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磁場導向控制(Field Oriented Control)_電流採樣原理說明
2012/08/15 16:26
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電流採樣原理說明

 

向量控制運算需要獲取馬達三相電流和準確的轉子位置訊號,通常需使用電流感測器和位置速度感測器,但這樣的方式將增加系統的成本。對一些廉價的消費性應用永磁同步馬達的向量控制方案,採用廉價的電阻電流採樣和無位置感測器,以期達到應用優異性能,同時又可達到低成本的目標。電阻電流採樣為了降低系統成本,電阻電流方案可以採行二或三電阻採樣技術,抑或單電阻採樣技術。一般來講,向量控制演算法需要採集馬達兩相電流,根據節點定律參照(十三).,另外一相電流可以直接由 ia + ib + ic = 0 求得,所以二電阻或三電阻是相同的採樣方法,因為電流的採樣點都位於(十三)三電阻採樣點之處,但單電阻採樣則需要採樣於集成母線電流之處,這是與二或三電阻採樣技術最大不同之差異。

 

(十三). 馬達驅動電路與電流採樣點

 

 

 

分析單電阻採樣原理的說明之前,我們先對(十三)開關狀態做定義,SA 定義為a橋臂開關S1S4,當SA=0代表S1ON & S4OFF,反之SA=1代表S1OFF & S4ON,其餘可以SBSC類推得到,對於橋臂的每一個開關狀態,其流過的電流狀態如表()所示。把表() 橋臂的每一個開關狀態組合,可以進而得到SASBSC功率開關狀態組合於()展示,其()意義其實()馬達驅動電路的六個功率開關狀態組合完全相同,所以() V1 ~ V6就是前面所說做為空間向量脈寬調變用途的電壓向量另外一個參數ishunt則代表某個電壓向量狀態時其集成母線電流狀態,所以在集成母線電流採樣,只要分別在不同電壓向量之時刻採樣電流,單電阻採樣即可採集馬達的兩相電流,達到三電流採樣的目的,這就是單電阻採樣的基本原理

 

(). 各相橋臂開關狀態定義

 

 

 

(). 橋臂開關狀態組合與集成母線電流狀態

 

 

另外值得一提的是三電阻採樣與單電阻採樣技術,在SVPWM週期的採樣位置是不同的,如空間向量脈寬調變其SVPWM週期是由電壓向量所組成,三電阻採樣只需採樣一次便可得到三相電流,請參考如(十四) 所示之範例,電流波形的左邊分別做兩次三相電流採樣,第一次在綠--紫時間區間做綠點採樣,第二次在紫--紅點時間區間做紅點採樣,每一次採樣皆可同時採得三相電流,但其電流採樣必需在SVPWM週期中的V0[1,1,1]向量區間內,因為唯有V0 [1,1,1]零向量時採樣,各橋臂下開關處於同時導通狀態 (參照圖(十五)所示),才能完整地採得三相之各相電流

 

 

(十四). 三電阻電流採樣與電壓向量狀態

 

  

 

 

(十五). V0[1,1,1]向量開關狀態與三電阻電流採樣

 

 

 

如前所了解單電阻集成母線電流採樣,且需在不同電壓向量時刻採樣,其具體的範例圖如(十六) 所示(十六) 為電流波形右邊兩次採樣範例每次分別得到兩相採樣電流,第一次在--紫時間區間做綠點與藍點兩個採樣,第二次在--紅時間區間做黃點與紅點兩個採樣,每次採樣皆需以兩個相電流採樣在不同之時間點,由於電流在一個 PWM週期內幾乎不變,因此可以在一個PWM週期內採樣兩次得到該時刻馬達每一相電流的狀態。單電阻採樣電流採樣區需在SVPWM週期的有效向量V1 ~ V6區間,SVPWM週期由兩個有效向量與零向量組成,如圖(十六)所示範例則需在V1 [0,1,1]V2[0,0,1]採樣得到兩個相電流,但為考量減少平均誤差,圖(十六) SVPWM週期中甚至各相電流多做一個採樣,所以一個SVPWM週期看到共有四個採樣樣本,圖(十七)(十八)展示於單電阻電流採樣時分別呈現V1 [0,1,1] V2[0,0,1]有效向量開關狀態做為參考

  

 

(十六).單電阻電流採樣與電壓向量狀態

 

 

 

(十七). V1[0,1,1]有效向量開關狀態與單電阻電流採樣

 

 

 

 

(十八). V2[0,0,1]有效向量開關狀態與單電阻電流採樣

 

 

 

單電阻採樣的好處除了降低系統的成本,還有就是它檢測三相電流時都基於相同的電阻偏移,所以一致性好。缺點也是明顯的,對於 MCU來說,演算法複雜而增加運算時間,程式碼比三電阻也要長一些;對於電流檢測而言,其波形失真比起三電阻方法來說,要稍微大一些,其一般對比如表()所示。單電阻採樣的性能對於一般變頻空調等應用是完全可以勝任的,而且成本低廉,這也就是為什麼大部份家電廠商都願意選擇單電阻採樣的原因所在。

 

 

(). 電阻採樣方法與電流諧波失真比較

 

 

 

 

 

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