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基于MOSFET內阻的電流采樣及相電流重構方法
電流的采樣對電機矢量控制是非常重要的。在低成本應用場合，采用MOSFET導通電阻的電流采樣方法具有競爭優勢。本文對檢測MOSFET開關管導通管壓降來獲取電流的原理進行了闡述，提出了電機矢量控制中電流采樣及相電流重構的方法。最后，基于Microchip dsPIC30F5015芯片結合矢量控制平臺進行了實驗，論證了該算法的正確性和可行性。
20世紀70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制電機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對電機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電機轉矩的目的。
在交流電機矢量控制策略中，相電流采樣性能是一個重要的指標。在對成本要求高的應用場合，如何低成本地獲得好的電流采樣性能成為關鍵問題。
本文在分析MOSFET電流采樣原理的基礎上，提出空間矢量PWM(SVPWM)控制方式下交流電動機相電流重構技術。該技術利用三個MOSFET下管的導通壓降來獲取電流信息，根據逆變器所處開關狀態和三相電流關系，計算出各相電流，實現交流電動機的相電流重構。
一、MOSFET電流采樣原理
隨著微電子技術的發展，采用MOSFET作為電流檢測的手段已得到越來越廣泛的關注。MOSFET作為多子器件，在飽和導通時具有電阻特性。圖1是MOSFET的導通電阻特性曲線圖。由圖1可見，當VGS大于9V時，MOSFET飽和導通，漏源為恒定電阻，并且阻值很小。不同型號的MOSFET有不同的漏源導通電阻值。
當MOSFET功率開關流過通態電流時，由于通態導通電阻的存在，在其導通溝道上有一定的壓降，又因器件的導通電阻基本穩定，該壓降與器件的通態電流成正比。所以，檢測出MOSFET開關器件的通態壓降也就檢測到流過器件的電流大小。另外，MOSFET的通態電阻具有一定的溫度系數，在工作環境溫度變化較大的情況下，根據MOSFET通態電阻和溫度的曲線關系，修正導通內阻可以消除溫度對檢測精度影響。這種電流檢測電路簡化了設計，節約了成本和空間，尤其是避免了檢測電阻的引入對電路造成的額外功率損耗。
二、基于MOSFET內阻的電流采樣重構方法
永磁同步電機的磁場定向控制(FOC)目前采用最廣泛的是空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)，其主要思想為：以三相對稱正弦波電壓供電式交流電動機的定子理想磁通圓為參考基準，用逆變器不同的開關模態所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，并由它們比較的結果決定逆變器開關狀態，形成指令的PWM波形。基于MOSFET內阻的電流采樣原理如圖2所示，定義三相上橋臂的開關管狀態分別為Sa、Sb、Sc，導通時定義為狀態“1”，關斷時定義為狀態“0”。可形成8個空間電壓矢量，其中6個非零空間電壓矢量為V100、V110、V010、V011、V001、V101，2個零矢量為V000、V111將空間電壓矢量平面分為6個扇區。
如圖3所示，以第一扇區為例參考電壓矢量V由V110和V1002個基本矢量合成，作用有效時間分別為t1和t2。電壓矢量V經調制的PWM波形如圖4所示。其中在基本矢量V100作用的t2時間內逆變器上橋臂只有A相橋臂導通，B、C相下橋臂導通，形成回路。此時，通過采樣B、C相下橋臂MOSFET的導通壓降，而獲得B、C相的相電流-ib、-ic。依此類推，得到不同扇區可以檢測的相電流，如表1所示。
在一個PWM周期內，1個基本電壓矢量(1相上橋臂導通，2相下橋臂導通)作用時，通過采樣2相下橋臂MOSFET的導通壓降，獲得2相的相電流，結合表1的對應關系，通過ia+ib+ic=0計算得到全部的相電流信息。
根據前面所述的基于MOSFET內阻電流采樣的原理，在每個PWM周期中電流采樣觸發1次。由于在開關管開通和關斷的時候電流產生較大的脈動，所以采樣時刻設在1個基本電壓矢量的中間時刻。電流采樣時刻如圖5所示。根據上面分析的重構原理得到電機的三相電流。
上述只考慮了理想情況，實際上電流采樣和電流重構的成功實施必須滿足一個最基本的條件，即當非零空間電壓矢量作用時電流采樣要有足夠的采樣窗口，其作用時間應大于完成一次電流采樣所需的最短時間Tmin，即：Tmin = Td+ Tad+ Tsett (1)式中，Td為逆變器的死區時間;Tad為A/D采樣和保持時間;Tsett為采樣電流完全建立需要的穩定時間。而當參考電壓矢量處于SVPWM波低調制區域或在非零空間電壓矢量附近時，就不能滿足上述條件。通常采用不對稱PWM波可以解決這個電流檢測的局限性。不對稱PWM波可以保證在整個PWM周期脈沖占空比不變的情況下，獲得足夠的電流采樣時間。具體實現方法可參考文獻。
三、實驗驗證
Microchip公司的dsPIC30F5015是一款高性能的16位處理器[9-10]。當A/D轉換精度為10位時，最大轉換速度為1Msps，支持對四個模擬輸入引腳進行同時采樣。內含的電機控制PWM(MCPWM)模塊簡化了產生多種同步脈寬調制輸出的任務，PWM發生器是通過一個內含15位的遞增/遞減計數器(PTMR)來產生PWM輸出，PWM輸出支持帶雙更新的中心對齊模式，從而實現所需要的不對稱PWM波。PWM模塊有一個事件觸發器，允許A/D轉換與PWM時基同步，實現A/D采樣和轉換時間發生在PWM周期中的用戶設定點，完成預定時刻的電流采樣。
在電流采樣過程中，dsPIC30F5015通過內部設置A/D采樣時間Tad為2.1us，死區時間Td為2.5us ，建立時間Tsett約為1us。為了能夠正確的重構相電流信號，最小檢測時間Tmin設置為8us，同時這個時間可以根據實際情況進行恰當的增加和減少。
本實驗選取的電機為24極36槽電動自行車輪轂電機，工作電壓48V，最高轉速500rpm，通過500W的電機變頻器控制電路進行實驗。在輕負載狀態下電機轉速500rpm時正常運行，實際檢測到的電動機A相電流波形如圖6所示。從測試結果可以看出，電流波形平滑，效果很好。表明相電流采樣及重構方法有效。
四、結語
基于MOSFET內阻的電流采樣及相電流重構的方法具有電路結構簡單、成本低、精度高、易實現等優點，尤其是避免了檢測電阻的引入對電路造成的額外功率損耗，在低壓交流電動機的變頻控制領域中具有很高的應用價值。本文對檢測MOSFET開關管導通管壓降來獲取電流的原理進行了闡述，提出了電機矢量控制中電流采樣及相電流重構的方法。實驗證明基于MOSFET內阻的電流采樣及相電流重構的算法能實現全區域的電流采樣及重構。
一種基于mos壓降的新型電流采樣方法
技術領域
1.本發明涉及數據采樣領域，尤其涉及一種基于mos壓降的新型電流采樣方法。
背景技術：
2.在電機驅動器電流采樣方案中，為考慮成本，一般會采用橋臂中串聯電阻或者基于mos管壓降電流計算方式，但是當電流過大時，電阻上發熱情況越發嚴重，影響整機的效率，mos管壓降的方式如果不進行補償，采樣精度往往很難得到保證。第二種方案精度差的原因是，在使用中，由于mosfet自身溫度特性導致內阻變化，從而導致壓降的變化，使得采樣電流與實際電流出現較大的偏差，無法通過采樣電流值實現正常的控制。
3.中國專利cn 108768139a公開了一種壓降型功率級電路中電流檢測誤差補償方法及電路，采樣抵消電壓，并作為反饋信號反饋到電流采樣模塊；所述抵消電壓作為輸入信號補償抵消功率mos器件上的寄生電感帶來的干擾信號。將抵消電壓作為反饋信號反饋到電流采樣模塊，作為輸入信號補償，能夠用于抵消由于功率級電路寄生電感所帶來的干擾，從而得到更準確的電流過o檢測信號和電流過大信號。
4.中國專利cn 102495265b公開了一種mosfet開關元件的電流采樣電路，所述開關元件的第一端和采樣模塊的第一輸入端相連，并作為電流輸入信號端，所述開關元件的第二端和采樣模塊的第二輸入端相連，并作為mosfet開關元件電流輸出信號端，所述采樣模塊的輸出端作為采樣電流輸出信號端，所述采樣模塊直接采樣mosfet開關元件的第一端和第二端的電壓差，所述采樣模塊的第一輸入端和第二輸入端之間可允許的最大電壓差值為采樣模塊兩個輸入端之間的耐壓值；所述采樣模塊包括的鉗位模塊增加采樣模塊的耐壓值，阻斷從采樣模塊的第一輸入端端到第二輸入端之間形成電流通路，提高mosfet開關元件的電流采樣電路的工作電壓范圍。
5.現有技術中提供了多種電流采樣方法，例如通過電阻采樣和mos壓降電流采樣綜合的方法，實現兩種電流采樣互為補充，優化電流采樣精度。而上述兩個專利則是分別針對引入電壓和提高工作電壓范圍的角度去提高采樣的效率，但是都未對mosfet溫度升高做出補償，導致在實際工作中的電流采樣值會大于實際值。
6.本發明在現有硬件方案的基礎上采集橋臂中點電壓，同時通過引入mosfet的結溫與損耗關系、結溫與mos內阻的關系以及結溫與采樣點溫度的關系，形成對應的函數關系作為補償公式，帶入采樣計算電流值中進行使用，實現在不同電流，不同溫升的情況下對采樣值進行精確補償，以保證電流采樣的精度。
7.此外，一方面由于對本領域技術人員的理解存在差異；另一方面由于申請人做出本發明時研究了大量文獻和專利，但篇幅所限并未詳細羅列所有的細節與內容，然而這絕非本發明不具備這些現有技術的特征，相反本發明已經具備現有技術的所有特征，而且申請人保留在背景技術中增加相關現有技術之權利。
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