倍频单电阻电流采样方法及其装置与流程

1.本发明涉及单电阻电流采样技术。


背景技术：

2.变频器一般为三相输出，用来控制三相交流电机。变频器一般需要三相电流信号来实现电机控制，同时，也要根据三相电流信号实现对变频器和电机的保护。三相电流信号的获得方式有很多种，通过采样电阻获得电流信号是常用的电流采样方式。根据采样电阻的个数，电流采样方法可以分为三电阻电流采样、两电阻电流采样和单电阻电流采样，其中单电阻电流采样的硬件成本最低。当对系统成本要求较高时，单电阻电流采样是一种比较好的选择。
3.单电阻电流采样采集的是母线电流，然后通过重构的方式获得三相电流。为了保证能够准确地获得三相电流，单电阻电流采样方法对采样窗口和采样时刻有一定要求，为了满足这些要求，现有技术中在一个载波周期一般只采集一组电流信号，也就是电流采样频率与载波频率相同，这也导致电流信号采样精度不高。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种倍频单电阻电流采样方法，使用该方法可以在一个载波周期内采样两组电流信号，提高电流采样频率和电流采样精度。
5.本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种倍频单电阻电流采样装置。
6.本发明实施例的一种倍频单电阻电流采样方法，包括以下步骤：
7.a、对pwm控制算法计算出的三相占空比d[a]、d[b]、d[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为d1[a]、d1[b]、d1[c]、以及d2[a]、d2[b]、d2[c]；其中，d1[a]、d1[b]、d1[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的其中一者的三相占空比，d2[a]、d2[b]、d2[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的另一者的三相占空比；
[0008]
b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻t
s1
、t
s2
、t
s3
和t
s4
；
[0009]
c、按照调整后的三相占空比输出三相电压；
[0010]
d、在电流采样时刻t
s1
、t
s2
、t
s3
和t
s4
分别进行电流采样，根据电流采样结果分别重构出载波周期的前半个周期和后半个周期的三相电流，进而获得载波周期的三相平均电流。
[0011]
本发明还提供了一种倍频单电阻电流采样装置，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行上述的倍频单电阻电流采样方法。
[0012]
根据本发明实施例的倍频单电阻电流采样方法及其装置可以在一个载波周期内，实现两组电流信号的采样，进而可以得到该载波周期的三相平均电流，从而提高单电阻电流采样方法的电流采样精度。
附图说明
[0013]
图1示出了根据本发明实施例的倍频单电阻电流采样方法的流程示意图。
[0014]
图2示出了根据本发明实施例的四次采样时刻的示意图。
[0015]
图3示出了本发明实施例按照调整后的占空比输出的单相电压的示意图。
具体实施方式
[0016]
请参考图1。根据本发明实施例的倍频单电阻电流采样方法，通过三相逆变电路母线上设置的采样电阻采样母线电流，包括以下步骤：
[0017]
a、对pwm控制算法计算出的三相占空比d[a]、d[b]、d[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为d1[a]、d1[b]、d1[c]、以及d2[a]、d2[b]、d2[c]；其中，d1[a]、d1[b]、d1[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的其中一者的三相占空比，d2[a]、d2[b]、d2[c]为载波周期的前半周期或后半周期中的另一者的三相占空比；
[0018]
b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻t
s1
、t
s2
、t
s3
和t
s4
；
[0019]
c、按照调整后的三相占空比输出三相电压；
[0020]
d、在电流采样时刻t
s1
、t
s2
、t
s3
和t
s4
分别进行电流采样，根据电流采样结果分别重构出载波周期的前半个周期和后半个周期的三相电流，进而获得载波周期的三相平均电流。
[0021]
上述的倍频单电阻电流采样方法，其中，步骤a包括：
[0022]
a1、对pwm控制算法计算出的三相占空比d[a]、d[b]、d[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值d
max
、中间值d
mid
、最小值d
min
，并记录最大值d
max
、中间值d
mid
和最小值d
min
对应的相为a相、b相还是c相，令max代表占空比最大值对应相的序号，mid代表占空比中间值对应相的序号，min代表占空比最小值对应相的序号；当出现三相占空比都相等的情况时，先指定任意一相占空比为最大值，然后指定剩余两相占空比中的任意一相占空比为中间值，剩余一相占空比为最小值；当出现两相占空比相等时，指定相等的两相占空比中的任意一相占空比为较大值，另一相占空比为较小值；
[0023]
a2、计算d
max
与d
mid
的差值d
xd
、以及d
mid
与d
min
的差值d
dn
：
[0024][0025]
其中，d
max
、d
mid
和d
min
的分别是三相占空比d[a]、d[b]、d[c]中的最大值、中间值和最小值；
[0026]
a3、根据d
xd
和d
dn
获得第一临时计算变量d
xd1
、第二临时计算变量d
dn1
、第三临时计算变量d
xd2
、以及第四临时计算变量d
dn2
：
[0027][0028]
上式中，δd
xd
和δd
dn
为分别为d
xd
和d
dn
的调整量，δd
xd
和δd
dn
的取值方式为：在以
下六组δd
xd
和δd
dn
的计算公式所求解出的六组δd
xd
和δd
dn
中，选择δd
xd
和δd
dn
之和最小的一组解作为实际使用的δd
xd
和δd
dn
；
[0029]
所述六组公式分别如下所示:
[0030][0031][0032][0033][0034][0035][0036]
其中，d
ts
＝t
s
*2/t，t为载波周期，ts为预设的最小采样窗口；函数fun1()和fun2()的定义如下：
[0037][0038][0039]
对通过上述公式计算得到的d
xd1
、d
dn1
、d
xd2
、d
dn2
还要按照以下限制规则进行限制，获得最终的d
xd1
、d
dn1
、d
xd2
、d
dn2
：
[0040]
如果d
xd1
与d
dn1
之和大于1，d
xd1
与d
dn1
中的较小者不变，d
xd1
与d
dn1
中的较大者变为1减去较小者；
[0041]
如果d
xd2
与d
dn2
之和大于1，d
xd2
与d
dn2
中的较小者不变，d
xd2
与d
dn2
中的较大者变为1减去较小者；
[0042]
a4、根据d
xd1
、d
dn1
和d
xd2
、d
dn2
计算出d1[a]、d1[b]、d1[c]和d2[a]、d2[b]、d2[c]：
[0043]
[0044][0045]
其中，d
z1
的取值范围为[0，1
‑
d
xd1
‑
d
dn1
]；d
z2
的取值范围为[0，1
‑
d
xd2
‑
d
dn2
]；函数sign1()和函数sign2()的定义如下式所示：
[0046][0047]
。
[0048]
以下结合一具体的实施例对本发明的倍频单电阻电流采样方法的工作过程进行进一步说明。
[0049]
本实施例首先将pwm控制算法计算出的三相占空比进行调整，然后计算四次电流采样的时刻，最后根据采样得到的母线电流分别重构出前半个载波周期和后半个载波周期的三相电流，进而得到该载波周期的三相平均电流。本实施例的倍频单电阻电流采样方法应用于变频器，变频器的载波周期为t，最小采样窗口为t
s
，pwm控制算法以及采样算法每个载波周期执行一次，该pwm控制算法用于控制电机的运行。本具体实施例中a相、b相和c相的占空比均为零。该实施例的具体步骤如下：
[0050]
步骤a、对pwm控制算法计算出的三相占空比d[a]、d[b]、d[c]进行调整，获得调整后的三相占空比为d1[a]、d1[b]、d1[c]、以及d2[a]、d2[b]、d2[c]；步骤a进一步包括：
[0051]
a1、首先对pwm控制算法计算出的三相占空比d[a]、d[b]、d[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值d
max
、中间值d
mid
、最小值d
min
，并记录最大值、中间值和最小值对应的相为a相、b相还是c相。令max代表占空比最大值对应相的序号，mid代表占空比中间值对应相的序号，min代表占空比最小值对应相的序号，max、mid和min的取值均为a、b或c，a、b、c分别为a相、b相、c相的序号。在本实施例中，在调整之前，由于a相、b相和c相占空比均为零，因此d
max
＝0、d
mid
＝0、d
min
＝0，并令max＝a、mid＝b，min＝c。要说明的是，max＝a指的是调整之前a相占空比最大，max保存了调整之前占空比最大值对应相的序号，但调整之后的a相占空比(即下文要描述的d1[a]和d2[a])可能不再是最大值。mid＝b、min＝c的含义与此类似。
[0052]
a2、计算d
max
和d
mid
的差值d
xd
、以及d
mid
和d
min
的差值d
dn
，d
xd
和d
dn
根据下式计算：
[0053][0054]
a3、根据d
xd
和d
dn
得到第一临时计算变量d
xd1
、第二临时计算变量d
dn1
、第三临时计算变量d
xd2
、第四临时计算变量d
dn2
；d
xd1
、d
dn1
和d
xd2
、d
dn2
用下面的公式进行计算：
[0055][0056]
上式中，δd
xd
和δd
dn
为分别为d
xd
和d
dn
的调整量。δd
xd
和δd
dn
取值有六种可能，分别如下所示：
[0057][0058][0059][0060][0061][0062][0063]
其中，d
ts
＝t
s
*2/t，t为载波周期，ts为预设的最小采样窗口；函数fun1()和fun2()的定义如下：
[0064][0065][0066]
根据以上六组公式可以解出六组δd
xd
和δd
dn
，选择δd
xd
和δd
dn
之和最小的一组解作为实际使用的δd
xd
和δd
dn
，也就是最后一组，从而得到d
xd1
、d
dn1
和d
xd2
、d
dn2
。
[0067][0068]
计算出d
xd1
、d
dn1
和d
xd2
、d
dn2
后，还需要对d
xd1
、d
dn1
和d
xd2
、d
dn2
按照以下限制规则进行限制，获得最终的d
xd1
、d
dn1
、d
xd2
、d
dn2
：
[0069]
如果d
xd1
与d
dn1
之和大于1，那么d
xd1
与d
dn1
中的较小者不变，d
xd1
与d
dn1
中的较大者变为1减去较小者(较大者＝1
‑
较小者)；
[0070]
如果d
xd2
与d
dn2
之和大于1，那么d
xd2
与d
dn2
中的较小者不变，d
xd2
与d
dn2
中的较大者变为1减去较小者(较大者＝1
‑
较小者)。
[0071]
a4、根据d
xd1
、d
dn1
和d
xd2
、d
dn2
计算出d1[a]、d1[b]、d1[c]和d2[a]、d2[b]、d2[c]；d1[a]、d1[b]、d1[c]由下式获得：
[0072][0073]
上式中，d
z1
的取值范围为[0，1
‑
d
xd1
‑
d
dn1
]，即d
z1
为0、1
‑
d
xd1
‑
d
dn1
或0与1
‑
d
xd1
‑
d
dn1
之间的任意值。
[0074]
d2[a]、d2[b]、d2[c]由下式获得：
[0075][0076]
上式中，d
z2
的取值范围为[0，1
‑
d
xd2
‑
d
dn2
]，即d
z2
为0、1
‑
d
xd2
‑
d
dn2
或者是0与1
‑
d
xd2
‑
d
dn2
之间的任意值。
[0077]
步骤b、根据调整后的三相占空比计算电流采样时刻t
s1
、t
s2
，t
s3
和t
s4
：
[0078]
先计算前半个载波周期的电流采样时刻t
s1
和t
s2
：
[0079]
将前半个载波周期的三相占空比d1[a]、d1[b]、d1[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值d
max1
、中间值d
mid1
、最小值d
min1
，并记录最大值d
max1
、中间值d
mid1
和最小值d
min1
对应的相为a相、b相还是c相，令max1代表占空比最大值对应相的序号，mid1代表占空比中间值对应相的序号，min1代表占空比最小值对应相的序号；max1、mid1和min1取值为a、b或c，a、b、c分别为a相、b相、c相的序号。可以得到d
max1
＝d1[a]、d
mid1
＝d1[b]、d
min1
＝d1[c]、max1＝a、mid1＝b、min1＝c。
[0080]
t
s1
和t
s2
可以由下式计算得到。
[0081][0082]
再计算后半个载波周期的电流采样时刻t
s3
和t
s4
：
[0083]
将后半个载波周期的三相占空比d2[a]、d2[b]、d2[c]按照大小顺序进行排序，得到最大值d
max2
、中间值d
mid2
、最小值d
min2
，并记录最大值d
max2
、中间值d
mid2
和最小值d
min2
对应的相为a相、b相还是c相，令max2代表占空比最大值对应相的序号，mid2代表占空比中间值对应相的序号，min2代表占空比最小值对应相的序号，max2、mid2和min2取值为a、b或c，a、b、c分别为a相、b相、c相的序号。可以得到d
max2
＝d2[c]、d
mid2
＝d2[b]、d
min2
＝d2[a]、max2＝c、mid2＝b、min2＝a。电流采样时刻t
s3
和t
s4
由下式计算得到。
[0084][0085]
图2示出了根据本发明第实施例的四次采样时刻的示意图，图2中的0代表载波周期的起始时刻。
[0086]
步骤c、按照调整后的三相占空比输出三相电压。在载波周期的前半个周期按照d1[a]、d1[b]、d1[c]输出三相电压，在载波周期的后半个周期按照d2[a]、d2[b]、d2[c]输出三相电压。
[0087]
为了简化叙述，x代表a、b、c，用d1[x]代表d1[a]、d1[b]、d1[c]，用d2[x]代表d2[a]、d2[b]、d2[c]。在载波周期的前半周期，当时间t小于(1
‑
d1[x])*t/2时，x相输出低电平，否则输出高电平；在载波周期的后半周期，当时间t小于(1+d2[x])*t/2时，x相输出高电平，否则输出低电平。图3示出了本发明一实施例按照调整后的占空比所输出的单相电压的示意图。图3中的0代表载波周期的起始时刻，该实施例中，采样算法周期与载波周期相同，0也是采样算法周期的起始时刻。上述的时间t是当前采样算法周期内的时间。
[0088]
步骤d、在载波周期的电流采样时刻t
s1
、t
s2
、t
s3
和t
s4
分别进行采样，获得母线电流i
dc1
、i
dc2
、i
dc1
和i
dc2
，根据采样得到的母线电流分别重构出载波周期的前半个周期和后半个周期的三相电流，进而获得载波周期的三相平均电流。
[0089]
记载波周期的前半周期的三相电流分别为i1[a]、i1[b]和i1[c]，i1[a]、i1[b]和i1[c]通过下式获得：
[0090][0091]
记载波周期的后半周期的三相电流分别为i2[a]、i2[b]和i2[c]，i2[a]、i2[b]和i2[c]通过下式获得。
[0092][0093]
该载波周期的三相平均电流i[a]、i[b]和i[c]通过下式获得。
[0094][0095]
本发明实施例首先将pwm控制算法计算出的三相占空比进行调整，然后计算四次电流采样的时刻，最后根据采样得到的母线电流分别重构出前后半个载波周期的三相电流，进而得到该载波周期的三相平均电流。本发明的实施例中，每个载波周期前半周期的占空比和后半周期的占空比可以进行对换，对换之后，采样时刻以及电流重构的计算公式作相应修改就可以实现单电阻电流采样，此处不再给出具体公式。
[0096]
本发明的实施例中，输出电压时，电平极性也可以进行更改。如果将高电平变为低
电平，低电平变为高电平，只需要将原先的占空比进行调整(将原先占空比的值变为1减去该值就可以)就可以保证输出相同的电压，此时，采样时刻以及电流重构的计算公式作相应修改就可以实现单电阻电流采样，此处不再给出具体公式。
[0097]
本发明的又一实施例还提供了一种倍频单电阻电流采样装置，包括存储器和处理器。存储器用于存储程序；处理器用于加载所述程序以执行前述的倍频单电阻电流采样方法。
[0098]
根据本发明实施例的倍频单电阻电流采样方法及其装置可以在一个载波周期内，实现两组电流信号的采样，进而可以得到该载波周期的三相平均电流，从而提高单电阻电流采样方法的电流采样精度，进而实现对三相电机的控制以及实现对电机驱动装置(例如变频器等)和电机的保护。