基于STM32 FOC下桥三电阻采样方式的电机相电流重构方法

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  在三相电机FOC控制算法里，电机三相电流重构对电流环的稳定性和电机运行效率都非常关键。在采用下桥三电阻采样方案时，如果没有有效方法重构三相电流，电机在高调制率下将无法稳定运行。传统的方法是限制调制率，从而保证电机不会运行在高调制率下，这个方法牺牲了母线电压的利用率，从而导致电机无法高速运行或者高速运行效率降低。

  本文重点介绍针对采用下桥三电阻采样方式的一种相电流重构算法，通过本文介绍的电流重构算法，可以使电机运行在更高的调制率下，可以充分利用母线电机，从而让电机运行在高速区间并提高电机高速运行效率。

本文是基于STM32平台，且分析基于以下场景：

  1. PWM输出高有效,且上桥壁在计数值大于比较值时输出高电平，则下桥壁在比较值大于计数值输出高电平；
  2. 相电流的采样由PWM4触发；
  3. 使能PWM定时器4个通道的预装功能，在发生更新事件时开始作用；
  4. 更新事件发生在PWM计数的上溢处；

1、本文中的PWM生成模式

如下：
 
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2、 注意事项

  1. 必须读取两相的定子电流，由SVPWM的当前扇区决定读取哪两相电流，即读取下桥壁占空比较大的两相电流；
  2. 只有在下桥壁打开时，才能读取该相电流；
  3. 每次桥壁开关状态有变化时，会在shunt电阻上的电压产生一个电子干扰，假设该干扰的时间长度为TN;
  4. 当下桥壁打开后，需要等待一段时间来使shunt电阻上的电压达到稳定值，假设该干扰的时间长度为TR;
  5. 在TN 及 TR期间不能读相电流；
  6. 由于STM32 ADC/TIM1的高性能，我们可以在PWM周期的任何时刻采样，但是我们希望在不同扇区，采样点无太大变化；

3、与SVPWM相关的问题

下图为三相下桥壁的占空比

  • 对于每个SVPWM扇区，总有两相桥壁的占空比变化很小而另一相变化很大；
  • 在下述的介绍中，我们假设C相下桥的占空比最大，A相下桥的占空比最小，而B相下桥壁的占空比变化最大，如下图中圈出的部分：
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4、采样点的选择

4.1、在低调制系数时（1）

 
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这里DT为死区时间，上下桥壁都有插入这个时间，TN为开关噪声时间，Ts为采样点， Δ D u t y \Delta Duty ΔDuty就是通道A的比较值CC1，采样点处是采样BC相的电流。

4.2、在高调制系数时（2）

 
当调制系数增大，A相下桥壁的占空比减小时，若
 
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4.3、在高调制系数时（3）

 
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4.4、在高调制系数时（4）

 
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5、最大调制系数和最大占空比的确定

如果在同一个硬件上TN、TR、DT 已确定，Ts，PWM频率也确定了，那么怎么计算出最大调制系数和最大占空比呢。这里我们通过simulink仿真得到。举个例子，假设TN = TR = 3.5us，DT= 0.6us，
Ts = 0.2us；fpwm = 15.625K，那么通过仿真得到 最大调制系数为93%，最大占空比为96.5%。
仿真模型见下载链接。

6、参考文献

1、基于 C2000 InstaSPIN FOC 下桥三电阻采样方式的电机电流重构方法【TI】
2、基于STM32的PMSM FOC软件库培训 【ST】
3、知乎 —— 如何提高三电阻采样最大占空比

仿真模型和参考文献的下载链接：根据控制板硬件参数和载波频率，仿真计算最大调制率和最大占空比