基于TI DSP的永磁同步电机三电阻电流采样的实现.pdf
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1、第 38 卷 第 4 期 2023 年 8 月 天津科技大学学报 Journal of Tianjin University of Science&Technology Vol.38 No.4 Aug.2023 收稿日期:20221123;修回日期:20230403 作者简介:侯 勇(1965),男,吉林人,教授, 基于 TI DSP 的永磁同步电机三电阻电流采样的实现 侯 勇,沈敬祖(天津科技大学电子信息与自动化学院,天津 300222)摘 要:为实现永磁同步电机(PMSM)的高性能、低成本矢量控制,改进三电阻电流采样法。针对三电阻电流采样法存在非观测区的问题,提出了根据脉冲宽度调制(pul
2、se width modulation,PWM)波形动态设置电流采样点、对 PWM 进行移相重构电机电流的方法,提高母线电压利用率,提升电机控制系统的输出能力。基于德州仪器公司的数字信号处理器(TI DSP)平台实现该方法的软件算法,通过实验验证本文方法的正确性和可靠性。关键词:永磁同步电机控制系统;三电阻电流采样;脉冲宽度调制移相;TI 数字信号处理器 中图分类号:TM341 文献标志码:A 文章编号:1672-6510(2023)04-0035-06 Implementation of Three-Shunt Resistors Phase Current Sampling of Perm
3、anent Magnet Synchronous Motor Based on TI DSP HOU Yong,SHEN Jingzu(College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300222,China)Abstract:In order to realize the low cost and high performance vector control of permanent magnet synchronous motor(PMSM)
4、,in or current study we propose an improved method of three-shunt resistors current sampling.Aiming at the non-observation area of the three-resistance current sampling method,we develop a method to reconstruct the motor current by dynamically setting the current sampling point and shifting the phas
5、e of pulse width modulation(PWM)according to the waveform,which improved the bus voltage utilization and the output capability of the motor control system.Besides,we further describe the software algorithm of the proposed method based on Texas Instruments digital signal processors(TI DSP)platform,an
6、d verify the correctness and reliability of the method through experiments.Key words:PMSM control system;three-shunt resistors current sampling;PWM phase shifting;TI DSP 在永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的控制方法中,矢量控制(vector con-trol,VC)因具有控制精度高、转矩波动小、电机噪声低等优点而得到广泛应用1。定子相电流检测是否精确直接影响到永磁同
7、步电机矢量控制系统的整体性能2,因此对电机电流采样方法的研究具有十分重要的意义。目前,永磁同步电机的电流信号采样方法一般采用单电阻电流采样法、电流传感器法、三电阻电流采样法3-4。其中,三电阻电流采样法具有硬件成本低、响应速度快、三相电流对称度高、软件算法简单的优势,被广泛应用于永磁同步电机控制技术中4。在脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)高占空比下,三电阻电流采样法存在电流采样非观测区。文献5提出了一种三相逆变器下桥臂串联电阻采样电流的方案,该方法较容易实现,但未考虑PWM 高占空比下的电流采样非观测区,在工程应用中需要限制 PWM 占空比,导致母线电压利用
8、率下降。文献6利用查表法间接合成三相电流,即在预先计算好的 PWM 开关转换时刻对电流采样,实现了全区域电流采样及合成,但是该方法需要数字信号处理器(DSP)的大量内存。文献7基于状态观测器,根据DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.20220266 36 天津科技大学学报 第 38 卷 第 4 期 可测得的相电流信息重构出三相电流,但是系统的参数和状态对这种方法有很大的影响。本文针对 PWM 高占空比下永磁同步电机三电阻电流采样存在非观测区的问题,提出根据 PWM 波形,动态设置电流采样点,对 PWM 进行移相重构电机电流的方案。基于该方案,在德州仪器公司的数字信号处理
9、器(TI DSP)平台上,通过软件实现高占空比下进行 PWM 移相和电流采集触发时刻的精确控制,完成三相电流重构的算法,解决非观测区采样的问题,提高母线电压利用率,提升电机控制系统的输出能力。最后,在电动转向控制系统上实现永磁同步电机的电流(扭矩)控制,通过对比实验验证三电阻采样重构电流方法的正确性和可靠性。1 三电阻电流采样原理 采用空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)方式对永磁同步电机驱动,根据三相全桥逆变器不同开关状态,通过测量下桥臂导通时的瞬时电流重构电动机的相电流。永磁同步电机三电阻电流采样系统框图如图 1 所示。图
10、1 永磁同步电机三电阻电流采样系统框图 Fig.1 Three-shunt resistors phase current sampling sys-tem block diagram of PMSM 图 1 中:Udc为母线直流电压;S1、S2、S3、S4、S5、S6为 6 个增强型场效应管(N-MOS),UAH、UBH、UCH、UAL、UBL、UCL分别为 6 个 N-MOS 的驱动电压,驱动电压为高电平时 N-MOS 导通,低电平时 N-MOS 关断;Rs为串联在三相全桥逆变器下桥臂的采样电阻,UA、UB、UC分别为 A 相、B 相、C 相的采样电阻 Rs两端的电压,经过运算放大器放大后
11、连接到DSP 的模拟到数字(analog to digital,AD)转换器输入口。当下桥臂 N-MOS 导通时,电机电流流过 Rs,Rs两端的电压为电机相电流与 Rs电阻的乘积;当下桥臂 N-MOS 关断时,电机电流不流过 Rs,Rs两端的电压为零。因此,可以根据 SVPWM 的信息,判断下桥臂 N-MOS 的开关状态,当下桥臂 N-MOS 导通时,进行电机电流采样,再结合当前的 PWM 波形完成三相电流重构。在三相全桥逆变器中,定义上桥臂 N-MOS 导通时为“1”,关断时为“0”。根据 3 组上桥臂 N-MOS(S1、S3、S5)的通断,产生 6 组非零电压矢量U001、U010、U01
12、1、U100、U101、U110和 2 组零电压矢量U000、U111;将空间平面分为 6 个扇区,为扇区扇区,如图 2 所示,图中 A、B、C 为三相静止坐标系的坐标轴,Uref为目标电压矢量。图 2 电压矢量与扇区关系 Fig.2 Relationship between voltage vector and sector 以扇区为例,目标电压矢量 Uref由 U100和 U110 2 个非零矢量和零电压矢量 U000、U111合成,在 U000时间段内,图 1 中 S2、S4、S6 3 个 N-MOS 导通,流过3 个采样电阻的电流为电机三相电流,所以在每个PWM 周期的开始时刻触发 A
13、D 采样,可以获得 A、B、C 相电机电流,如图 3 所示。图 31个 PWM周期内开关状态与采样电阻电压的关系Fig.3Relationship between switching state and voltage of sampling resistor during a PWM period 图 3 中:UAH、UBH、UCH、UAL、UBL、UCL分别为 6 2023 年 8 月 侯 勇,等:基于 TI DSP 的永磁同步电机三电阻电流采样的实现37 个 N-MOS 的驱动电压,UA、UB、UC分别为采样电阻两端的电压,t1、t2分别为电压矢量 U000、U100的作用时间,td为
14、PWM 死区时间。上述分析是基于理想状态进行的,实际情况中系统需要一个最短采样时间 tmin作为最小采样窗口,才可以得到准确的电机电流。因此,完成三电阻电流采样必须保证采样窗口时间 ts大于 tmin,即 smindonset =+ttttt(1)式中:ts为采样窗口时间,td为死区时间,ton为 N-MOS导通时间,tset为三相全桥逆变器电流建立时间。电压矢量空间的某些区域,在采样窗口时间 ts小于 tmin时,电流无法正常采样,为非观测区。非观测区分为高压调制区和扇区过渡区,如图 4 所示。图 4 非观测区扇区图 Fig.4 Non-observation area sector map
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