电机矢量控制的相电流采样与滤波方法的研究

摘 要：电流的采样对电机矢量控制是非常重要的。在低成本应用场合，采用双电阻相电流采样的方法具有一定的优势。论文对双电阻相电流采样原理进行了阐述，并对相电流波形进行了分析，提出了适用的数字滤波方法。并经过实验验证了双电阻相电流采样原理的正确性和数字滤波方法的有效性。

关键词：电机矢量控制；永磁同步电机；电流采样；数字滤波

引言

20世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。

在交流电机矢量控制策略中，相电流采样性能是一个重要的指标。在对成本要求高的应用场合，如何低成本地获得好的电流采样性能成为关键问题。

电流检测通常有以下几种方式：（1）电阻采样；（2）霍尔电流传感器；（3）电流互感器。电阻采样通过测量电阻上的压降来计算电流大小，适合于被测电流较小的场合。霍尔电流传感器测量精度高、线性度好、响应快、使用简单，但价格比较昂贵。电流互感器体积较大，造价昂贵，适合于被测电流大的场合。对于小功率的伺服驱动器适合采用电阻采样方式，文章以双电阻电流采样方式[1]展开分析。

1 双电阻相电流的采样原理

双电阻采样方式的典型电路如图1所示，微处理器对某两相电流通过采样电阻进行采样，再根据iu、iv、iw的矢量和为零，即：iu+iv+iw=0的理论推算出第三相电流的值。从采样电阻上获取的电压信号，经过电压偏置和放大[2]后，输入到微处理器的A/D单元。双电阻采样的逻辑如图2所示，电流采样时刻是在三相上桥臂都截止的时刻进行的，因为只有在这个时刻才能保证采样电阻上均有反映该相电流的电流流过，只是此时可能采样得到的电流是续流电流，不过续流电流也可以真实的反映相电流的值。由此可见，双电阻采样方法也可以实现三相定子电流的重构。

根据以上分析，双电阻采样方法可以实现三相定子电流的重构，不过由图2可见该方案也存在电流采样盲区问题，就是当电流采样相为电压最大相时，如果该相占空比比较高的时候，电流可采样的区间（电压最大相下桥臂开通区间）就变得狭窄，考虑到IGBT刚切换时会有比较大的电流震荡的问题，使得电流采样误差比较大。目前解决的办法是限制电压最大占空比，通用限制在95%以下。这里采样电阻的选取很关键，负载一定时，如果采样电阻的阻值小，则压降小，在电机回路中不会产生很大的影响；如果采样电阻的阻值过大，会引起电压损耗，减小能量效率，且较大的阻值还会使负载电压发生偏移，产生电磁干扰，产生系统对噪声敏感等问题；此外选取采样电阻时，还要考虑电阻的稳定性能和阻值误差[3]。

2 相电流的滤波

由于永磁同步电机的宽范围调速及高速特性，在电机设计时不易获得理想的正弦气隙磁场[4]，同时电力电子装置的非线性特性，导致在系统控制时采样的相电流含有不规则的高次谐波和随机干扰。再加上电流采样电路的稳定性及A/D转换单元偏差的存在，更是加大了实际采样到的电流波动。另外，在系统电路中采用的开关电源、大功率电磁铁等电路，可能还会引起很大干扰。

可见，永磁同步电动机相电流中，含有各种高次、随机的谐波。其中包含PWM斩波引起的高频谐波，有因电机非正弦反电势引起的低次谐波，还有电力电子线路因干扰出现的随机脉冲。因此，在系统控制中，需要采用不同的硬件和数字滤波方法。硬件滤波是在电流采样电路上增加LC滤波电路，用于去除逆变器的功率开关斩波引起的干扰。软件滤波用于去除随时脉冲干扰和由低次谐波引起的噪声。

采用550W伺服驱动器（载波频率16KHz），配4极15槽永磁同步电机进行测试。在3500rpm轻负载下，用示波器分时测得U、V相电流如图3所示，相电流波形除了由于斩波引起的高次谐波外，还由于电机反电势、齿槽等影响，使相电流呈现的不是正弦波。

从处理器A/D转换后，获取的相电流数值如图4所示，相电流又增加了由于A/D电路引起的随机电流尖峰。

2.1 程序判断滤波

对于随机电流尖峰，通常采用限幅滤波法或限速滤波法[5]来实现消除。电机相电流是个动态的信号，既要考虑采样值的实时性，又要顾及采样值的连续性。文章实际采用如下滤波算法：设顺序采样时刻t1，t2，t3的采样值分别为Y（1），Y（2），Y（3），ΔY1和ΔY2为根据现场情况确定的门限值，其中ΔY1<ΔY2。具体算法如式（1）所示。

采用程序判断滤波后，消除了随机的电流尖峰，如图5所示。

2.2 算术平均值法

图5所示的相电流波形中还存在着低次谐波，由于它在时间域的频率是不确定的，这里采用平均值滤波法[7]来处理，具体算法如式（2）所示。

算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于n。

当n较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果Y的影响小；当n较小时，平滑度低，但灵敏度高。电机相电流是个动态的信号，应视具体情况选取n。采用算术平均值法滤波后，消除了图5波形中的大部分低次谐波，如图6所示。经过两次滤波后，相电流的波形得到了显著的优化。

3 系统的实验结果

采用上述550W伺服驱动器和电机，在测功机上进行相电流滤波前后的对比测试，结果如下：（1）电机3500rpm恒速运行，测功机不加载时：控制器输入功率由滤波前的73.47W下降到滤波后的55.01W。（2）电机3500rpm恒速运行，测功机加1.3Nm扭矩进行定点测试时：控制器的效率由滤波前的81.35%上升到滤波后的82.51%。

由上述结果可以看出，采用了相电流滤波的伺服系统，减少了功耗，提升了系统的效率。

4 结束语

由以上分析及实验结果可以看出，在采用双电阻相电流采样的伺服控制系统中，通过复合数字滤波方法能够将由PWM斩波引起的高频谐波、电机非正弦反电势引起的低次谐波、电力电子线路因干扰出现的随机脉冲等因素引起的相电流噪声得到有效的抑制，提高了电机运行的平稳性，有效改善了系统的效率。

参考文献

[1]张兰红，郑慧丽.异步电机SVM-DTC系统中的相电流检测研究[J].电测与仪表，2014，51（21）：84-89.

[2]高振开，郭立新.电机控制系统中的电流检测技术[J].机电工程技术，2012，41（8）：148-150.

[3]Jim Lepkowski. Motor Control Sensor Feedback Circuits[Z].America：Microchip Technology Inc.，2003.

[4]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]任克强，刘晖.微机控制系统的数字滤波算法[J].现代电子技术，2003，146（3）：15-18.

[6]牛余朋，成曙.单片机数字滤波算法研究[J].中国测试技术，2005，31（6）：97-99.

[7]宋寿鹏.数字滤波器设计及工程应用[M].江苏：江苏大学出版社，2009.

[8]王晓明.电动机的DSC控制——微芯公司dsPIC应用[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2009.

[9]王小明，王玲.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

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通讯作者：叶维民