小容量变频器三电阻采样电流合成方法实现

王平，厉虹，王道武

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192)

0 引言

自上世纪80年代开始，随着新型电力电子器件、计算机技术和交流电机理论的不断发展，变频调速技术广泛应用于交流电机控制系统中。变频调速系统具有优良的性能和突出的节能效果，在纺织、化纤、塑胶、化学、风机、水泵等各个领域应用广泛[1]。随着工业技术的日益进步，对变频调速技术提出了更高要求，高性能矢量调速型变频器具有体积小，便于安装调试、维修简便、易于实现过程自动化等优异特性，在绝大多数交流电机调速控制系统中都要用到。

在高性能交流调速系统中，电流检测对实现电流反馈闭环控制和系统保护来说很重要。本文针对门机变频控制系统，提出一种在小容量变频器中逆变器下桥臂串联电阻采样，进行合成电流采样的电流检测方案。该方案电路结构清晰，易于实现IGBT模块保护，如直通保护和接地保护，还可以减小产品体积与生产成本，具有重要的工程实用意义。

1 电梯门机系统工作原理

图1为电梯门机驱动控制及机械传动系统。电机带动驱动轮，经同步带驱动从动轮旋转，同步带的两个连接块分别与左右轿门相连，当电机以顺时针和逆时针两种方式运行时，控制轿门作关门或开门动作，代替机械装置周而复始的往返运动，系统没有机械连接杆，而是用驱动轮经同步带带动电梯轿门，称为软传动方式，这种软传动方式具有故障率低，运行噪音小，机械结构简单等优点[2]。

图1 门机驱动控制系统及机械传动结构

门机变频器是专门用于控制垂直电梯门机系统的变频器，在门机变频调速系统中用于驱动交流异步电动机，将三相交流电流通过整流器进行全波整流和滤波，得到直流电源电压，再通过逆变器将直流电流转换为频率、电压均可调的三相交流电，采用SPWM调制方式使输出电压为正弦波，减少高次谐波、降低噪声、抑制电机发热，有效保证电梯的安全平稳运行[3]。

2 变频调速系统

2.1 变频器功能模块

电梯门机变频调速系统的核心是变频器，根据系统输入/输出变量，将变频器按功能分为4个部分:

(1)电源模块，为变频器的其他电路提供稳定的低压电源。

(2)主电路，包括二极管组成的整流电路，6路IGBT功率模块组成的三相逆变桥以及中间直流电路三部分，完成主直流电源的逆变输出。

(3)控制模块，主要监测各路输出电压、电流及频率，根据速度编码器的输入信号调整逆变电路的输出，通过控制DSP产生PWM波，实现变压变频调节电机转速。

(4)外围设备，采用平波电抗器改善三相电压输出波形，制动电阻用于消耗多余电流[4]。

变频器控制电路不仅要向三相逆变电路提供控制信号，还需不断采集主电路电压、电流及频率等数据，并根据收集的信息合理实时调整系统运行状态。控制电路以功率模块IGBT为逆变器开关元件，以TMS320F2812数字信号处理器DSP为控制器，实施电机驱动控制算法，实现电梯门机逻辑控制。

2.2 霍尔传感器电流检测

变频器输出的电流信号在电机调速系统中用于电流反馈控制。电流检测普遍采用的是在逆变器直流侧和交流侧安装电流霍尔传感器，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压信号输出，再通过运放和比较器构成的电路进行处理。如有过电流输出，则请求DSP的CPU响应中断，封锁脉冲，使逆变器停止工作。

霍尔传感器可以实时检测电动机三相定子电流，由于异步电动机三相绕组是对称的，因此在实际电路中只需要两个霍尔传感器检测两相电流，另外一相通过三相电流平衡计算得到，经过A/D转换为数字量，为电机控制算法提供电流信号。

霍尔传感器具有频率响应宽、动态范围广、性能稳定、易于集成等特点，但是检测出来的电流通常有较多的毛刺，因此在电流送入A/D转换前，需对其进行RC滤波处理，但滤波后仍存在许多低次谐波[5]，此外，霍尔传感器电流检测还存在温度漂移、电势不等位、寄生直流电动势、易受外界环境电磁波干扰等缺点[6]，高精度霍尔传感器价格较高，增加了变频器产品的成本。

3 三电阻电流检测方法

3.1 三电阻电流采样方案

考虑到用于驱动电梯门机的电机一般均为小容量，采用在逆变器的三个下桥臂中分别串联三个电阻采样，再经电压合成得到三相定子电流的电流检测方案。

图2为门机变频器的逆变器主电路，六个IGBT模块搭建成三相全桥式电路，三个下桥臂串入电阻 R1、R2、R3采样，并将该电阻接地，P、N代表直流母线电压极性。采样电阻上产生压降，大小取决于负载上的电流。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，则压降就小，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[7]。

图2 门机变频器逆变器电路

3.2 三电阻电流合成的MATLAB仿真实验

根据逆变器工作原理可知，逆变器的三个下桥臂通断时间不同，用电阻采样时会造成电流断续，需要在下桥臂全部导通时进行采样，然后将三个桥臂采样的电流进行合成。

首先进行三个下桥臂的电压采集，采集时间为零点时刻(T1下溢时刻)，即保证三个下桥臂都导通。取其中一路电流采样举例说明:根据电流平衡原理，图2中R3路电流的计算值为3=－(I1+I2)，把R1、R2两路检测的电压值相加取反后作为选择模块的一路信号，R3路检测的电压值送入选择模块的另外一路，三路的脉宽值不同，对三路脉冲进行保持。在采样时刻，比较三路电压脉宽值，从三路中选取最小的一路，与R3路电压值做比较，判断R3路电压值是否为最小，利用选择模块输出。如果直接检测的R3路电压值最小，则输出R1、R2两路合成电压，如果相反则可直接输出R3电压。由于零点时刻的电压反向，经过取反和比例系数的调理，把采样的电压信号变换成电流信号输出，便可读取连续的检测电流。其它两相电流合成方法同理可得。

基于MATLAB/Simulink实验结构框图如图3所示，图4和图5分别为电阻电压采样和电流合成子模块。

图3 实验结构框图

图4 电压采样模块

4 以DSP为控制核心的三电阻电流采样

4.1 基于DSP的电流采样思路

图5 电流合成输出模块

变频器的控制电路以功率模块IGBT为逆变器开关元件，以TMS320F2812DSP为控制器，完成实时性要求较高的矢量控制算法。设定PWM1/3/5输出均是高电平有效，当计数器T1CNT的值和比较单元的比较寄存器CMPRx的值相等时，进行比较匹配，PWM1/3/5路产生的波形翻转，电平为低;而 PWM2/4/6与PWM1/3/5的电平产生互补输出，电平为高。在计数器T1CNT增减一个周期后值为零，发生下溢中断T1UFINT，启动电流A/D采样，PWM2/4/6三路输出均是高电平，即逆变器的三个下桥臂导通，此时为电流采样时刻，可进行下桥臂电流采样，如图6所示。

在进行下桥臂电流采样时，信号会受到硬件电路感性负载以及电路中容性器件的影响，导致输出的信号波形发生畸变，故电流采样后需借助进一步的合成。电流合成的基本思路是:每次下溢中断 T1UFINT，实时比较 CMPR1、CMPR2、CMPR3的值，受采样开关、A/D采样窗口以及保持时间等因素的影响，在电流采样之后舍去脉冲宽度较小的一路电流值，由于三路电流值之和为零，这一路电流值由另外的两路电流值合成，反映出真实的电流。

图6 DSP电流采样模式

图7 电流采样流程图

逆变器下桥臂打开时，才能读出该相电流数值。每当桥臂开关状态有变化时，会对采样电阻上的电压产生电子干扰，设该干扰时间长度为Tn，当桥臂打开后，需要等待采样电阻上的电压达到稳定值，该等待时间长度为Tr，Tn和Tr期间不能读取电流，只能在PWM周期的时刻读取。电流采样流程如图7所示。

4.2 信号调理电路设计

由于逆变器下桥臂的电压采集与DSP端口之间电压范围不匹配，中间需要信号调理电路做连接。信号调理电路如图8所示，P和N是其中一个采样电阻的两端，若采样电阻上有电流时，在其上会产生压降，压降通过运算放大器U1A进行放大。输出的信号最终送到DSP，而DSP的端口电压只能处在0到3.3 V之间，但产生的压降信号是正弦信号，存在小于零的值。电路使用了偏移电压，把输出信号调理在0到3.3 V之间。图中5 V的直流电压通过电阻R19、R20、R21构成电阻分压电路。产生的偏移电压为:

运算放大器输出的电压信号是一个以1.55 V电压为基准线的正弦信号，最终输出信号完全满足在0到3.3 V之间;器件D2是钳位电压模块，确保最终的输出电压保持在0到3.3 V之间;U2是四路模拟开关用于控制采样时刻选择;U3A是施密特触发器，主要作用是增强抗干扰能力，尤其是可以把边缘非陡峭的信号变成矩形的信号，有利于控制的准确性[8]，经过调理后的信号送入DSP作合成计算。

图8 信号调理电路

5 实验结果及分析

本实验的电机参数:额定功率P=100 W，额定电压U=220 V，频率f=50 Hz，极对数 P=2，调制波频率为50 Hz，载波频率为10 KHz，采样电阻取15 mΩ，ode23tb算法。采用霍尔传感器检测电动机定子端的三相电流如图9所示。

图9 霍尔传感器检测的定子三相电流

图10 三电阻采样合成检测的定子三相电流

采用三电阻采样合成检测的定子端三相电流如图10所示。

在SPWM控制方式下，对比图9和图10可见，利用霍尔传感器测量的定子三相电流和逆变器下桥臂三电阻采样合成检测的定子三相电流波形基本一致，验证了这种方法的可行性。

在以TMS320F2812DSP为控制器，以功率模块IGBT为逆变器开关元件的实验平台上，经电流采样合成，调理电路处理后的电流波形如图11所示。在CCS编程环境下，三电阻采样合成的电流波形比较平滑，不存在谐波，对比霍尔传感器检测的电流，具有明显优势。

图11 CCS环境中合成的电流

6 结束语

通过仿真和硬件平台实验验证，在逆变器下桥臂串联电阻，采样合成的电流波形与霍尔传感器检测的电流波形是一致的，充分说明了方法的可行性。并且该方法具有实时性、受外界影响较小，低成本等优点，可用于小容量变频器中，进行电流反馈控制和电路保护，在实际的工程中具有重要的应用意义。

[1]张孝红.变频器节能作用概述[J].节能技术.2010，28(6):573 －575.

[2]王道武.三电阻电流采样门机变频器研究[D].北京:北京信息科技大学研究生学位论文，2012.

[3]史轶群.变频调速技术在电梯门机的应用[J].科技致富向导，2012，28(11):86.

[4]刘新辉，王淑红.变频调速系统电流采样及速度检测方案在DSP中的实现[J].电子质量，2006，27(5):7 －9.

[5]戴巨川，吴新开，文丽.电压型逆变器电流实时检测质量改善研究[J].电力电子技术，2008，42(2):60 －62.

[6]王旭，付亚平.霍尔传感器测量精度影响因素的研究[J].煤矿机械，2008，29(2):202 －204.

[7]Jim Lepkowski.Motor Control Sensor Feedback Circuits[K].Microchip Technology Inc，2003.

[8]王道武，厉虹，刘宏鑫.门机变频器三电阻电流采样及合成方法[J].北京信息科技大学学报(自然科学版)，2013，28(1):20－24.