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在FOC算法中,电流采样在反馈环节是相当重要的一部分,无论是有感FOC
,还是无感FOC
,相电流是交流三相同步电机在进行坐标变换的关键,最终通过SVPWM实现电机转子磁场和定子磁场的同步转动,通常这里有三种方案,单电阻采样,双电阻采样,三电阻采样,关系到整体系统的成本,算法的复杂程度和最终运行的效果,这里需要更加项目的具体需求进行选择。本文参考ST的单电阻和三电阻采样以及TI的双电阻采样,还有microchip的资料,结合实际中可能需要注意的地方进行总结分析。
几种电流采样方案的对比;
电流采样 | 成本 | 算法 |
---|---|---|
单电阻 | 低 | 复杂 |
双电阻 | 适中 | 适中 |
三电阻 | 高 | 简单 |
硬件上的设计通常是采集三相电流,通过运算放大器加偏置电压,这样可以就可以采集正负电流,最终在MCU
中处理的时候减去偏置电压就行,以Infineon XC167CI SK Board
单电阻的方案为例子,具体电路拓扑图如下;
TI C2000
的方案AP1608410 原文链接
运算放大器
采样的关键是需要在三相逆变器高端关闭,低端打开的情况下进行采样,这是整体的采样点。因此,采样会存在窗口时间,因为ADC
转换完成需要一定数量级的时间,也就是说,在ADC
转换完成之前,桥低端是不能关闭的,在这里,双电阻和单电阻采样需要考虑窗口时间的限制,而三电阻采样则不存在窗口时间(PWM占空比接近100%),可以根据SVPWM
当前所在象限,进行分类,只需要采集其中不受窗口时间限制的两相电流,然后根据 ,进行电流的重构。
电流采样比较关键的地方主要是硬件的设计和采样点的设置,这里在后面会涉及到通过相应的触发信号去通知ADC
进行电流采样,最后进行电流重构。
TI
的三电阻采样
正如前面所提到的三电阻采样可以避免窗口时间,如下图所示;在不同扇区需要采样的相电流,可以看到,共同点是避免去采样PWM
占空比接近100%的那一相电流。
TIMER_CH4
作为ADC
采样的触发信号,而采样则可以通过修改TIM_CCR4寄存器去改变采样点,相当灵活的做法;双电阻采样无法避免窗口时间,所以需要限制最终PWM的占空比,为ADC
转换预留足够的时间;
单电阻采样需要在一个PWM
周期内进行两次采样,下面需要在SVPWM六个扇区进行相电流的分类,这里可以对SVPWM
的原理进行分析,从而了解如何对电流进行重构;单电阻的电路结构如下图所示;
Sa = 1
表示上管导通,下管断开;Sa = 0
表示下管导通,上管断开;
Sb
和Sc
以此类推;
开关状态 | AH | BH | CH | 电流 |
---|---|---|---|---|
0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 | 0 | |
2 | 1 | 1 | 0 | |
3 | 0 | 1 | 0 | |
4 | 0 | 1 | 1 | |
5 | 0 | 0 | 1 | |
6 | 1 | 0 | 1 | |
7 | 1 | 1 | 1 | 0 |
因此,单电阻采样,需要在一个PWM
周期内进行两次采样;具体如下图所示;
Sample 1
和Sample 2
这两次采样,对照上表可以推出;
SAL SBL SCL:101
==>SAH SBH SCH:010
,此时采样电流为 ;SAL SBL SCL:100
==>SAH SBH SCH:011
,此时采样电流为 ;原理搞清楚之后,下面要注意的地方还有两点采样点的确认和窗口时间的限制;
本文介绍和对比了三种电流采样方案,简单给出了需要注意的地方,由于本人能力有限,文中难免出现错误和纰漏,请大佬不吝赐教。
microchip 资料汇总
TI 1-, 2-, and 3-Shunt FOC Inverter Reference Design
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