永磁同步电机力矩控制（四）：相线电流采样

在永磁同步电机FOC控制算法中，控制目标是电机的相电流，因而电流反馈信号也相当重要。

 

常见的如下几种电流采样电路的检测方案：

 

 

至于电流采样的传感器，在制作快速样件进行算法验证阶段可以选用线性hall电流采样芯片，在规模化量产阶段，使用高精度电流采样电阻成本优势更大，因此今天主要就采样电阻就这种方式来展开。由于相线电流采样的方式，信号上有较大的共模电压，因此一般预驱芯片自带的运放都不能使用，需要用到如下图所示的专用的放大电路芯片，芯片中的放大倍数一般不会超过30倍，20倍较为普遍；因为采用相线采样的方式，必然需要检测正负两个方向的电流，还需要设置一个2.5V的偏置电压。

 

 

采样电阻的选择：

 

采样电阻选择过大，电流测量的量程小，采样电阻本身的发热损耗也会过大，对采样电阻的功率要求也相应提高；

 

采样电阻选择过小，测量到的电流信号分辨率降低，容易受噪声的影响。

 

假设期望检测的电流范围为正负100A，那么采样电阻阻值应该不大于4V/(200A*20)=1毫欧。（只选用4V的原因是输出0-0.5V和4.5V到5V这一段的线性度比较差，而且要留着这一段区间用来进行故障诊断）

 

AD采样的时间选择：

 

以PWM中心对齐的控制方式为例，其电机相电流在微观上存在一个2倍频于PWM频率的纹波信号。

 

 

【t0  t1】时段，三个MOS均关闭，A相电流下降；

【t1  t2】时段，A相导通，BC相关闭，A相电流上升；

【t2  t3】时段，AB相导通，C相关闭，相电流下降；

【t3  t4】时段，ABC三相均导通，相电流下降；

【t4  t5】时段，AB相导通，C相关闭，相电流上升；

【t5  t6】时段，A相导通，BC相关闭，相电流上升；

【t6  t0】时段，三相均关闭，相电流下降；

 

由于PWM开关的频率很快，这个电流的纹波一般都比较小(1A以内)，但是对于控制来说，我们希望得到在一个PWM周期内的电流平均值，可以用T/2时刻的采样值作为这个平均电流的近似。在软件中，在PWM周期的中心点触发一个中断去启动相电流的采样。

 

至于左对齐或者右对齐的方式，请读者自行脑补。

 

偏置电压对控制性能的影响

 

Simulink力矩闭环模型中，不改变任何其它参数，只是将偏置电压变化50mv（软件中都是按照2.5V的偏置计算电流值），得到的力矩输出波形如下：

 

 

从数据可知，偏置电压的精度对力矩输出波动的贡献巨大。软件上针对偏置电压的处理一般有两种方法：

 

1.ECU下线检测过程中，检测每一个电路的REF电压并写入NVM，软件根据NVM的REF值计算实际电流

 

2.软件online实时学习并补偿电流采样电路零漂

 

放大电路Gain及对称性对控制性能的影响

 

（1） Simulink力矩闭环模型中，控制算法计算电流时认为Gain为20倍，但Plant模型中将电路的实际放大倍数分别设为20,20.5,19.5；仿真结果如下：

 

 

可见如果两相电流采样电路的放大倍数虽与理论值有偏差但如果能保持一致,对控制性能的影响主要体现在电机出力与目标指令力矩有偏差，但力矩纹波不明显。

 

（2） Simulink力矩闭环模型中，控制算法计算电流时认为Gain为20倍，但在但Plant模型中将两相电路的实际放大倍数分别设为20.5和19.5，仿真结果如下：

 

 

从仿真可见，放大电路不对称对输出力矩波动有较大影响。

 

软件上一般都是在EOL测试过程中将放大倍数写入NVM，根据NVM中存储的值计算实际电流值。