专利名称：基于直流母线电流的电动机相电流检测方法
技术领域：
本发明涉及电动机相电流检测技术领域，具体地说，涉及一种基于直流母线电流
的电动机相电流检测方法。
背景技术：
在交流电动机控制系统中，电动机的相电流检测是一个关键环节，经典的方法是 采用电流传感器来检测电动机的相电流，即在交流输出端设置3个或者至少2个电流传感 器，以提供相电流的反馈信号。常用的电流传感器是霍尔效应检测器，其不仅价格昂贵，而 且体积庞大，难以集成在电力电子装置中。因此，在精度不需要太高而又需要降低成本的情 况下，提出了通过直流母线电流采样来检测电动机相电流的方法。 通过直流母线电流采样来检测电动机相电流，即常说的单电流采样(0neshimt current detection)技术。逆变电路的结构原理图如图1所示，采样电阻Z串接于开关管 (IGBT)下桥臂的N端与直流侧电容负端之间，然后根据直流母线电流、开关管开关状态及 三相电流三者的关系，利用直流母线电流和开关管开关状态重构三相电流，是一种采用单 电阻采样方式的相电流重构方法，因此，又称为单电阻电流采样。 对于单电流采样技术，要使直流母线电流采样值可以有效重构相电流，其采样 时间必须大于一个最小时间Tmin，而电动机采用空间矢量调制(SVP丽)方式进行驱动时， SVP丽调制在扇区边界切换或低速控制时，均会出现在P丽载波周期内某一个(或两者)非 零基本空间矢量的作用时间过短而不满足最小时间Tmin(即非零基本空间矢量作用时间的 1/2小于最小时间Tmin不满足条件，后文再对此进行详细描述)，P丽载波周期内任一非零基
本空间矢量的作用时间过短而不满足最小时间Tmin时，无法完成直流母线电流的采样，也便
不能有效重构电动机相电流。 由此，通常又将此最小时间U尔为最小矢量作用时间，最小矢量作用时间是由于
系统中实际器件特性与理想之间存在差别造成的，对于确定的系统，最小矢量作用时间是
确定的，其为P丽死区时间、硬件响应时间和MCU的AD采样与保持时间之和。 将SVP丽调制时，PWM载波周期内任一非零基本空间矢量作用时间的过短而不满
足最小矢量作用时间，造成不能有效重构电动机相电流的区域称为非观测区域；反之，能有
效重构电动机相电流的区域称为可观测区域。对于非观测区域通常有两种处理方法，一种
是减小非观测区域如减小直流母线电流，增大P丽载波周期，提高调制矢量，减小最小矢
量作用时间等；另一种是避免非观测区域如保证非零基本空间矢量最小作用时间等，后
者的效果通�：糜谇罢�。 目前，避免非观测区域较普遍的方法是采用非对称P丽法。非对称P丽法是指在 非观测区域采用非对称P丽调制，通过矢量分解与补偿，增大作用时间小于最小矢量作用 时间的非零基本空间矢量至最小作用时间，以实现电流有效采样。 此方法虽可以有效实现非观测区域的电流重构，能够较好解决单电流采样技术在 电动机上的应用。但也存在不足比如对MCU性能有较高要求，即需支持非对称P丽，目前大部分MCU尚未有此功能，需额外加ASIC或CPLD进行处理，会增加成本；再次，采用非对称 P丽调制，电压电流谐波会相对增大，器件损耗也增大，影响控制效果；同时，由于P丽死区、 硬体电路响应时间的存在，低速时电压谐波加大，控制效果会越来越差。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的缺陷，提供一种算法容易实现、控制效果相 对较好，在空间矢量调制方式驱动电动机时，非观测区域也能有效重构电动机相电流的基 于直流母线电流的电动机相电流检测方法。 本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现 —种基于直流母线电流的电动机相电流检测方法，电动机采用空间矢量调制方式
进行驱动，逆变电路开关管下桥臂的N端与直流侧电容负端之间串接有采样电阻，其特征
在于电动机的控制算法周期为P丽载波周期的整数倍，当空间矢量调制进入非观测区域，
PWM载波周期内存在非零基本空间矢量作用时间过短而不满足最小矢量作用时间时，保持
同一控制算法周期内多个P丽载波周期内该非零基本空间矢量的总作用时间不变的情况
下，将其中一个P丽载波周期内该非零基本空间矢量的作用时间增大到满足最小矢量作用
时间，再采用单电流采样方式重构上述P丽载波周期的电动机相电流，并以上述P丽周期电
动机相电流作为该控制算法周期内每一个P丽载波周期的电动机相电流。 本发明中，为了使重构电动机相电流后马上能参与控制，减小延时，所述同一控制
算法周期内其中一个将非零基本空间矢量作用时间增大到满足最小矢量作用时间的P丽
载波周期，为同一控制算法周期内多个P丽载波周期中的最后一个。 所述同一控制算法周期内其中一个将非零基本空间矢量作用时间增大到满足最 小矢量作用时间的P丽载波周期，采用P丽载波后端时刻采样的方式进行该P丽载波周期 电动机相电流重构。 本发明中，为了最大限度降低电压谐波，除去同一控制算法周期内其中一个将非 零基本空间矢量作用时间增大到满足最小矢量作用时间的P丽载波周期，同一控制算法周 期内的其他P丽载波周期内，作用时间不满足最小矢量作用时间的非零基本空间矢量在每 个P丽载波周期内的作用时间相同。 本发明中，所述控制算法周期为P丽载波周期的4至10倍，即控制算法频率为载 波频率的1/4 1/10，以避免控制算法频率过大无法有效补偿，过小而影响控制效果。
本发明采用对称P丽方式调制，将过小的基本矢量作用时间增大到满足最小矢量 作用时间，将非观测区域转变为可观测区域，可有效地在通过单电流采样的方式在非观测 区域重构电动机相电流；通过减小其他P丽载波周期基本矢量的作用时间，使得同一控制 算法周期内作用时间过小的基本矢量的总作用时间保持不变，避免电压矢量作用矢真。
图1为现有单电流采样逆变电路的结构原理图。
图2为空间矢量调制示意图。 图3为空间矢量调制处于扇区一直流母线电流前端采样示意图。
图4为开关管状态(100)时电动机相电流流向示意图。
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图5为开关管状态(110)时电动机相电流流向示意图。 图6为空间矢量调制处于扇区一直流母线电流前端采样和后端采样示意图。
图7为空间矢量调制时非观测区域的示意图。 图8为空间矢量调制处于扇区一接近基本空间矢量K的非观测区域，一个控制算 法周期内未经本发明方法处理过的P丽载波示意图。 图9为空间矢量调制处于扇区一接近基本空间矢量K的非观测区域，一个控制算 法周期内经本发明方法处理过的P丽载波示意图。 图10为一具体实例通过AC电流传感器采集的电动机其中一相电流示意图。
图11为与图10相同的实例通过本发明重构的电动机其中一相的电流示意图。
具体实施例方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。 通过直流母线电流采样来检测电动机相电流(单电流采样)是一种成熟技术，其 主要目的是为了克服使用电流传感器检测电动机相电流时成本高、体积大的问题。在精度 不需要太高而又需要降低成本的情况下，被广泛使用。 在说明单电流采样检测电动机相电流前，首先简单介绍一下空间矢量调制 (SVP丽)。如图2所示，空间矢量调制是将调制空间矢量分为6个扇区和6个基本空间矢量， 以及两个零矢量，这样，任意方向、大小的调制空间矢量都可以由两个相邻的基本空间矢量 合成得到的。 每个基本空间矢量都对应一种开关状态，基本空间矢量的施加是通过改变6个开 关管(IGBT)的导通状态来实现的，通过控制开关管导通状态的持续时间控制基本空间矢 量的作用时间，由相邻两基本空间矢量作用时间的长短，即可合成任意方向、大小的调制空 间矢量，以实现对电动机的驱动。 将每相桥臂的开关管状态分别定义为Su、 Sv、 Sw，把上桥臂功率开关器件导通时定 义为状态"1"，关断时定义为状态"0"(上桥臂功率开关器件导通时下桥臂功率开关器件 即处于关断状态，上桥臂功率开关器件关断时下桥臂功率开关器件即处于导通状态)，根据 三组桥臂(Su、 Sv、 Sw)的通断，六组非零基本空间矢量如下定义基本空间矢量^对应开关 管状态(100)，基本空间矢量^对应开关管状态(110)、基本空间矢量^对应开关管状态 (010)、基本空间矢量^对应开关管状态(011)、基本空间矢量、对应开关管状态(001)、基 本空间矢量Ve对应开关管状态(IOI)，二组零基本空间矢量做如下定义基本空间矢量V。 对应开关管状态(000)、基本空间矢量^对应开关管状态(111)。 关管状态(100)表示u相上桥臂导通，v相和w相上桥臂关断，关管状态(110)表 示u相和v相上桥臂导通，w相上桥臂关断，关管状态(010)表示v相上桥臂导通，u相和 w相上桥臂关断，关管状态(011)表示v相和w相上桥臂导通，u相上桥臂关断，关管状态 (001)表示w相上桥臂导通，u相和v相上桥臂关断，关管状态(101)表示u相和w相上桥 臂导通，v相上桥臂关断，关管状态(000)表示三组上桥臂同时关断，电动机中没有电流流 入，关管状态(111)表示三组上桥臂同时导通，电动机中没有电流流出。
不同的时间段对应不同的开关管控制电压，不同的控制电压造成逆变电路中功率，而不同的通断状态则对应着不同的电动机相电流流向。因此，可利 用空间矢量调制时，同一P丽载波周期内开关管两次不同状态时刻的直流母线电流采样值 来重构三相电流。 以空间矢量调制处于扇区一为例，阐述如何进行直流母线电流采样并重构电动机 相电流。此时，处于扇区一的调制空间矢量均可由基本空间矢量^和基本空间矢量、分 别作用后再进行合成而获得，因此在同一P丽载波周期内开关管的状态经历了 (100)和 (110)。 参见图3， a时刻开关管的状态为(100)，即基本空间矢量VJ勺作用时间，电动机 相电流的流向如图4所示(电流以流向电动机侧方向为正，流出电动机侧方向为负)，a时 刻对直流母线进行电流采样，则a时刻的电流采样值L = Id。 = Iu ;b时刻开关管的状态为 (110)，即基本空间矢量V2的作用时间，电动机相电流的流向如图5所示(电流以流向电动 机侧方向为正，流出电动机侧方向为负)，b时刻对直流母线进行电流采样，则b时刻的电流 采样值I2 = Id。 = Iu+Iv = _IW。由于采样时间很短，相电流不会发生突变，这样可根据相电 流之和为零(Iu+Iv+Iw:0)，得到三相电流值为:Iu= I"v—Iu+IJ =_(I「I2) = H 1￥ = -12，以此通过直流母线电流采样完成了电动机相电流的重构。空间矢量调制处于其他 扇区时，电直流母线电流采样以及电动机相电流的重构方式是相似，本领域的技术人员了 解其中原理，在此就不对其他扇区的情形进行一一推导了 。采样电流、开关管状态与电动机 相电流的对应关系如下表所示
开关管状态相电流Idc
susvsw100Iu
011-Iu
010Iv
101-Iv
001Iw
110-Iw
0000
1110 由于同一P丽载波周期内开关管状态存在两次变化，以矢量调制处于扇区一为 例，在P丽载波前端开关管状态由(100)变化为(IIO)，在P丽载波后端开关管状态由(110) 变化为(100)。因此，直流母线电流的采样可选择在P丽载波的前端时刻进行，也可以选择 在P丽载波的后端时刻进行。图3中，直流母线电流的采样是在P丽载波的前端时刻进行 的，直流母线电流的采样是在P丽载波的后端时刻进行如图6所示，其原理与在P丽载波的 前端时刻进行是相同的，直流母线电流采样后重构电动机三相电流的方法也是相同的，在 此就不再累述了。
技术背景中已经指出，要使直流母线电流采样值可以有效重构相电流，在空间矢 量调制时，基本空间矢量的作用时间不能过短，必须满足最小矢量作用时间(最小时间 U，否则直流母线电流采样时间过短，逆变电路开关管下桥臂的N端与直流侧电容负端之 间串接的电阻便无法完成直流母线电流的采样。即要满足采样电阻完成直流母线电流的采
6样，基本空间矢量在一个P丽载波周期内作用时间的1/2必须大于最小矢量作用时间。这 是因为直流母线电流采样要么是在P丽载波的前端时刻进行的，要么是在P丽载波的后端 时刻进行的，直流母线电流的采样时间只有基本空间矢量在一个P丽载波周期内作用时间 的1/2，因此要使直流母线电流的采样时间大于最小矢量作用时间，基本空间矢量的作用时 间需要满足的条件是使基本空间矢量在一个P丽载波周期内作用时间的1/2大于最小矢 量作用时间。 参见图7，电动机采用空间矢量调制(SVP丽)方式进行驱动时，SVP丽调制在扇区 边界(图中斜线部分)切换时，例如在扇区一接近基本空间矢量^的区域进行切换时，基本 空间矢量V2在一个P丽载波周期内的作用时间将过短，以致于基本空间矢量V2在一个P丽 载波周期内的作用时间无法满足最小矢量作用时间(即基本空间矢量、在一个P丽载波 周期内的作用时间的1/2小于最小矢量作用时间)，这样便不能完成直流母线电流的采样。 同理，在扇区一接近基本空间矢量V2的区域进行切换时，基本空间矢量K在一个P丽载波 周期内的作用时间将过短而无法满足直流母线电流的采样。对于其他的扇区的边界区域， 总有一个基本空间矢量在一个P丽载波周期内的作用时间无法满足要求，由于基本原理是 相同的，在此就不一一进行分析了 。 除了在扇区边界切换时，一个基本空间矢量的作用时间无法满足直流母线电流采
样外，当电动机低速控制时，在某些区域甚至同一扇区中两个相邻基本空间矢量的作用时
间都无法满足直流母线电流的采样。总之，将上述无法完成直流母线电流采样重构电动机
相电流的区域统称为非观测区域，非观测区域将严重阻碍单电流采样的实现。 本发明的主旨即避免非观测区域出现，提供一种新的基于直流母线电流的电动机
相电流检测方法。对于空间矢量调制，控制算法周期为P丽载波周期整数倍，即一个控制算
法周期内具有多个P丽载波周期，本实施例中以一个控制算法周期内具有5个P丽载波周
期进行说明。 参见图8，一个控制算法周期Ts内具有5个P丽载波周期，此时空间矢量调制处 于扇区一接近基本空间矢量^的非观测区域，若不进行任何处理，基本空间矢量、在一个 P丽载波周期内的作用时间(对应开关管状态(110))将很短，肯定无法满足最小矢量作用 时间，在图中AD工处便无法满足对直流母线电流进行采样。 参见图9，本发明是将一个控制算法周期内的其中一个P丽载波周期基本空间矢 量、的作用时间增大到满足最小矢量作用时间，即此P丽载波周期基本空间矢量V2作用时 间的l/2大于最小矢量作用时间，实际上考虑临界状态，基本空间矢量、作用时间的l/2等 于最小矢量作用时间即可满足直流母线电流的采样，一般处理时基本空间矢量、作用时间 的1/2等于最小矢量作用时间即可。这样，在图中AD工处便可完成对直流母线电流的采样， 对此P丽载波周期可利用单电流采样的方式进行电动机三相电流的重构。
但是，将一个控制算法周期内其中一个P丽载波周期基本空间矢量V2的作用时间 增大后，必然会导致一个控制算法周期内基本空间矢量V2的总作用时间增大，这样会导到 电压矢量作用增大而使采样结果失真，因此需对基本空间矢量V2进行补偿。补偿的方式是 将一个控制算法周期内其他4个P丽载波周期内基本空间矢量V2的作用时间进行减�。� 证在一个控制算法周期内5个P丽载波周期基本空间矢量^的总作用时间保持不变。进行 补偿后，前述P丽载波周期重构的电动机三相电流即可作为一个控制算法周期内所有P丽载波周期的电动机的三相电流。 在对一个控制算法周期内其他4个P丽载波周期基本空间矢量^的作用时间进
行减小时最好是均匀的，即使得减小后一个控制算法周期内其他4个P丽载波周期基本空
间矢量V2的作用时间相同，以最大限度降低电压谐波，且该处理算法最简单。 对于基本空间矢量V2的作用时间进行增大的P丽载波周期，最好如图9所示，为
同一控制算法周期内5个P丽载波周期中的最后一个，即更接近下一控制算法周期，而且进
行单电流采样时，也采用P丽载波后端时刻采样的方式进行该P丽载波周期电动机相电流
重构，这样使重构电动机相电流后马上能参与控制，减小延时。 同时，为了以避免控制算法频率过大无法有效补偿，频率过小而影响控制效果，控 制算法频率最好为P丽载波频率的1/4 1/10，即控制算法周期最好为P丽载波周期的4 至10倍。本实施例中，仅仅是以控制算法周期为P丽载波周期的5倍进行示例性说明，并 非对本发明的限制，当控制算法周期为P丽载波周期其他整数倍时，本发明的方法是同样 适用的。 对于空间矢量调制时，其他扇区边界的非观测区域，只需要根据情况对不满足条 件的基本空间矢量进行处理即可，由于处理的基本方法是相似的，在此就进行累述了。对于 电动机低速控制时，两个相邻的基本空间矢量都不满足条件的非观测区域，只需要对两个 基本空间矢量都进行上述处理即可。 参见图IO和图ll，对如下的具体实例电机压縮机DH130X1C-20FZ3 ;功率底 座SH7124压縮机调试平台；控制板(C/B) :SH7124压縮机调试平台；IPM :PS21965 ;MCU : SH7124(40MHz) ;P丽死区时间2. Ous ;直流母线电压310V ;P丽载波频率10K(周期 100us)，控制算法频率2K(控制算法周期500us)。通过本发明的方法重构的电动机相电流 与通过AC电流传感器采集的电动机相电流相比基本是吻合的，说明本发明的效果是非常 好的。 当然，在需要处理的基本空间矢量在同一控制算法周期的多个P丽载波周期的总 作用时间极短，甚至在同一控制算法周期的多个P丽载波周期的之和的1/2都小于最小矢 量作用时间时，将同一控制算法周期的其中一个P丽载波周期该基本空间矢量的作用时间 增大到满足直流母线电流采样后，需要同一控制算法周期内的其他P丽载波周期该基本空 间矢量的作用时间为负数，才能满足同一控制算法周期内多个P丽载波周期该基本空间矢 量的总作用时间保持不便，这显然是无法实现的。这时，若还想利用本发明的基本原理对非 观测区域进行电动机相电流重构，需要将其他P丽载波周期内该基本空间矢量的作用时间 设置为零进行处理。 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
权利要求
基于直流母线电流的电动机相电流检测方法，电动机采用空间矢量调制方式进行驱动，逆变电路开关管下桥臂的N端与直流侧电容负端之间串接有采样电阻，其特征在于电动机的控制算法周期为PWM载波周期的整数倍，当空间矢量调制进入非观测区域，PWM载波周期内存在非零基本空间矢量作用时间过短而不满足最小矢量作用时间时，保持同一控制算法周期内多个PWM载波周期内该非零基本空间矢量的总作用时间不变的情况下，将其中一个PWM载波周期内该非零基本空间矢量的作用时间增大到满足最小矢量作用时间，再采用单电流采样方式重构上述PWM载波周期的电动机相电流，并以上述PWM周期电动机相电流作为该控制算法周期内每一个PWM载波周期的电动机相电流。
2. 如权利要求1所述的基于直流母线电流的电动机相电流检测方法，其特征在于所 述同一控制算法周期内其中一个将非零基本空间矢量作用时间增大到满足最小矢量作用 时间的P丽载波周期，为同一控制算法周期内多个P丽载波周期中的最后一个。
3. 如权利要求2所述的基于直流母线电流的电动机相电流检测方法，其特征在于所 述同一控制算法周期内其中一个将非零基本空间矢量作用时间增大到满足最小矢量作用 时间的P丽载波周期，采用P丽载波后端时刻采样的方式进行该P丽载波周期电动机相电 流重构。
4. 如权利要求1所述的基于直流母线电流的电动机相电流检测方法，其特征在于除 去同一控制算法周期内其中一个将非零基本空间矢量作用时间增大到满足最小矢量作用 时间的P丽载波周期，同一控制算法周期内的其他P丽载波周期内，作用时间不满足最小矢 量作用时间的非零基本空间矢量在每个P丽载波周期内的作用时间相同。
5. 如权利要求1至4任一所述的基于直流母线电流的电动机相电流检测方法，其特征在于所述控制算法周期为P丽载波周期的4至10倍。
全文摘要
本发明提供一种算法容易实现、控制效果相对较好，在空间矢量调制方式驱动电动机时，非观测区域也能有效重构电动机相电流的基于直流母线电流的电动机相电流检测方法。该方法，通过在PWM载波周期内存在非零基本空间矢量作用时间过短而不满足最小矢量作用时间时，保持同一控制算法周期内多个PWM载波周期该非零基本空间矢量的总作用时间不变的情况下，将其中一个PWM载波周期内该非零基本空间矢量的作用时间增大到满足最小矢量作用时间，实现电动机相电流重构。本发明通过对称PWM方式调制，将非观测区域转变为可观测区域，同一控制算法周期内作用时间过小的基本矢量的总作用时间保持不变，也避免了电压矢量作用矢真。
文档编号G01R19/00GK101769953SQ20101003977
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者叶林华 申请人:东元总合科技(杭州)有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
