一文詳解MagniV雙切換PWM技術(shù)

在電動(dòng)機(jī)FOC控制系統(tǒng)中，對(duì)電動(dòng)機(jī)電流的采樣是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，在低成本應(yīng)用場(chǎng)合，為了降低成本，減小體積，根據(jù)母線電流和相電流關(guān)系而形成的單電阻電流采樣及相電流重建方法具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。MagniV為單電阻設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特的硬件支持。

一、引言

電流采樣對(duì)無感電機(jī)矢量控制是非常重要的，電流采樣性能是其中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，往往直接影響到整個(gè)控制方案的性能好壞。

在實(shí)際使用中，三相電流采樣常見類型有三電阻、雙電阻以及單電阻采樣技術(shù)。它們的實(shí)現(xiàn)方式不同，但共同的目標(biāo)就是為得到真實(shí)的三相電流。本期小編主要介紹近期十分熱門的單電阻電流重建技術(shù)以及MagniV系列芯片對(duì)于該技術(shù)特有的硬件支持。

二、單分流采樣技術(shù)簡(jiǎn)介

相電流采樣技術(shù)對(duì)于檢測(cè)相電流以及通過其重構(gòu)獲取定子電流的全部三相信息是關(guān)鍵問題。當(dāng)直流母線電壓連接到電機(jī)時(shí)，如圖1在八個(gè)電壓矢量的其中六個(gè)中，流過分流電阻的相電流產(chǎn)生一個(gè)電壓降，需要由AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行適當(dāng)采樣。

圖1 電壓矢量

圖2顯示了矢量101期間的電流測(cè)量示例，其中可以采集iSB電流。考慮一個(gè)對(duì)稱三相系統(tǒng)，可以在任何時(shí)候使用基爾霍夫電流定律（iSA+iSB+iSC=0），因此在一個(gè)PWM周期內(nèi)至少需要兩個(gè)電流才能使所有三相電流可用于矢量控制。由于電壓矢量的調(diào)制，在單個(gè)PWM周期內(nèi)可以使用兩個(gè)不同的非零電壓矢量組合感測(cè)兩個(gè)電流。然后基于基爾霍夫電流定律計(jì)算第三個(gè)電流。

圖2 電流測(cè)量

三、單分流采樣技術(shù)缺陷

技術(shù)是一把雙刃劍，在單電阻分流測(cè)量期間，為了允許測(cè)量電流，需要對(duì)正弦調(diào)制模式進(jìn)行修改，這種模式修改可能會(huì)產(chǎn)生一些電流紋波，由于模式修改以及對(duì)修改后的校正，算法的實(shí)現(xiàn)難度增加并且會(huì)占用更多的CPU資源。

在電流測(cè)量期間只有當(dāng)兩個(gè)電壓矢量有效并保持足夠的時(shí)間以捕獲電流時(shí)，才能使用單分流三相電流重構(gòu)。

如圖3所示，當(dāng)兩個(gè)PWM邊緣彼此靠近時(shí)，直流鏈路上的相電流信號(hào)脈沖變得太短而無法被捕獲或“消失”。這使得這部分三相電流信息不可見，并且感測(cè)電路最終可能干擾相電流反饋。如果所有三相都足夠接近，則不能從直流母線電流傳感器恢復(fù)相電流信息。

圖3 電壓矢量調(diào)制舉例

單分流采樣有其明顯的優(yōu)勢(shì)，也存在必然的缺陷，但MagniV系列的雙切換PWM技術(shù)極大的增加了單分流采樣方案優(yōu)勢(shì)。

四、雙切換PWM技術(shù)

在不改變硬件的情況下，我們可以使用“移相PWM”的方式對(duì)三相電流進(jìn)行重構(gòu)，但其軟件實(shí)現(xiàn)難度大，同時(shí)增加了芯片的資源的需求。

小編這里給伙伴們推薦另一種方式：MagniV系列芯片特有的“雙切換PWM”技術(shù)。該技術(shù)是將重疊信號(hào)中的一個(gè)分成兩部分，并在脈沖中間插入一個(gè)零脈沖，從而很好的解決了單分流采集技術(shù)的缺陷。

MagniV的“雙切換PWM”技術(shù)除了將一個(gè)信號(hào)從另一個(gè)信號(hào)上移開之外，還能將其中一個(gè)重疊信號(hào)分成兩個(gè)對(duì)稱信號(hào)，這兩個(gè)部分分開移動(dòng)（圖4左邊的藍(lán)色信號(hào)），因此信號(hào)的總長度是相同的。

但是，會(huì)有不同數(shù)量的開關(guān)操作?？紤]到插入的死區(qū)時(shí)間不同，雙開關(guān)階段的輸出電壓較低。這種雙重切換的另一個(gè)影響是不同的電壓矢量被注入到電機(jī)中。這些干擾可能會(huì)導(dǎo)致通量的諧波失真和產(chǎn)生噪音。

圖4 PWM雙切換技術(shù)

為了降低雙重切換過程中的噪聲和損耗，所有的信號(hào)分成兩部分，其中一個(gè)信號(hào)使另兩信號(hào)以較長的時(shí)間間隔分開（圖4右側(cè)）。不必要的電壓矢量（110）在包括零電壓矢量的兩個(gè)短時(shí)間段內(nèi)切換，并且減少了雙重切換的負(fù)面影響。

同時(shí)，由于雙重切換的機(jī)制，我們?cè)诿總€(gè)電流上可以有兩個(gè)樣本可用，附帶的我們可以對(duì)樣本取均值，一定程度上平滑采樣數(shù)據(jù)。

五、總結(jié)

在一些低成本應(yīng)用場(chǎng)合，為了降低成本，減小體積，根據(jù)母線電流和相電流關(guān)系而形成的單電阻電流采樣及相電流重建方法具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

單電阻電流重建的最重要原因之一就是降低成本，它將采樣電路簡(jiǎn)化至一個(gè)分流電阻和一個(gè)差分放大器。該方案除了降低成本外，它檢測(cè)全部三相時(shí)使用的電路相同，這對(duì)于全部測(cè)量，增益和偏移都是相同的，這將不再需要校準(zhǔn)每相放大電路或者在軟件中進(jìn)行補(bǔ)償。

MagniV系列芯片特有的“雙切換PWM”技術(shù)。為單電阻FOC的實(shí)現(xiàn)提供了另一種嶄新的思路，并通過硬件上的改變簡(jiǎn)化了單電阻FOC技術(shù)的設(shè)計(jì)。