最小脉宽的宽度越大,那么采样点距离MOSFET开关噪声越远,但是最大占空比不足,导致整个电机的极限速度或者最大力矩不理想,无法充分利用直流电压。
如果最小脉宽尽量减小,最大输出电压有所提高,但是采样点离MOSFET开关点很近,容易采样到噪声导致无法工作。
传统的方法是限制 调制率 ,在三相下桥臂的中点采样触发电流采样。就是限制最大占空比,牺牲了直流电压的利用率。一般来说,以M0为例,因为ADC的采样率和转换时间不会很快,一般一个通道采样加转换,对时钟降额使用大概是1us。所以采样3个通道需要3us,那么中间零矢量的时间起码要选5us以上,如下图即T1的最小宽度。
其中 Tminwidth=Tdeadtime + Tdelay + Tadc_sample。Tdeadtime 为死区时间,Tdelay 为 IGBT/MOSFET 导通延迟时间,Tadc_sample 为 ADC 采样三通道电流所需时间。所以Tminwidth=6us。
假设开关频率20k,开关周期50us,那么最大占空比只有(50-6)/50=88%.
T1代表零矢量
有些厂家的方案会略微修改一下,比如上图中T1/T2/T3,当T1
以上方法是比较稳妥,但是没有最大限度地输出有效电压,中间T1的零矢量是没有有效电压输出的。
本人提出三种方法,一种源自某半导体厂商,一种受到单电阻采样的启发想到。
方法一
设定Tminwidth = 5us的前提下,所有采样情况分析如下:
在PWM右边采样
1,当T1 >= Tminwidth, 在T1的中间触发U/V/W三相采样或者脉宽相对更快的U/V采样。
2,当T1 < Tminwidth, 当T2 >= Tminwidth, 在T2的中间触发UV两相采样。此时W相没有开通,所以只能选择触发UV采样,或者仍然使能UVW采样,但是W相采样结果舍弃。
3, 当T1 < Tminwidth, 当T2 < Tminwidth, 在T3范围内触发U相采样。此时只有U相开通,所以V/W采样的结果是无效的,因为桥臂电阻并没有流过电流。那么这种情况下要么对采样到的电流作 低通滤波 ,要么V相或者W相使用上一拍采样的电流。
该方法可以把占空比开到100%。
第3种情况下,必须考虑用上一拍的电流当作本拍电流使用,或者考虑低通滤波滤掉采样的错误信号,引入相位延时。
在情况2和情况3的时候,在线修改采样触发点,当前写入寄存器,下个开关周期生效。
同时两次采样的时间间隔不再固定,那么FOC的计算时间就必须缩短了。否则第3种情况因为扇区切换,到下一开关周期切换到第1种情况,FOC的计算时间必须限制在开关周期的75%以下。根本原因,还是第3种情况下触发ADC采样太晚,导致留给FOC计算的时间不足。
优点:
1、最大占空比100%
缺点:
1、FOC计算时间受限,不能超过中断周期的75%
2、ADC必须支持在线切换采样点,延时一个开关周期生效
3、某些情况下必须用上一拍电流替代当前电流,引入相位延时。或者用低通滤波滤除噪声
方法二
方法二是在第一种方法的基础上有一些启发,主要是第2,第3种情况的优化。处理方式如下:
1,当T1 >= Tminwidth, 在T1的中间触发U/V/W三相采样或者脉宽相对更快的U/V采样。
2,当T1 < Tminwidth, 当T2 >= Tminwidth, 在T2的中点触发V相采样,在T3的中点触发U相采样。
这种方法和T2中点触发UV采样的方式相比,对T2的宽度可以更窄,因为T2整个宽度内只采样1个ADC通道。如果采样2个ADC通道,那么宽度要增大起码1us。
3, 当T1 < Tminwidth, 当T2 < Tminwidth, 把T2往右边 移动 ,移动的增量是(Tminwidth-T2)。
从而可以实现在T2范围内触发1次对V相的采样,然后在T3中点触发对U相的采样。
该方法可以把占空比开到 100% ,不用考虑用上一拍的电流当作本拍电流使用,也不用考虑低通滤波滤掉采样的错误信号。尤其不会引入相位延时。
移动T2也会存在问题,因为可能导致V相开通点超过了PWM比较值的顶点,所以当V相计算的占空比不大到时候,就不光要移动可能导致谐波,还有可能改变V相的导通宽度,同时T1还有可能往左移动。
这一类极端情况下,可能会移动VW两相的开通脉冲,同时还要改变V相的导通宽度,引入一定谐波,和单电阻比较类似了。
缺点就是采样方式和单电阻类似,在情况2和情况3的时候,一个开关周期内必须触发2次ADC采样,上个周期计算触发点写入寄存器,下个开关周期就生效。
同时两次采样的时间间隔不再固定,那么FOC的计算时间就必须缩短了。否则第3种情况因为扇区切换,到下一开关周期切换到第1种情况,FOC的计算时间必须限制在开关周期的 75% 以下。
优点:
1、最大占空比100%
2、不需要用上一拍电流替代当前电流,没有相位延时
缺点:
1、FOC计算时间受限,不能超过中断周期的75%
2、ADC必须支持在线切换采样点,延时一个开关周期生效,一个周期内触发2次ADC采样。
3、第2种情况有移相,类似单电阻采样,引入电流谐波,甚至改变导通宽度。
方法三
方法三和在传统的方法比较类似, 固定点采样 ,但是占空比在某些情况下可以达到100%。
1,当T1 >= Tminwidth, 在T1的中间触发U/V/W三相采样或者脉宽相对更快的U/V采样。
2,当T1 < Tminwidth, 当T2 >= Tminwidth, 强制T1=0, 在T2中点对UV相触发采样。
3, 当T1 < Tminwidth, 当T2 < Tminwidth, 强制T1=0, 强制T2=Tminwidth, 在T2中点对UV相触发采样。
该方法可以把占空比开到 100% ,比如强制T1=0, 就是强迫实现了100%占空比。因为T1较小的时候,如果中点固定采样,肯定会受到T1开关动作的影响。这种情况下规避开关噪声,只能强制T1是不存在的,即W相下桥不导通,一直关闭。这样子UV两相就能在足够的采样宽带下实现采样。
情况3也是类似的原因,解决了T1,当T2不够,只能给T2强制最小宽度,没有宽度就创造宽度,强制触发采样。
用考虑用上一拍的电流当作本拍电流使用,也不用考虑低通滤波滤掉采样的错误信号。尤其不会引入相位延时。固定采样点,配置也简单。
缺点就是在某些情况下,强制改变了T1和T2的宽度,虽然没有引入谐波,但是改变了目标输出电压。
因为是固定采样点,所以FOC计算时间没有特殊限制。
优点:
1、最大占空比100%
2、不需要移相,不需要在线改变采样点,对FOC计算时间没有限制。
缺点:
1、极限速度下会改变T1和T2的实际值,导致实际输出电压和目标电压存在偏差