在交流電機(jī)矢量控制策略中，相電流采樣性能是一個重要的指標(biāo)。在對成本要求高的應(yīng)用場合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關(guān)鍵問題。本文是一篇機(jī)械工程師論文范文，主要論述了電機(jī)矢量控制的相電流采樣與濾波方法的研究。
　　摘 要：電流的采樣對電機(jī)矢量控制是非常重要的。在低成本應(yīng)用場合，采用雙電阻相電流采樣的方法具有一定的優(yōu)勢。論文對雙電阻相電流采樣原理進(jìn)行了闡述，并對相電流波形進(jìn)行了分析，提出了適用的數(shù)字濾波方法。并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙電阻相電流采樣原理的正確性和數(shù)字濾波方法的有效性。

　　關(guān)鍵詞：電機(jī)矢量控制,永磁同步電機(jī),電流采樣,數(shù)字濾波

　　引言

　　20世紀(jì)70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對電機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

　　電流檢測通常有以下幾種方式：(1)電阻采樣;(2)霍爾電流傳感器;(3)電流互感器。電阻采樣通過測量電阻上的壓降來計算電流大小，適合于被測電流較小的場合。霍爾電流傳感器測量精度高、線性度好、響應(yīng)快、使用簡單，但價格比較昂貴。電流互感器體積較大，造價昂貴，適合于被測電流大的場合。對于小功率的伺服驅(qū)動器適合采用電阻采樣方式，文章以雙電阻電流采樣方式[1]展開分析。

　　1 雙電阻相電流的采樣原理

　　雙電阻采樣方式的典型電路如圖1所示，微處理器對某兩相電流通過采樣電阻進(jìn)行采樣，再根據(jù)iu、iv、iw的矢量和為零，即：iu+iv+iw=0的理論推算出第三相電流的值。從采樣電阻上獲取的電壓信號，經(jīng)過電壓偏置和放大[2]后，輸入到微處理器的A/D單元。雙電阻采樣的邏輯如圖2所示，電流采樣時刻是在三相上橋臂都截止的時刻進(jìn)行的，因?yàn)橹挥性谶@個時刻才能保證采樣電阻上均有反映該相電流的電流流過，只是此時可能采樣得到的電流是續(xù)流電流，不過續(xù)流電流也可以真實(shí)的反映相電流的值。由此可見，雙電阻采樣方法也可以實(shí)現(xiàn)三相定子電流的重構(gòu)。

　　根據(jù)以上分析，雙電阻采樣方法可以實(shí)現(xiàn)三相定子電流的重構(gòu)，不過由圖2可見該方案也存在電流采樣盲區(qū)問題，就是當(dāng)電流采樣相為電壓最大相時，如果該相占空比比較高的時候，電流可采樣的區(qū)間(電壓最大相下橋臂開通區(qū)間)就變得狹窄，考慮到IGBT剛切換時會有比較大的電流震蕩的問題，使得電流采樣誤差比較大。目前解決的辦法是限制電壓最大占空比，通用限制在95%以下。這里采樣電阻的選取很關(guān)鍵，負(fù)載一定時，如果采樣電阻的阻值小，則壓降小，在電機(jī)回路中不會產(chǎn)生很大的影響;如果采樣電阻的阻值過大，會引起電壓損耗，減小能量效率，且較大的阻值還會使負(fù)載電壓發(fā)生偏移，產(chǎn)生電磁干擾，產(chǎn)生系統(tǒng)對噪聲敏感等問題;此外選取采樣電阻時，還要考慮電阻的穩(wěn)定性能和阻值誤差[3]。

　　2 相電流的濾波

　　由于永磁同步電機(jī)的寬范圍調(diào)速及高速特性，在電機(jī)設(shè)計時不易獲得理想的正弦氣隙磁場[4]，同時電力電子裝置的非線性特性，導(dǎo)致在系統(tǒng)控制時采樣的相電流含有不規(guī)則的高次諧波和隨機(jī)干擾。再加上電流采樣電路的穩(wěn)定性及A/D轉(zhuǎn)換單元偏差的存在，更是加大了實(shí)際采樣到的電流波動。另外，在系統(tǒng)電路中采用的開關(guān)電源、大功率電磁鐵等電路，可能還會引起很大干擾。

　　可見，永磁同步電動機(jī)相電流中，含有各種高次、隨機(jī)的諧波。其中包含PWM斬波引起的高頻諧波，有因電機(jī)非正弦反電勢引起的低次諧波，還有電力電子線路因干擾出現(xiàn)的隨機(jī)脈沖。因此，在系統(tǒng)控制中，需要采用不同的硬件和數(shù)字濾波方法。硬件濾波是在電流采樣電路上增加LC濾波電路，用于去除逆變器的功率開關(guān)斬波引起的干擾。軟件濾波用于去除隨時脈沖干擾和由低次諧波引起的噪聲。

　　采用550W伺服驅(qū)動器(載波頻率16KHz)，配4極15槽永磁同步電機(jī)進(jìn)行測試。在3500rpm輕負(fù)載下，用示波器分時測得U、V相電流如圖3所示，相電流波形除了由于斬波引起的高次諧波外，還由于電機(jī)反電勢、齒槽等影響，使相電流呈現(xiàn)的不是正弦波。

　　從處理器A/D轉(zhuǎn)換后，獲取的相電流數(shù)值如圖4所示，相電流又增加了由于A/D電路引起的隨機(jī)電流尖峰。

　　2.1 程序判斷濾波

　　對于隨機(jī)電流尖峰，通常采用限幅濾波法或限速濾波法[5]來實(shí)現(xiàn)消除。電機(jī)相電流是個動態(tài)的信號，既要考慮采樣值的實(shí)時性，又要顧及采樣值的連續(xù)性。文章實(shí)際采用如下濾波算法：設(shè)順序采樣時刻t1，t2，t3的采樣值分別為Y(1)，Y(2)，Y(3)，ΔY1和ΔY2為根據(jù)現(xiàn)場情況確定的門限值，其中ΔY1<ΔY2。具體算法如式(1)所示。

　　采用程序判斷濾波后，消除了隨機(jī)的電流尖峰，如圖5所示。

　　2.2 算術(shù)平均值法

　　圖5所示的相電流波形中還存在著低次諧波，由于它在時間域的頻率是不確定的，這里采用平均值濾波法[7]來處理，具體算法如式(2)所示。

　　算術(shù)平均值法對信號的平滑濾波程度完全取決于n。

　　當(dāng)n較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結(jié)果Y的影響小;當(dāng)n較小時，平滑度低，但靈敏度高。電機(jī)相電流是個動態(tài)的信號，應(yīng)視具體情況選取n。采用算術(shù)平均值法濾波后，消除了圖5波形中的大部分低次諧波，如圖6所示。經(jīng)過兩次濾波后，相電流的波形得到了顯著的優(yōu)化。

　　3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　采用上述550W伺服驅(qū)動器和電機(jī)，在測功機(jī)上進(jìn)行相電流濾波前后的對比測試，結(jié)果如下：(1)電機(jī)3500rpm恒速運(yùn)行，測功機(jī)不加載時：控制器輸入功率由濾波前的73.47W下降到濾波后的55.01W。(2)電機(jī)3500rpm恒速運(yùn)行，測功機(jī)加1.3Nm扭矩進(jìn)行定點(diǎn)測試時：控制器的效率由濾波前的81.35%上升到濾波后的82.51%。

　　由上述結(jié)果可以看出，采用了相電流濾波的伺服系統(tǒng)，減少了功耗，提升了系統(tǒng)的效率。
　　機(jī)械工程師論文發(fā)表期刊推薦《今日工程機(jī)械》(半月刊)創(chuàng)刊于2002年，由北京卓眾出版有限公司主辦。從創(chuàng)刊之日起，它以探析工程機(jī)械行業(yè)財富模式為己任，就立志成為中國工程機(jī)械行業(yè)最好的經(jīng)管類雜志。從解析工程機(jī)械價值鏈這個角度切入，《今日工程機(jī)械》逐漸進(jìn)入了行業(yè)的戰(zhàn)略、管理和運(yùn)營層面，開始探討行業(yè)內(nèi)的企業(yè)包括外資企業(yè)、本土的國有企業(yè)、民營企業(yè)等各種不同類型企業(yè)的經(jīng)營管理問題，同時將市場用戶的需求及決策作為關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　4 結(jié)束語

　　由以上分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在采用雙電阻相電流采樣的伺服控制系統(tǒng)中，通過復(fù)合數(shù)字濾波方法能夠?qū)⒂蒔WM斬波引起的高頻諧波、電機(jī)非正弦反電勢引起的低次諧波、電力電子線路因干擾出現(xiàn)的隨機(jī)脈沖等因素引起的相電流噪聲得到有效的抑制，提高了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，有效改善了系統(tǒng)的效率。

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