互补非零矢量单传感器相电流重构策略_申永鹏.pdf

2023 年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.8 第 38 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220071 互补非零矢量单传感器相电流重构策略 申永鹏1 武克轩1 吴成中2 梁伟华1 张细政3（1.郑州轻工业大学电气信息工程学院 郑州 450002 2.湖南大学机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心 长沙 410082 3.湖南工程学院电气与信息工程学院 湘潭 411104）摘要 针对传统单传感器直流母线采样系统中相电流重构盲区问题，该文分析传统空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术的电流采样方法和重构盲区产生的原因，精确地划分电压空间矢量平面的各个区域。提出一种互补非零矢量脉宽调制（CNSVPWM）方法，通过在中调制区添加互补非零矢量来延长电流采样窗口的时间，满足直流母线电流最小采样时间要求，消除了电流重构盲区，拓展了电机的运行范围。仿真及实验结果表明，采用 CNSVPWM 方法电流总谐波畸变率（THD）低于 6.15%，重构误差低于 3%，电机在动态工况下运行正常。关键词：直流母线采样 单传感器 空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）相电流重构 中图分类号：TM341 0 引言 交流电机因其高可靠性、高功率密度、高控制精度等优点广泛应用于工业生产、交通运输、军用航天等领域1-3。传统的交流伺服控制系统中，电机相电流是矢量控制系统的核心参数，相电流检测对提高控制系统性能具有重要意义4-5。传统的矢量控制系统至少需要两个电流传感器来实现电流的精准采集，达到闭环控制。多个传感器既增加系统成本，又因传感器之间的不一致性影响电机控制性能6-7。单电流传感器技术（Single Current Sensor Technology,SCST）通过直流母线侧电流的分时采集，实现了单传感器相电流采样，在降低系统成本的同时避免了多个传感器参数不一致对系统性能造成的影响，成为电驱动控制系统领域的研究热点8-9。单传感器相电流重构技术的主要难点在于，受最小采样时间的限制，在电压矢量空间的低调制区和扇区边界会不可避免地出现电流重构盲区，无法进行可靠的相电流采样10-14。针对电流重构盲区，一些研究方法通过修改脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）方式，增大电流采样窗口来消除重构盲区15-19。文献20提出了一种混合脉宽调制方法，通过在每个 PWM周期的开始和中间时刻插入测量矢量，获得短暂的采样窗口，实现不可观测区的相电流重构。文献21采用三态脉宽调制技术，使用了三个相邻的开关状态来合成参考电压，在一定程度上缩小了电流重构盲区。文献22-23提出开关状态移相（Switching State Phase Shift,SSPS）脉宽调制算法，利用 PWM波形的移相，增加电流观测窗口的时长，扩大了相电流重构范围，降低了电流谐波。文献24通过插入测量和补偿矢量提出了采样电压空间矢量脉宽调制（Sampling voltage Space Vector Pulse Width Modu-lation,SSVPWM）方法，减少了采样点的更新频率，避免了电流振荡引起的采样误差，实现相电流重构。文献25采用永磁同步电机无位置传感器电流预测法，分析了引入高频电压信号导致的重构误差，利用固定采样点预测 d-q 轴电流，实现了非观测区的部分电流检测。文献26对逆变器的死区效应、开关延时、通断损耗进行分析，在每个开关脉冲中进行补偿，保证了输出电压的准确性，降低了电流谐波。针对单传感器相电流重构盲区问题，本文提出了一种互补非零空间矢量脉宽调制（Complementary 国家自然科学基金面上项目（62273313,62173134）、河南省科技攻关项目（222102240005）、河南省青年骨干教师培养计划项目（2021GGJS089）、郑州市协同创新专项项目（2021ZDPY0204）和河南省自然科学基金项目（222300420373）资助。收稿日期 2022-01-16 改稿日期 2022-09-09 第 38 卷第 8 期 申永鹏等 互补非零矢量单传感器相电流重构策略 2127 Non-zero Space Vector Pulse Width Modulation,CNSVPWM）方法，通过划分调制区域，定义直流母线电流的最小采样时间，在空间电压矢量平面的中调制盲区插入互补非零矢量，增大电流采样窗口，实现了中调制盲区的电流采样和重构。1 直流母线采样 SVPWM 控制是一种通过逆变器使电机的磁链生成圆形的旋转磁场以产生恒定电磁转矩的控制方法。逆变电路三相桥臂的开关状态均以 Sx（x=A,B,C）表示，Sx=1 为上桥臂导通，下桥臂关断；反之，用 Sx=0 表示。对逆变器三相开关的导通状态进行组合产生八种电压矢量，分别为：V1(100)、V2(110)、V3(010)、V4(011)、V5(001)、V6(101)6 个有效电压矢量以及 V0(000)和 V7(111)2 个零电压矢量。六种有效电压矢量将电压空间平面划分为对称的 6 个扇区，电压空间矢量平面如图 1 所示。图 1 电压空间矢量平面 Fig.1 Voltage space vector plane diagram 1.1 直流母线采样原理 在交流电机驱动系统中，每个控制周期内至少需要获取两相电流信息，才能完成电机的闭环控制。单传感器相电流重构方法中，将电流传感器安装在直流母线侧。通过每个 PWM 周期内两个不同有效矢量的作用对母线电流进行采样，得到相电流信息。根据开关状态的不同，直流母线电流也会随之变化。以 V100和 V110为例，当 V100作用时，直流母线电流 idc=ia；当 V110作用时，直流母线电流 idc=-ic，逆变器的导通状态如图 2 所示。由基尔霍夫电流定律计算得出三相电流为 abc0iii+=（1）不同电压矢量作用时，直流母线电流与相电流的对应关系见表 1。（a）V100 （b）V110 图 2 电压矢量 V100和 V110作用时直流母线电流 Fig.2 DC bus current under voltage vector V100 and V110 表 1 各扇区母线电流与开关状态的关系 Tab.1 DC bus current and switching state of each sector 扇区 基本电压矢量 母线采样电流 计算电流 V100 V110 ia-ic ib=-ia-ic V110 V010-ic ib ia=-ic-ib V010 V011 ib-ia ic=-ib-ia V011 V001-ia ic ib=-ia-ic V001 V101 ic-ib ia=-ic-ib V101 V100-ib ia ic=-ib-ia 1.2 电流重构盲区 在实际电路中，由于逆变器中开关器件的响应特性，直流母线电流需要一段时间才能达到稳定状态，导致电流采样不能瞬时完成，理想电流信号和实际电流信号对比如图 3 所示。直流母线电流达到稳定状态的时间中，Td是为了避免逆变器上下桥臂发生导通的死区延迟时间，Ton为功率开关器件的导通时间，TAD为模数转换所需的延时时间，Trise和 Tsr分别为电流突变上升时间和电流达到稳态的振荡时间。为了满足直流母线电 2128 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 图 3 理想电流信号和实际电流信号对比 Fig.3 Comparison diagram of ideal current signal and actual current signal 流采样要求，定义电流采样所需的最小时间 Tmin为 mindonADrisesrTTTTTT=+（2）电流采样窗口如图 4 所示，有效矢量 V110作用下采样窗口时间 TspTmin，无法保证电流-ic被准确采集。图 4 电流采样窗口 Fig.4 Current sampling window 为了使采样窗口时长满足 Tmin，对传统 SVPWM方法下参考电压矢量及作用时间进行分析，得()refs1 12 20 0ref1sdcref2sdc0s12refdccosjsin3sin33sin3TTTTTTUTTUTTTTMU+=+|=-|=|=-|=|VVVVVVV（3）式中，T1、T2为有效矢量的作用时间；Vref和 为参考电压矢量及旋转角度；Udc为直流母线电压；T0为零矢量作用时间；Ts为一个 PWM 控制周期作用时间；M 为调制度。图 5 是按照最小采样时间对扇区内部的划分，主要包括过调制区、中调制区、低调制区和可观测区，当有效电压矢量作用时间小于 Tmin时，无法采样电流的准确信息，扇区中的部分区域不能实现完整的相电流重构，这些区域称为电流重构盲区。表2 为各调制区域有效矢量作用时间。图 5 扇区电压调制区域 Fig.5 Modulation area in sector I 表 2 各调制区有效矢量作用时间 Tab.2 Action time of vector in each modulation area 区域 矢量作用时间 过调制区 1s2s3322TTTT或 中调制区 1min2minTTTT或 可观测区 1min2minTTTT或 低调制区 1min2minTTTT且 2 CNSVPWM 方法 2.1 CNSVPWM 原理 为了改进中调制盲区的电流重构效果，提出了CNSVPWM 方法，扇区的 CNSVPWM 基本原理如图 6 所示。（a）SVPWM （b）CNSVPWM 图 6 扇区的 CNSVPWM 基本原理 Fig.6 Principle of CNSVPWM in sector VF1和 VF2用于合成参考电压矢量 Vref，在中调制区添加 V110延长 VF2矢量，同时用互补非零矢量V001在相反方向加以抵消，互补矢量作用时间满足 000 000111022TTT=+VVV （4）插入互补非零矢量作用效果与零矢量相同，根 第 38 卷第 8 期 申永鹏等 互补非零矢量单传感器相电流重构策略 2129 据伏秒平衡原理，补偿后的电压矢量满足 refs1 12 20 000refs1 12 200111022TTTTTTTTT=+|=+|VVVVVVVVV （5）由于扇区两侧中调制区需要延长的有效矢量不同，所以在采用 CNSVPWM 方法后各扇区会产生两组 PWM 脉冲波形，对应扇区前后两侧需要延长的有效矢量。表 3 为 CNSVPWM 的矢量切换顺序。表 3 CNSVPWM 矢量切换顺序 Tab.3 CNSVPWM vector switch sequence 扇区 前 后 5-1-2-1-5 1-2-4-2-1 3-2-6-2-3 5-3-2-3-5 1-3-4-3-1 3-4-6-4-3 5-4-2-4-5 1-5-4-5-1 3-5-6-5-3 5-6-2-6-5 1-6-4-6-1 3-1-6-1-3 2.2 CNSVPWM 重构原理 CNSVPWM 相电流重构原理如图 7 所示。传统SVPWM 方法下扇区的 PWM 控制周期内，只能在电压矢量 V110作用时采样得到电流-ic，在 V100作用时无法得到相电流信息。图 7b 采用互补非零矢量脉宽调制方法，中调制区添加互补矢量 V1(100)和 11(011)-V，延长后电流采样窗口时间 Tsp1和 Tsp2均满足最小采样时间要求，对应两相电流-ic和 ib。各扇区前后 CNSVPWM 方法如图 8 所示。（a）SVPWM （b）CNSVPWM 图 7 CNSVPWM 重构原理 Fig.7 Reconstruction principle of CNSVPWM 图 8 各扇区前后 CNSVPWM 方法 Fig.8 CNSVPWM in every sector front and bac