电机控制系统中的相电流检测与数据处理

朱成海+王富东

摘 要：电流检测是现代电机控制技术中的重要环节。在工程上，电机电流的检测不仅要满足测量精度要求，还要考虑低成本、体积等实际问题。文章在对各种电流检测方法进行对比分析的基础上，采用三个采样电阻实现了电流检测。电流采样数据通过通信接口传送到个人电脑，并用MATLAB进行数据分析，进而得到对于实际采样数据的处理方法与有关参数，最终得到了可以用于电机控制的电流信号。

关键词：电机控制；相电流采样；数据通信；MATLAB数据处理

1 概述

现代电机控制系统中广泛采用矢量控制技术，而电机的相电流检测则是矢量控制的基础[1]。在工程应用中，电流检测既要满足精度要求，还要考虑体积、成本等一系列实际问题。常见的电流检测方法有以下几种：（1）使用电流互感器。但电流互感器存在体积大，成本高等缺点，而且一般适用于检测大电流。（2）使用霍尔电流传感器。这种传感器使用方法简单，而且可以做到高精度检测和快速响应。但由于其价格昂贵，会大大增加生产成本。张兰红通过在电机逆变器下桥臂串接电流传感器ACS712的方法对电机相电流进行了检测，该设计检测电流简单可靠、精度高。但由于ACS712价格较高，增加了生产成本[1]。（3）电阻采样。其基本原理就是在需要测电流的电路中串联一个小电阻，通过检测该电阻的压降，从而计算出实际电流的大小。这种方法成本低而且可以检测较小的电流，适用于电机相电流检测[2]。其缺点是采样电路与电机主电路不隔离，另外对采样电阻的精度要求很高，需要采用专门的采样电阻。叶维民使用双电阻相电流采样的方法来进行电机电流采样，并提供了相应的滤波算法，这种方法精度高、实时性好。但由于只测两相电流，第三相通过计算所得，由于电路不完全对称，第三相电流通过计算所得会存在误差[2]。本文通过三电阻采样，消除了电路不对称对第三相电流的影响。

无论采用哪种电流检测方法，采样得到的电机电流都存在一定的误差[3]。电机电流越大，干扰越严重，原始的电流采样数据根本无法用于矢量控制的计算。为此，先将实验中的电流采样数据通过通信接口传送到个人电脑，再通过MATLAB分析干扰信号的特征，采用合适的方法对原始采样数据进行处理（滤波），最后得到比较理想的电流波形。再将滤波算法移植到电机控制控制系统的CPU中，最终得到了满意的控制效果。

2 采样电路的设计

实验系统是一台400W的PMSM电机。由于PMSM电机的功率一般都比较小，所以采用电阻采样的电流检测方法是比较合适的。采样电阻安装在三相H桥的下部接地端，采样电阻上的电压信号经过放大电路处理后输入到单片机的A/D引脚上，如图1所示。之所以采用3个采样电阻而不是2个，是由于三相采样与信号处理电路难以做到精确一致，从而导致三相电流采样数据之和不为0。

电流检测的采样时刻选取在每个PWM周期的中点，确保在每一个PWM周期中都进行电流采样，这样可以保证电流采样的实时性，如图2（a）所示。此时，三相H桥的上臂都处于关断状态，下臂都处于导通状态[4]。如果忽略下臂驱动元件的导通电阻和二极管的导通压降，此时的等效电路如图2（b）所示。

显然，此时电路中的电流是续流电流。续流电流是不断衰减的，虽然续流电流并不等于实际电流，但应该与实际电流有一定关系。通过在电机电路中串联一个电流传感器（ACS712），将其输出与采样的到的续流电流信号进行对比，发现两者的波形基本是一致的。这说明确实可以将续流电流作为实际电流来进行分析和处理。

为了减少电阻上的损耗，采样电阻的阻值一般都在几十毫欧姆，采样电阻上的电压通常也就只有毫伏的数量级。而且续流电流有正有负，对于单电源的CPU需要將采样信号进行电平提升并放大。为此专门设计了相应的信号转换电路，如图3所示。

由图3可见，这是一个同相输入放大电路。由所给电路参数，可得如下关系：

如果采样电阻取50毫欧，CPU的A/D模块输入电压范围为0-5V，则可以得到测量电流范围为-10.6到10.6A，所用A/D模块为10位A/D模块，理论测量精度为0.02A，采样精度较高。

运放可以采用单片4运放电路，这样就可以用一片运放完成3路电流的信号转换。为了增加电路的抗干扰性，在电路中还可以增加电容滤波。

3 采样软件设计

为了保证采样时刻，需要采用专门的技术手段。在专门为电机控制所设计的CPU中，都配置有相应的三相PWM控制模块。例如TI公司的TMS320F2812DSP，该芯片内含有事件管理器EVA模块，可以直接输出三相对称PWM控制信号，用于控制逆变器的三相H桥的6个开关元件[5]。类似的器件还有飞思卡尔（Freescale）公司、微芯（Microchip）公司、仙童（Fairchild）公司的有关产品。

在这些芯片中，一般还有一个特殊事件触发器，用于产生某些特定功能的触发信号，例如触发A/D转换。微芯公司的DSC控制器就具有这种功能，该芯片可以在一个PWM周期的任意时刻产生触发信号。因此在程序设计中，只要在初始化中设置相应的控制寄存器，就可以很方便地实现在一个PWM周期的中点时刻触发A/D采样的功能。该DSC控制器的某些型号具有多路信号的同步采样功能，很容易就实现了3路采样信号的A/D转换。

这样实现的电流采样与电机控制的PWM是同步的，因此并不是整周期采样。电机控制PWM的载波频率一般在5KHz-20KHz之间，而电机运行正弦波的频率一般在400Hz以下。因此，在大多数情况下还需要进行一些数据处理。

4 采样数据处理

实验采用上述的400W的PMSM电机，转速为1000rpm。实际采样频率为2.65KHz，在电机达到额定转速时，相邻两次采样转子角度变化为2.62度，可以满足电机采样实时性的要求。由于各种误差与电磁干扰的影响，通过A/D转换得到的原始电流数据不能直接使用[6]。为了得到理想的电流信号，需要对采样数据进行深入的分析，从而得到对采样数据进行数据处理的方法与滤波器的有关参数。由于电机控制器的显示内容有限，在控制器上对数据进行分析是很困难的。为此利用CPU的通信接口，将一段时间内的采样数据传送到个人计算机上，再利用MATLAB进行数据分析与处理。

对采样数据进行频谱分析，通过频谱分析可以看出干扰信号的频率分布。由于单片机采样频率为固定值2.65KHz，而正弦波的频率是随电机转速的快慢而变化的，因此在一个正弦波周期中的采样个数不是整数，这在理论上会造成“频谱泄漏”，我们使用加窗函数的方法可以尽量减小频谱泄漏带来的影响。图4（a）为采样数据波形，图4（b）对应的频谱分析结果。

根据频谱分析图可以看出，电机中存在三次谐波和PWM载波引起的高次谐波的噪声干扰。理论上SVPWM输出的相电压波形为马鞍形，不是标准的正弦波，因此相电流中也应该含有三次谐波成分。

5 滤波算法

为了进一步使采样信号满足计算要求，我们将在PC机上用各种滤波算法对采样数据进行滤波处理。常用的数字滤波器分为有限长脉冲响应（FIR）和无限长脉冲响应（IIR）滤波器，无限冲激响应滤波器的设计是借助模拟滤波器转换的设计方法，一般有公式和图表可查询，另外还有一些典型模拟滤波器可供选择，这种方法相对比较简单[7]。有限冲激响应滤波器主要采用非递归结构，可以保证绝对的稳定。FIR与IIR根据阶次不同，又可以分为一阶、二阶和高阶等。理论上，滤波器阶次越高，滤波效果越好，但计算量也越大，一般我们只考虑一阶和二阶滤波器。为了比较几种滤波器的好坏，我们将采样数据分别做了一阶和二阶的FIR和IIR滤波。通过比较它们之间的计算量（Matlab计算时间）和总谐波畸变率（THD），对比了滤波效果。

Gn为所有谐波分量的有效制，G1为基波分量的有效制。

从表中可以看出，FIR的计算量比IIR要大一些、但是FIR的效果会比IIR好些。另外在实际单片机应用中，FIR算法具有线性相位，更易设计。因此，我们在实际应用中选择一阶FIR滤波算法。图5（a）为滤波后频谱分析图，图5（b）为滤波后电流矢量合成图。

6 结束语

精确的相电流检测是电机闭环控制中电流闭环的前提条件，是电机控制系统不可或缺的关键步骤。本文提出了一种新型的三个采样电阻实现电流检测的方法，通过MATLAB分析一臺永磁同步电机的电流采样数据特征，采用合适的方法对原始采样数据进行了处理，最后得到了比较理想的电流波形。再将滤波算法移植到电机控制控制系统的CPU中，最终得到了满意的控制效果。

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（20）：84-89.

[2]叶维明.电机矢量控制的相电流采样与滤波方法的研究[J].科技创新，2015，32：44-46.

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

[4]陈伯时.电力拖动控制自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5]宋雪雷，王永兴.基于DSP的PMSM控制器设计及相关问题分析[J].电力电子技术，2010，44（7）：33-34.

[6]高振天，郭立新.电机控制中的电流检测技术[J].机电工程技术，2012（8）：148-150.

[7]伍永锋.FIR数字滤波器的MATLAB设计及DSP的实现[J].计算机光盘软件与应用，2010（6）：153-154.

作者简介：朱成海（1991-），男，在读硕士，研究方向：工业自动化。