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雅特力AT32 MCU实现高效直流母线单电阻电流感测技术

2023-11-21 11:32:42 来源:雅特力 点击:5682
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近年全球提倡发展工业自动化之际,节能减碳意识不断加强,直流无刷电机强调更高的能源转换效率,得到了广泛的应用。电机控制方案重点在于高速实时的控制,主要影响电机矢量控制精确度,而MCU则赋予电机高性能工作的能力,为此,雅特力开发出一套完整高效的电机控制生态系统,提供多系列适用于电机控制的MCU产品型号,如AT32F413、AT32F421等系列。

主流型AT32F413系列MCU,采用32-bit ARM® Cortex®-M4F 内核,高达200MHz主频具有高效处理能力,内存容量提供64~256KB Flash和16~64KB SRAM供选择,执行高频采样率的快速电流/速度/位置等控制回路计算,能轻松胜任、游刃有余,并保留MCU执行余裕,提供其它辅助功能程序运行,如通讯功能等,满足高速数据采集、混合信号处理、工业控制与电机应用要求。

如有成本考虑需求的用户,雅特力提供超值型AT32F421和AT32F4212系列MCU,主频达120MHz,内存为16~64KB Flash和8~16KB SRAM,外设扩展了1个高速轨到轨输入/输出电压比较器,1个采样率高达2Msps的12位15通道高速ADC,充分满足高速数据采集、混合信号处理和工业控制与电机应用需求。且AT32F4212在AT32F421原有基础上增加2路运算放大器OPA,有效简化电路设计降低物料成本。

此外,雅特力另提供免费的电机监控上位机软件,友善的UI接口,可实时监看电机运转参数、状态与动态显示响应波形,并可进行在线调试相关控制参数。这些功能强大的硬件开发工具包和易于使用的电机控制算法软件,从方波驱动到弦波驱动、霍尔传感器的反馈到无传感器的反馈,全方位支持工程人员实现高效电机向量控制方案。以下将详细介绍AT32 MCU直流母线单电阻电流感测技术。

一、前言

在三相交流电机磁场导向控制(field-oriented control,简称FOC)的应用中,电机电流为不可或缺的物理量反馈信息。为了节省系统成本,在电机电流为数十安培以下的应用,一般会使用电流感测电阻侦测电机电流。而感测的方法又分为高侧电阻电流感测、电机线路电阻电流感测以及低侧电阻电流感测等三种形式,其中高侧电流感测与电机线路电流感测,因须处理高共模电压问题而成本较高,故一般常用低侧电流感测形式。而低侧电阻电流感测又可分为三电阻电流采样、双电阻电流采样与单电阻电流采样,其中三电阻电流采样与双电阻电流采样,虽然电流检测算法比较简单,但因硬件电路增加故导致成本、体积与电路复杂性增加,而且流经每相电流感测电阻的电流有效值高于流经母线电流感测电阻的电流有效值,这使得控制器须使用较高功率额定的电流感测电阻而增加成本,也会增加额外的功率损失。因此在简化系统、缩小体积与降低成本的需求下,单电阻电流采样技术的应用日益普及,电动自行车、滑板车、吹风机、吸尘器、吊扇、空调风机/压缩机等应用场景,均可应用该技术。然而单电阻电流感测技术须在一个PWM周期的两个有效电压矢量期间取得两相电流信息,当有效电压矢量的时间不足以满足直流母线电流的测量时,需要将PWM相移以扩展有效电压矢量作用时间或于原零矢量区间产生有效电压矢量。但是这同时会造成PWM信号的变异而产生额外的电流谐波,为减少这个负面效应须使电流反馈信号能快速稳定并缩短ADC采样/转换时间,以减少PWM相移时间,降低电流纹波的产生。故本文使用ARTERY AT32 MCU内建的高速高性能ADC搭配对应的电流采样电路,进行单电阻电流感测技术采样的实际探讨。

二、单电阻电流感测技术采样原理

单电阻电流感测技术采样的方法乃在三相全桥逆变器的直流母线接地回路上,安装一个电流侦测电阻,如图1所示。原本这个电流感测电阻的主要功能为搭配比较器进行过电流侦测。但由于单电阻电流感测技术在不同的开关切换模式下,不同相之电流会流过此直流母线电流感测电阻,而且一个空间矢量脉宽宽度调变(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)周期中会包含两个有效电压矢量,因此可在一个PWM调变周期中获取两相的电机电流。

三相全桥逆变器电路

图1 三相全桥逆变器电路

表1为三相电压源全桥逆变器的开关切换状态与输出电压对应表。在表1中当三个上臂开关或三个下臂开关全开时,逆变器输出零矢量,此时电机电流于开关之间环流,不会流经直流母线电阻,因此无法感测电机各相电流。

表1 开关切换状态与输出电压/直流母线上电流

开关切换状态与输出电压/直流母线上电流

而当逆变器输出其它六个有效电压矢量时,直流母线电阻将会流过对应的相电流。例如以图2矢量V1与V2组合为例,当于V1电压矢量输出期间,U相上臂开关SUH导通,V相与W相下臂开关SVL、SWL导通时,逆变器电流由U相上臂开关SUH流进电机U相,再从电机V相与W相流出,经过SVL、SWL下臂开关流至直流母线电阻,因此电阻上可感测到U相电流。于V2电压矢量输出期间,逆变器电流由U相上臂开关SUH流进电机U相,以及从V相上臂开关SVH流进电机V相,再由电机W相流出,经过W相下臂开关SWL流至直流母线电阻,因此电阻上所感测的电流为W相电流的负值。由于电机为三相平衡系统,因此依据克西荷夫电流定律(Kirchhoff current law),可从而计算出第三相V相的电流。

依此类推其它另外4个有效电压矢量也可量到对应的其它相电流,如表1中所示。单电阻电流感测技术由于空间矢量脉宽宽度调变采用中央对齐调变模式,一般在一个脉宽宽度调变周期中心的左右各会包含两个有效电压矢量,如下图2所示,通常只需选择单边的两个有效电压矢量期间进行单电阻电流采样。

SVPWM输出V1与V2电压矢量示意图

图2 SVPWM输出V1与V2电压矢量示意图

单电阻电流感测技术采样主要的优点为精简电路与降低成本,仅需要一个电流感测电阻与一个放大电路,由于只有一个放大电路故没有放大器间增益与零点不同问题,不需要额外校正,同时也很容易实现过流保护。但是因单电阻电流感测技术采样需在有效电压矢量期间感测电流,若输出的矢量时间太短则无法正确采样,故须扩展该矢量时间,使得脉宽调变控制变得复杂,而且扩展了矢量时间之后,虽然总合成矢量不变,但是调整后的电压矢量可能会造成电流纹波。此外若受控电机的线圈电感较小,且两次电流采样间隔时间较长,则所获取的相电流可能会因此失真而不是正确的三相瞬时电流。

三、单电阻电流感测技术采样控制技术

为减轻上述单电阻电流感测技术采样缺点所造成的影响,首先探讨空间矢量脉冲宽度调变的主要两种限制情况。由于空间矢量电压是由两个相邻的有效电压矢量,藉由两个矢量的输出时间比例,控制电压矢量的相位。然而当所输出的空间矢量集中于单一电压矢量区间时,如图3所示的六边形边角,此时第二个电压矢量的区间极小,故无法取得第二个电流信息,必须适当调整输出的电压矢量,如图4所示。

SVPWM电压矢量与无法获得第二电流区域

图3 SVPWM电压矢量与无法获得第二电流区域

 

V2矢量时间太短无法采样示意图

图4 V2矢量时间太短无法采样示意图

为了能在电压矢量集中区域取得第二相电流信息,可将PWM责任周期介于中间的那一相PWM信号朝增加第二个电压矢量方向调整,如图5所示。

扩展V2电压矢量的PWM位移示意图

图5 扩展V2电压矢量的PWM位移示意图

由图中可知当PWM_V往左移时,左边的V1电压输出时间缩短,但右边的V1电压输出时间增长,所以整体V1电压输出时间不变。而V2电压矢量时间于左边虽有增长,但在右边却形成了一段相反的V6电压矢量,使得整体的V2电压矢量时间也是维持不变。

另外一种情况是当输出低电压时,逆变器的调变率小,使得两个有效电压矢量的输出时间均太短,而无法正确感测到实际电流数据,如图6所示。

SVPWM输出低电压矢量示意图

图6 SVPWM输出低电压矢量示意图

此时PWM_U左方有余裕,故将PWM_U信号向左平移,增加V1电压矢量输出时间。同理V2矢量波宽小,而PWM_W右方尚有余裕,故可将PWM_W向右平移,扩展V1与V2电压矢量的脉宽,如图7所示。

低电压调变PWM矢量位移示意图

图7 低电压调变PWM矢量位移示意图

PWM_U左移后右侧原先的V1矢量减少,并产生额外的V4电压矢量,抵销了左侧增加的V1矢量,而PWM_W右移后右侧原先的V2矢量减少,并产生额外的V5电压矢量,抵销了左侧增加的V2矢量,故位移后的整体电压矢量与原先的电压矢量相同。

由上述PWM位移调整程序可知,虽然整体输出矢量不变,但是会产生相反的电压矢量,而这可能会产生电机电流纹波,因此须尽可能缩短反相矢量的输出,故须缩短电流反馈信号稳定时间与ADC采样转换时间。

四、单电阻感测技术

欲使单电阻电流感测技术所需的感测时间得以缩短,近似于多电流传感器的性能,需要搭配高性能的硬件电路与模拟/数字转换器,兹将其各部分阐述如下:

1.电流感测电阻

在高频的PWM电流切换电路中,常会产生很高的电流变化率电流变化率,故在电流感测电阻上的寄生电感将会产生突波,而影响电流感测信号,必须等感应突波消失信号稳定后,方能正确采样,如此一来可采样的时间区间势必被缩短。因此必须慎选电流感测电阻。

再者由于电阻功率限制与温升散热的考虑,电流感测电阻的阻值通常很小,致使电阻上的电流感测信号也很小,为避免受到电力开关切换噪声的干扰,通常会采用四线式感测,反馈信号线采开尔文连接(Kelvin connection)走线,如下图所示。

电流感测电阻走线示意图

图8 电流感测电阻走线示意图

2.电流感测放大电路

电流感测电阻上的微小电压须经放大电路放大信号,由于电流仅在有效电压输出期间才流经直流母线电阻,因此在电阻上的电压为与PWM切换状态关联的脉宽信号,为了能在很短的时间感测电流状态,运算放大器的输出压摆率(slew rate)须选择大于4V/us以上,压摆率越大则运算放大器输出到达响应电压的时间越短。在电路架构部分通常采提升直流位准的的差动放大电路,以消除共模噪声如图9所示。由功率观点可知,逆变器输出功率时,直流母线电阻上的电压均为正,而当逆变器回生能量时,电阻上的电压为负,因此须考虑回生电流范围,提高放大器电流直流准位。

电流感测差动放大电路图

图9 电流感测差动放大电路图

3.模拟/数字转换器

除了硬件感测电流电路设计优化之外,负责采样的模拟/数字转换器是影响系统性能的关键因素。本文使用雅特力科技AT32F421C8T7 MCU,其内建12-bit高速模拟/数字转换器,ADC转换频率可高达28MHz,最短采样时间仅54ns,全部转换时间仅0.5ms,非常适合应用于单电阻电流采样的驱动器,可在极短的采样时间窗口正确采样。此外,ADC运作于高速频率转换时,须在模拟电源与地两接脚间并联一10mF电容,以提供高速转换时所需的瞬态电流。

五、实测结果

实验采用一个以AT32F421C8T7 MCU为核心的低压电机驱动器,使用一个5mW的母线电流量测电阻,实现单电阻电流感测技术,用FOC矢量控制方式驱动一个48V额定功率350W的轮毂电机。为能快速而准确获取电流信息,首先须确保运算放大电路输出有快速稳定的信号响应,下图10中通道1(CH1)波形为电流感测电阻上的电压,信道2(CH2)波形为电阻电压经运算放大器放大后的电压,信道4(CH4)波形为电机电流波形。图中显示放大后的信号响应快速且信号抖动小。

电机电流与感测信号波形图

图10 电机电流与感测信号波形图

当逆变器输出电压较小时,有效电压矢量脉宽小而没有足够的时间采样,如图11所示。图中浅蓝色波形为直流母线电流感测电阻上电压经放大后的信号,因信号宽度太窄无法采样。

低电压输出时PWM与电流反馈波形图

图11 低电压输出时PWM与电流反馈波形图

得益于快速ADC转换器与优化的电流感测电路,因此最小采样时间窗口仅设定为2ms,若输出电压矢量时间未达2ms,则如文中所述方法,进行PWM脉宽相位调整。针对图11的情况,将U相与W相PWM信号分别左右平移,于左侧PWM矢量区间各空出波宽2ms的V1与V2矢量,分别获取U相与W相负值电流如图12所示。

低电压输出PWM相移与电流反馈波形

图12 低电压输出PWM相移与电流反馈波形

另一种情况当电压矢量偏向单一相量时,如图13的情况,图中PWM矢量集中在V2的情况,无法采样V1矢量所对应的U相电流,此时V相PWM须向右平移,使V1矢量的信号波宽达2ms,平移后的结果如图14所示,调整后就可以顺利采样。

PWM矢量集中与电流反馈信号状况

图13 PWM矢量集中与电流反馈信号状况

 

集中矢量PWM相移与电流反馈波形

图14 集中矢量PWM相移与电流反馈波形

图15显示了以单电阻电流采样技术进行电流控制时的U相电流波形,由图中可知采单电阻采样三相电流,可达到与多电流传感器反馈方式相近的电流控制结果。

单电阻电流反馈下的U相电流波形

图15 单电阻电流反馈下的U相电流波形

虽然相移PWM可获得足够的电流采样时间窗口,而且维持整体电压矢量不变,但是可能会在同一个PWM周期中,输出相反电压矢量,而造成电流纹波,如图16所示在静止输出零电压时,由于相移时间可限制于2ms 以内,故U相电流在16kHz PWM频率下仅产生峰对峰0.2A的电流纹波,因此在实务应用上须尽可能缩小电流采样时间窗口。

零电压输出时的U相电流波形

图16 零电压输出时的U相电流波形

六、结语

单电阻电流采样具有电路结构简单系统成本低廉的优点,所以受到厂家广泛的应用,但是需要小心处理因矢量区间太小而需要位移PWM的问题,以及位移PWM后所产生的电流纹波问题。解决的方法除了获得快速稳定的电流反馈信号外,最重要的是搭配一个具有快速转换ADC的MCU,以便能缩短采样与转换时间,尽可能减少PWM的位移量以减少电机电流纹波,使单电阻电流感测控制器具有和一般控制器相同的响应性能,雅特力AT32 MCU的性能优势在此得到充分发挥,助力客户快速解决难题。

雅特力AT32全系列采用ARM® Cortex®-M4/M0+ 32-bit MCU,出色的运算效能和核心技术,超越市场同级芯片,提供多种封装尺寸及不同容量Flash和SRAM选择,复杂外设优势满足各类市场应用需求,芯片可运行于工业级温度范围-40~105oC。从2018年对外销售至今已累积超2亿颗,并取得多项产品优质奖项,同时兼具高性能、高可靠度和良好的服务质量,每颗产品皆通过测试,提供在地化技术支持,目前已广泛应用至各类市场,如物联网、工业控制、电机、新能源、汽车电子、消费电子等等。

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