电机单电阻固定采样时间电流采样系统及方法、微控制器

摘要

本发明公开了电机单电阻固定采样时间电流采样系统及方法、微控制器，方法包括：获取原PWM载波周期内非零矢量作用时间；重构原PWM载波周期得到新PWM载波周期，重构步骤包括：设定固定窗口时间，将第一阶段的两个非零矢量作用时间均调整为与固定窗口时间一致；调整第二阶段的两个非零矢量作用时间，保持PWM载波周期的有效电压不变；使用新PWM载波周期驱动电机时，采样三相电流。通过设定满足采样时间需求的固定窗口时间，来作为第一阶段非零矢量作用时间，避免非零矢量作用时间变化而导致采样时间短而不够采样的问题，也可以规避多电机电流采样时的开关串扰问题，保证了电流采样的精度和可靠性，使用范围更大。

说明书

技术领域

本发明涉及电流采样技术领域，尤其涉及电机单电阻固定采样时间电流采样系统及方法、微控制器。

背景技术

在电机控制系统中，三相电流检测是进行电机控制的关键环节，电流采样方式包括：三电阻采样、双电阻采样、单电阻采样、电流传感器采样。

通过对串接在直流母线上的单颗电阻进行分时采样，提取电机各相电流，即为常说的单电阻采样。对于单电阻采样，若要正确从直流母线电流分解出电机相电流，在逆变器侧要保证非零矢量的作用时间必须满足采样时间Tadcmin，而SVPWM调制时，一个PWM载波周期内的非零矢量作用时间是变化的，会出现一个或两个非零矢量作用时间不满足电流采样的情况，从而需要对PWM载波周期内的非零矢量进行调整，在保证整个PWM周期内非零矢量总有效时间不变的情况下，使其一部分作用时间满足采样时间。

SVPWM调制扇区和电压矢量定义如图1所示，传统的单电阻采样方法如图2所示(以第1扇区为例)，该方式为七段式SVPWM调制，电流采样时刻一般定义在非零矢量段（100和110），在非零矢量段的电流时刻在规避开关死区时间和开关噪声、电流上升时间的同时保证ADC转换时间，例：

如果非零矢量时间满足采样时间，则在非零矢量作用时间内采样电流，此例中，在非零矢量110矢量和100矢量作用时间内分别采样C相电流和A相电流；

如果非零矢量作用时间如果不满足采样时间，则采用移相的方案。此例中的两个有效矢量100和110都不满足采样时间。处理方法为：PWM前半周期的PWM5(C相上桥臂功率管驱动信号)左移，PWM1信号(A相上桥臂功率管驱动信号)右移，然后将PWM后半周期的PWM5信号左移，PWM1信号右移，既保证了前半周非零矢量作用时间满足电流采样，也保证了整个周期内非零矢量总作用时间不变。

此移相方案，针对单颗MCU控制单个电机工作时，可以有效规避自身的开关死区时间、开关噪声和电流上升时间，但是由于采样时间需要跟随非零矢量作用时间变化而变化，在电机高速运行时，相位延迟大，构造出的三相电流不对称，会有负序的电流存在，用于反馈控制的电流会存在波动，进而导致转速的波动；

并且传统的采样方法在对于单颗MCU控制双电机或多电机时，因每个电机的转速、电压的幅值相位是随机的，对应的非零矢量作用时间和电流采样时间也是不断变化的，无法有效规避各个电机之间的开关噪声串扰，此串扰可能导致采样电流、观测器观测的角度、转速都产生畸变，甚至不能正常工作，所以现有的单电阻电流采样方法存在采样不够精确，使用不够广泛的缺陷。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的单电阻电流采样时间不受控制和应用不够广泛的问题，本发明提供电机单电阻固定采样时间电流采样系统及方法、微控制器。

第一方面，为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种电机单电阻固定采样时间电流采样方法，该方法包括以下步骤：

获取原PWM载波周期内非零矢量作用时间，所述原PWM载波周期为五段式SVPWM调制输出的PWM信号周期，该PWM信号周期包括两个电压矢量输出阶段，每个阶段均包括两个非零矢量；

重构原PWM载波周期得到新PWM载波周期，重构步骤包括：设定固定窗口时间，将第一阶段的两个非零矢量作用时间均调整为与固定窗口时间一致；根据第一阶段两个非零矢量作用时间调整前后的时间差，调整第二阶段的两个非零矢量作用时间，保持PWM载波周期的有效电压不变；

使用新PWM载波周期驱动电机时，采样三相电流，采样步骤包括：在两个固定窗口时间内，分别设定电流采样时刻，当非零矢量作用时间到达电流采样时刻时，采集对应两相电流，并计算出第三相电流。

优选的，所述固定窗口时间的设定方法为：定义所述固定窗口时间为Tadcmin，第一阶段为PWM载波周期的前端；

在新PWM载波周期中，第一阶段中的两个非零矢量作用时间区间分别为[T0，Tadcmin]、[Tadcmin，2*Tadcmin]，T0为新PWM载波周期的起始时刻，Tadcmin为至少进行一次电流采样所需的最小采样时间，定义为：

最小采样时间=开关死区时间+ MAX（开关噪声时间，电流上升时间）+ADC转换时间。

优选的，所述固定窗口时间的设定方法为：定义所述固定窗口时间为Tadcmin，第一阶段为PWM载波周期的后端；

在新PWM载波周期中，第一阶段中的两个非零矢量作用时间区间分别为[T-Tadcmin，T]、[T-2*Tadcmin，T-Tadcmin]，T为新PWM载波周期，Tadcmin为至少进行一次电流采样所需的最小采样时间，定义为：

最小采样时间=开关死区时间+ MAX（开关噪声时间，电流上升时间）+ADC转换时间。

优选的，所述固定窗口时间=开关死区时间+ MAX（开关噪声时间，电流上升时间）+ADC转换时间。

优选的，所述设定电流采样时刻的方法为：

固定窗口时间依次包括不可采样时间段及可采样时间段，设不可采样时间段时长为ts，ts=开关死区时间+ MAX（开关噪声时间，电流上升时间）；在可采样时间段中进行电流采样。

优选的，设原PWM载波周期的两个阶段中均包含第一非零矢量、第二非零矢量，第一非零矢量、第二非零矢量的作用时间总量分别为t1、t2，根据t1、t2及Tadcmin的大小，调整新PWM载波周期的第二阶段中的非零矢量作用时间。

优选的，所述调整新PWM载波周期的第二阶段中的非零矢量作用时间的方法为

若（t1+t2）＜2* Tadcmin、t1＜Tadcmin、t2＜Tadcmint，则调整第一非零矢量、第二非零矢量作用时间均为零，插入第三非零矢量，作用时间为Tadcmin-t1，第四非零矢量，作用时间为Tadcmin-t2，所述第三非零矢量和第四非零矢量用于抵消第一阶段内第一非零矢量和第二非零矢量增加的作用时间；

若（t1+t2）＜2* Tadcmin、t1≥Tadcmin、t2＜Tadcmint，则调整第一非零矢量、第二非零矢量作用时间均为零，插入第三非零矢量，作用时间为t1-Tadcmin，第四非零矢量，作用时间为2*Tadcmin-t1-t2，所述第三非零矢量和第四非零矢量用于抵消第一阶段内第二非零矢量增加的作用时间；

若（t1+t2）＜2* Tadcmin、t1＜Tadcmin、t2≥Tadcmint，则调整第一非零矢量、第二非零矢量作用时间均为零，插入第三非零矢量，作用时间为t2-Tadcmin，第四非零矢量，作用时间为2*Tadcmin-t1-t2，所述第三非零矢量和第四非零矢量用于抵消第一阶段内第一非零矢量增加的作用时间；

若t1+t2≥2* Tadcmin、t1≥Tadcmin、t2≥Tadcmint，则调整第一非零矢量、第二非零矢量的作用时间分别为t1-Tadcmin，t2-Tadcmint；

若（t1+t2）≥2* Tadcmin、t1≥Tadcmin、t2＜Tadcmint，则调整第一非零矢量作用时间为t1+t2-2*Tadcmin、第二非零矢量作用时间为零，插入第三非零矢量，作用时间为Tadcmin-t2，所述第三非零矢量用于抵消第一阶段内第二非零矢量增加的作用时间；

若（t1+t2）≥2* Tadcmin、t1＜Tadcmin、t2≥Tadcmint，则调整第一非零矢量作用时间为零、第二非零矢量作用时间为t1+t2-2*Tadcmin，插入第三非零矢量，作用时间为Tadcmin-t1，所述第三非零矢量用于抵消第一阶段内第一非零矢量增加的作用时间。

优选的，所述计算出第三相电流的方法为：

设采集到的两相电流分别为Ia、Ib，第三相电流为Ic，由Ia+Ib+Ic=0计算出Ic。

第二方面，一种微控制器，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序；使处理器在执行所述计算机程序时，实现如第一方面所述的电机单电阻固定采样时间电流采样方法。

第三方面，一种电机单电阻固定采样时间电流采样系统，包括如第二方面所述的微控制器和N个三相逆变电路，其中N≥1，每个所述三相逆变电路的母线上均串联有采样电阻，微控制器用于驱动三相逆变电路、采集采样电阻上的电流。

有益效果：相比较现有技术：

1、本发明通过设定满足采样需求的固定窗口时间，来作为第一阶段非零矢量作用时间，避免非零矢量作用时间变化而导致采样时间短而不够采样的问题，也可规避开关死区、开关噪声和电流上升时间，亦可规避多电机电流采样时的开关串扰问题，保证了电流采样的精度和可靠性，使用范围更大。

2、对于单电阻采样，电机高速运转时，如果两个采样时刻相差时间比较大，构造出的三相电流不对称度将增加，负序电流也会增加，用于反馈控制的电流存在波动，进而导致转速的波动，将采样窗口时间设定为最小采样时间，尽可能减小两次采样的时间间隔，可以一定程度缓解负序电流的产生和转速的波动。

3、以整个PWM载波周期内总的矢量作用时间进行采样时间核对和移相，整个电压矢量空间内，需要移相的范围降低，一定程度可以降低输出电压畸变和电机噪音。

附图说明

图1为SVPWM电压矢量和扇区定义示意图；

图2为传统单电阻电流采样PWM移相控制示意图；

图3为本发明单电阻电流采样方法流程图；

图4为本发明实施例一中的单电机单电阻电流采样系统示意图；

图5为本发明第一扇区中一种PWM载波周期调整前后示意图；

图6为本发明第一扇区中另一种PWM载波周期调整前后示意图；

图7为本发明实施例二中的应用于双电机单电阻采样系统示意图；

图8为本发明实施例二中的PWM载波周期调整前后示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明提出了一种电机单电阻固定采样时间电流采样方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，获取原PWM载波周期内非零矢量作用时间，所述原PWM载波周期为五段式SVPWM调制输出的PWM信号周期，五段式SVPWM调制的起始矢量为非零矢量，这也方便固定非零矢量作用时间，该PWM信号周期包括两个电压矢量输出阶段，每个阶段均包括两个非零矢量，根据给定电压的幅值和角度可计算出PWM载波周期的各个矢量作用时间，以第一扇区为例，矢量110和100的作用时间分别为t1和t2，零矢量000的作用时间为t0。

步骤S2，重构原PWM载波周期得到新PWM载波周期，重构步骤包括：设定固定窗口时间，将第一阶段的两个非零矢量作用时间均调整为与固定窗口时间一致；调整第二阶段的两个非零矢量作用时间，保持PWM载波周期的有效电压不变，定义所述固定窗口时间为Tadcmin， Tadcmin为至少进行一次电流采样所需的最小采样时间，最小采样时间=开关死区时间+ MAX（开关噪声时间，电流上升时间）+ADC转换时间，Tadcmin选择与最小采样时间一致，即固定窗口时间=开关死区时间+MAX（开关噪声时间，电流上升时间）+ADC转换时间，MAX（开关噪声时间，电流上升时间）为开关噪声时间和电流上升时间二者取最大值，这样在两个固定窗口时间内采样对应相电流的时间间隔短，可以一定程度缓解负序电流的产生和转速的波动。由于单电阻电流采样既可以在PWM载波周期的前端采样也可以在后端采样，当第一阶段为新PWM载波周期的前端时，在新PWM载波周期中，第一阶段中的两个非零矢量作用时间区间分别为[T0，Tadcmin]、[Tadcmin，2*Tadcmin]，T0为新PWM载波周期的起始时刻；当第一阶段为PWM载波周期的后端时，在新PWM载波周期中，第一阶段中的两个非零矢量作用时间区间分别为[T-Tadcmin，T]、[T-2*Tadcmin，T-Tadcmin]，T为新PWM载波周期，在实际采样过程中，前端采样应用较为广泛，因此本发明具体以第一非零矢量作用时间为[T0，Tadcmin]，第二非零矢量作用时间为[Tadcmin，2*Tadcmin]进行采样，还是以第一扇区为例，原PWM载波周期的两个阶段中包含矢量110和矢量100，矢量110作用时间总量为t1，矢量100作用时间总量为t2，根据t1、t2和Tadcmin的大小，矢量110和矢量100在第一阶段的非零矢量均为Tadcmin，调整新PWM载波周期的第二阶段中两个非零矢量作用时间，调整第二阶段非零矢量作用时间方法不唯一，只需要保持PWM载波周期的有效电压不变即可，优选采用如下方法：

A、若（t1+t2）＜2* Tadcmin、t1＜Tadcmin、t2＜Tadcmint，则调整矢量110和矢量100在第二阶段的作用时间均为零，插入矢量001，作用时间为Tadcmin-t1，插入矢量011，作用时间为Tadcmin-t2，所述001用于抵消第一阶段内矢量110增加的作用时间，矢量011用于抵消第一阶段内矢量100增加的作用时间；

B、若（t1+t2）＜2* Tadcmin、t1≥Tadcmin、t2＜Tadcmint，则调整矢量110和矢量100在第二阶段的作用时间均为零，插入矢量010，作用时间为t1-Tadcmin，插入矢量011，作用时间为2*Tadcmin-t1-t2，矢量010和矢量011均用于抵消第一阶段内矢量100增加的作用时间，该插入新的矢量不唯一，目的是为了抵消第一阶段内矢量100增加的作用时间，本例选择矢量010和矢量011来作为抵消矢量，可以减少信号畸变的情况发生；

C、若（t1+t2）＜2* Tadcmin、t1＜Tadcmin、t2≥Tadcmint，则调整矢量110和矢量100在第二阶段的作用时间均为零，插入矢量101，作用时间为t2-Tadcmin，插入矢量001，作用时间为2*Tadcmin-t1-t2，矢量101和矢量001均用于抵消第一阶段内矢量110增加的作用时间，该插入新的矢量不唯一，目的是为了抵消第一阶段内矢量110增加的作用时间，本例选择矢量101和矢量001来作为抵消矢量，可以减少信号畸变的情况发生；

D、若（t1+t2）≥2* Tadcmin、t1≥Tadcmin、t2≥Tadcmint，则调整矢量110在第二阶段的作用时间为t1- Tadcmin，调整矢量100在第二阶段的作用时间为t2- Tadcmint；

E、若（t1+t2）≥2* Tadcmin、t1≥Tadcmin、t2＜Tadcmint，则调整矢量110在第二阶段的作用时间为t1+t2-2*Tadcmin、矢量100在第二阶段的作用时间为零，插入矢量001，作用时间为Tadcmin-t2，矢量001用于抵消第一阶段内矢量100增加的作用时间，该插入新的矢量不唯一，目的是为了抵消第一阶段内矢量100增加的作用时间，本例选择矢量001来作为抵消矢量，可以减少信号畸变的情况发生；

F、若（t1+t2）≥2* Tadcmin、t1＜Tadcmin、t2≥Tadcmint，则调整矢量100在第二阶段的作用时间为t1+t2-2*Tadcmin、矢量110在第二阶段的作用时间为零，插入矢量101，作用时间为Tadcmin-t1，矢量101用于抵消第一阶段内矢量110增加的作用时间，该插入新的矢量不唯一，目的是为了抵消第一阶段内矢量110增加的作用时间，本例选择矢量10来作为抵消矢量，可以减少信号畸变的情况发生。

步骤S3，使用新PWM载波周期驱动电机时，采用辅助定时器、DMA执行每个PWM输出通道的第1次开关动作，实现新PWM载波周期内第一阶段的电压矢量输出，采用辅助定时器、DMA执行每个PWM输出通道的第2次开关动作，实现新PWM载波周期内第二阶段电压矢量输出，由于在周期前端采样，则在第一阶段电压矢量输出的区间内，采样三相电流，采样步骤包括：在两个固定窗口时间内，分别设定电流采样时刻，当非零矢量作用时间到达电流采样时刻时，采集对应两相电流，并计算出第三相电流，设定电流采样时刻的方法为：

固定窗口时间依次包括不可采样时间段及可采样时间段，设不可采样时间段时长为ts，ts=开关死区时间+MAX（开关噪声时间，电流上升时间）；在可采样时间段中进行电流采样。即在第一固定窗口时间内设定电流采样时刻ta，ta∈[T0+ts，Tadcmin]；在第二固定窗口时间内设定电流采样时刻tb，tb∈[Tadcmin+ts，2*Tadcmin]，为了方便硬件采集电流，ta选择ts，tb选择Tadcmin+ts为最佳电流采样时刻，在第一固定窗口时间内采集矢量110对应相电流Ic，在第二固定时间内采集矢量100对应相电流Ia；根据三相电流对称原则，Ia+Ib+Ic=0，在已知Ia和Ic的情况下，计算出第三相电流Ib的值，从而获取到三相电流值。

本发明还提出了一种电机单电阻固定采样时间电流采样系统，包括微控制器和N个三相逆变电路，微控制器包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，处理器在执行该计算机程序时，实现如上述提出的电机单电阻固定采样时间电流采样方法，其中N≥1，每个所述三相逆变电路的母线上均串联有采样电阻，微控制器用于驱动三相逆变电路、采集采样电阻上的电流。由于N≥1，所以微控制器既可以实现单电机的电流采样，也可以应用于多电机的电流采样，具体使用方法由以下实施例介绍。

实施例一

如图4所示，采样电阻串联在三相逆变电路的直流母线上，采样电阻上的电流经过调理放大后送至微控制器输入端，微控制器输出驱动信号PWM1~ PWM6，驱动信号连接到三相逆变电路开关管的驱动电路。微控制器根据各个驱动信号的宽度和最小电流采样时间，调整各个开关管驱动信号的导通时间，实现原PWM载波周期的重构，使新PWM载波周期内第一阶段的非零矢量作用时间与采样窗口时间一致。

如图5所示，为第一扇区两个非零矢量作用时间均大于最小电流采样时间的示例，对应上述电机单电阻固定采样时间电流采样方法中，步骤S2的D情况，图例中空心信号条为调整前的驱动信号，阴影信号条为调整后的驱动信号，调整后，矢量110和矢量100在第一阶段的作用时间均为Tadcmin，在第二阶段的作用时间分别为t1-Tadcmin、t2-Tadcmin。第一固定窗口时间为矢量110在第一阶段的作用时间，用来采样C相电流-iC，第二固定窗口时间为矢量100在第一阶段的作用时间，用来采样A相电流iA, 根据三相电流对称原则iA+iB+iC=0，反推出B相电流iB，最后得到三相电流。

如图6所示，为第一扇区两个非零矢量作用时间，t1＜Tadcmin，t2≥Tadcmin、t1+t2≥Tadcmin *2的示例，对应上述电机单电阻固定采样时间电流采样方法中，步骤S2的F情况，图例中空心信号条为调整前的驱动信号，阴影信号条为调整后的驱动信号，调整后，矢量110和矢量100的在第一阶段的作用时间均为Tadcmin，矢量100第二阶段的作用时间为t1- 2Tadcmin+ t2，矢量110在第二阶段的作用时间为0，并且在第二阶段增加新的矢量101，矢量101的作用时间为Tadcmin-t2，用于抵消110在第一阶段内增加的作用时间。第一固定窗口时间为矢量110在第一阶段的作用时间，用来采样C相电流-iC，第二固定窗口时间为矢量100的在第一阶段的作用时间，用来采样A相电流iA，根据三相电流对称原则iA+iB+iC=0，反推出B相电流iB，最后得到三相电流。

实施例二

如图7所示，采样两个三相逆变电路时，每个逆变电路的采样电阻串联在各自的直流母线上，每个逆变电路采样电阻上的电流经过调理放大后送至微控制器输入端，微控制器输出驱动信号PWM11~ PWM16和PWM21~ PWM26，驱动信号连接到两个三相逆变电路开关管的驱动电路。微控制器根据各个驱动信号的宽度和最小电流采样时间，调整各个开关管驱动信号的导通时间，实现原PWM载波周期的重构，使新PWM载波周期内，两个逆变电路的PWM载波周期第一阶段的非零矢量作用时间与固定窗口时间一致。

由图8可以看出，首先将形成两个三相逆变电路PWM驱动信号的高级定时器进行同步，这样微控制器在两个三相逆变电路上的电流采样时刻保持相同，PWM载波周期的调整与上述实施例一中的单电机PWM载波周期调整方式相同，使两个三相逆变电路的PWM载波周期内第一阶段的两个非零矢量作用时间均分别与两个固定窗口时间一致，在此区间内两个逆变电路都没有开关动作，因此在采样时可以有效规避两个逆变电路之间的串扰。