相电流采集方法、装置、设备、系统和存储介质与流程

1.本技术涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种相电流采集方法、装置、设备、系统和存储介质。


背景技术：

2.随着节能降耗技术的积极推广，电机控制的节能技术日益受到重视。例如，变频空调器采用具有损耗小、效率高的永磁同步电机(permanent magnetic synchronous machine，pmsm)。
3.变频器驱动永磁同步电机时，变频器的三相桥式逆变器可以采用svpwm(space vector pulse width modulation，空间矢量脉宽调制)方式控制。svpwm源于交流电动机定子磁链跟踪的思想，易于数字控制器的实现，且输出电流波形好、直流环节电压利用率高等优点。
4.传统的svpwm控制系统中，由于需要测量三相的交流电信号作为反馈，实现电流的闭环控制，即变频器的交流侧需要设置三个电流传感器，导致成本高、结构复杂及体积大，不利于集成化。采用单电流传感器来完成三相电流的重构成为研究的热点。
5.在实际应用中，为了提高三相桥式逆变器的输出电压，以在电机控制中增大电机的最大输出转矩，往往需要采用过调制技术。然而，由于发生过调制现象时，空间矢量落在不可观测区，相关的基于单电流传感器完成相电流采集方法的方法难以实现。
6.因此，在过调制区往往需要采用霍尔电流传感器采集三相电机的任意两相的相电流，从而得到当前的三相电流值，然而霍尔电流传感器成本高，增大了三相电机控制的成本。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本技术实施例提供了一种相电流采集方法、装置、设备、系统和存储介质，旨在基于电流互感器进行相电流采集，降低三相电机的控制成本。
8.本技术实施例的技术方案是这样实现的：
9.第一方面，本技术实施例提供了一种相电流采集方法，包括：
10.获取互感器采样调理电路的等效电气参数，所述互感器采样调理电路用于采集设置于电机的相线上的电流互感器的二次侧的电流信号；
11.基于所述等效电气参数和电机转子的电角速度确定所述电流互感器的相移角；
12.基于所述相移角对所述互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，得到所述相线的相电流。
13.在一些实施方案中，所述等效电气参数包括：等效电阻、等效电感及等效电容，所述基于所述等效电气参数和电机转子的电角速度确定所述电流互感器的相移角，采用如下公式：
[0014][0015]
其中，θ为所述电流互感器的相移角，ω为电机转子的电角速度，r0为等效电阻、l0为等效电感，c0为等效电容。
[0016]
在一些实施方案中，所述基于所述相移角对所述互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，包括：
[0017]
基于微分补偿器h(jω)对所述互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿；所述微分补偿器h(jω)采用如下公式：
[0018][0019]
其中，所述微分补偿器h(jω)的补偿相移角ω为电机转子的电角速度，a为第一校正参数，b为第二校正参数，所述补偿相移角与所述电流互感器的相移角的大小相等。
[0020]
第二方面，本技术实施例提供了一种相电流采集装置，包括：
[0021]
获取模块，用于获取互感器采样调理电路的等效电气参数，所述互感器采样调理电路用于采集设置于电机的相线上的电流互感器的二次侧的电流信号；
[0022]
运算模块，用于基于所述等效电气参数和电机转子的电角速度确定所述电流互感器的相移角；
[0023]
相移补偿模块，用于基于所述相移角对所述互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，得到所述相线的相电流。
[0024]
在一些实施方案中，所述等效电气参数包括：等效电阻、等效电感及等效电容，所述运算模块采用如下公式：
[0025][0026]
其中，θ为所述电流互感器的相移角，ω为电机转子的电角速度，r0为等效电阻、l0为等效电感，c0为等效电容。
[0027]
在一些实施方案中，所述相移补偿模块具体用于：
[0028]
基于微分补偿器h(jω)对所述互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿；所述微分补偿器h(jω)采用如下公式：
[0029][0030]
其中，所述微分补偿器h(jω)的补偿相移角ω为电机转子的电角速度，a为第一校正参数，b为第二校正参数，所述补偿相移角与所述电流互感器的相移角的大小相等。
[0031]
第三方面，本技术实施例提供了一种相电流采集设备，包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，所述处理器，用于运行计算机程序时，执
行本技术实施例第一方面所述方法的步骤。
[0032]
第四方面，本技术实施例提供了一种电机的相电流采集系统，包括：
[0033]
电流互感器，设置于三相电机的相线上；
[0034]
互感器采样调理电路，连接所述电流互感器的二次侧，用于采集所述电流互感器的二次侧的电流信号；
[0035]
本技术实施例第三方面所述的相电流采集设备，连接所述互感器采样调理电路，用于对所述互感器采样调理电路输出的电流信号进行移相补偿，得到所述相线的相电流。
[0036]
在一些实施方案中，所述电流互感器的数量为两个，分别设置于所述三相电机的任意两相的相线上，相应地，所述互感器采样调理电路为两个，与所述电流互感器一一对应设置。
[0037]
在一些实施方案中，所述互感器采样调理电路包括：串接于所述电流互感器的二次侧的采样电阻及连接于采样电阻两端的用于差分放大的运算放大器。
[0038]
第五方面，本技术实施例提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本技术实施例所述方法的步骤。
[0039]
本技术实施例提供的技术方案，获取互感器采样调理电路的等效电气参数，互感器采样调理电路用于采集设置于电机的相线上的电流互感器的二次侧的电流信号；基于等效电气参数和电机转子的电角速度确定电流互感器的相移角；基于相移角对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，得到相线的相电流。如此，可以基于电流互感器采集电机的相线上的相电流，尤其是在过调制区，可以在满足有效电压矢量的基础上，实现相电流的采集，进而可以在母线电压不变的情形下，增大电机的输出转矩，提高电源电压利用率。
附图说明
[0040]
图1为相关技术中基于母线电流采集的电机应用系统的结构示意图；
[0041]
图2为空间电压矢量的分布示意图；
[0042]
图3为本技术实施例中空间电压矢量不可观测区的原理示意图；
[0043]
图4为相关技术中基于移相处理的原理示意图；
[0044]
图5为本技术实施例相电流采集方法的流程示意图；
[0045]
图6为本技术实施例互感器采样调理电路的结构示意图；
[0046]
图7为本技术实施例互感器采样调理电路的等效电路示意图；
[0047]
图8为本技术实施例相电流采集装置的结构示意图；
[0048]
图9为本技术实施例相电流采集设备的结构示意图；
[0049]
图10为本技术一应用示例中三相电机的相线上电流互感器的布置示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图及实施例对本技术再作进一步详细的描述。
[0051]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
[0052]
相关技术中，基于母线电流采集的电机应用系统如图1所示，该系统包括：电机m、三相桥式逆变器101、直流电源dc及母线电流采集装置102。
[0053]
示例性地，直流电源dc的正极与负极之间还连接电容c1。直流电源dc供应的直流电经三相桥式逆变器101转换为电机m的三相电源，该电机m可以为pmsm。该三相桥式逆变器101可以由变频器采用svpwm方式控制。其中，母线电流采集装置102可以采用典型的单电阻采样电路，例如，包括接入至直流电源dc的负极与三相桥式逆变器101之间的采样电阻shunt，采样电阻shunt的两端电压经运算放大器传递至ad转换电路，由ad转换电路转换生成母线电流，该母线电流用于后续的相电流采集方法，进而将重构的三相交流电流作为反馈以实现电流的闭环控制。
[0054]
可以理解的是，三相桥式逆变器采用svpwm调制方式控制，有8种开关工作状态，包括6个非零电压矢量(v1‑
v6)和2个零电压矢量(v0和v7)，其将电压空间平面分成六边形如图2所示。相电流重构的基本原理是利用1个pwm周期内在不同的时刻采样的母线电流，得到各个相电流。直流母线的电流与三相电流的关系由瞬时开关量的状态决定，关系如表1所示。
[0055]
表1
[0056]
电压矢量相电流电压矢量相电流v1i
c
v5‑
i
b
v2i
b
v6‑
i
c
v3‑
i
a
v00v4i
a
v
70[0057]
在实际应用中，考虑到母线电流的采样需满足采样窗口，即要求非零电压矢量必须持续1个最小采样时长t
min
，t
min
＝t
d
t
set
t
ad
，其中，t
d
表示上下桥臂的死区时长，t
set
表示母线电流建立时长，t
ad
表示采样转换时长。
[0058]
如图3所示，当输出的电压矢量处于低调制区或非零电压矢量附近时，在1个pwm周期内可能存在非零电压矢量的持续时长小于t
min
的情况。这种情况使采样的母线电流毫无意义。本技术实施例中，将在一个pwm周期内不能采样到两相不同相电流(即两个非零电压矢量对应的母线直流)的区域统称为不可观测区。
[0059]
相关技术中，为了保证每个pwm周期可以采样到两相相电流，需要在不可观测区通过移相处理，保证一个pwm周期内采样到两相相电流。例如，如图4所示，示例性地，三相线路包括：a相、b相及c相线路，原有的t1的采样窗口小于t
min
，将通过移相处理，将b相的高电平右移t
shift
，可以使得移相后的t1的采样窗口等于t
min
。
[0060]
当不可观测区为过调制区域时，例如，图3所示的六边形的内切圆之外的区域，会出现移相移出pwm周期导致不能满足有效矢量电压的问题，然而，如果为了保证矢量电压的pwm周期，则会出现无法提供采样窗口的情况，导致无法在一个pwm周期内采集到两相相电流，因此，相关的基于移相处理的相电流采集方法的方法无法满足过调制区的三相电流的重构要求。
[0061]
需要说明的是，上述基于母线电流采样进行三相电流的重构，由于不是同时得到电机的相电流，两个采样一定存在时间差，导致采样是误差的，且受开关震荡影响，不能采集很窄脉冲的电流。此外，如果改用传统相电流采样传感器(例如，霍尔电流传感器)，会造成成本上升过大。
[0062]
基于此，本技术各种实施例中，为了既保证相电流采样，又满足成本控制的需求，采用价格便宜的电流互感器进行相电流采样，然而电流互感器由于是依据电磁感应原理，将一次侧的电流转换为二次侧的电流来测量的仪器，其存在相位延时的问题。
[0063]
基于此，本技术各种实施例中，提出了一种基于相位补偿的相电流采样方法，针对电流互感器的采集的电流信号进行相位补偿，得到实际的相电流。
[0064]
如图5所示，本技术实施例提供了一种相电流采集方法，包括：
[0065]
步骤501，获取互感器采样调理电路的等效电气参数，互感器采样调理电路用于采集设置于电机的相线上的电流互感器的二次侧的电流信号。
[0066]
步骤502，基于等效电气参数和电机转子的电角速度确定电流互感器的相移角。
[0067]
步骤503，基于相移角对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，得到相线的相电流。
[0068]
可以理解的是，本技术实施例基于对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，可以基于电流互感器采集电机的相线上的相电流，尤其是在过调制区，可以在满足有效电压矢量的基础上，实现相电流的采集，进而可以在母线电压不变的情形下，增大电机的输出转矩，提高电源电压利用率。
[0069]
如图6所示，本技术实施例中，互感器采样调理电路包括：串接于电流互感器的二次侧的采样电阻rs及连接于采样电阻rs两端的用于差分放大的运算放大器。
[0070]
可以理解的是，电流互感器二次侧感应的电流流经采样电阻rs时，可以由经运算放大器差分放大后输出，从而转换为可以被ad转换电路采样的信号。例如，运算放大器输出信号给mcu(微处理器)，从而可以由微处理器经过ad转换得到电流值。
[0071]
这里，由于电流互感器基于电磁感应效应，二次侧的电流信号存在时延导致的相移，需要确定该电流互感器的相移角。
[0072]
示例性地，将图6所示的互感器采样调理电路等效成如图7所示的等效电路。图7中的e(t)为电流互感器二次侧感应生成的电动势，计算如下：
[0073][0074]
其中，φ为感应磁通，n1为一次侧匝数，n2为二次侧匝数，μ0为磁导率，h为矫顽力系数，r1为一次侧等效电阻，r2为二次侧等效电阻，i为一次侧绕组电流。
[0075]
示例性地，可以通过lcr(电感电容电阻)测试仪测试该等效电路的等效电气参数。如图7所示，等效电气参数包括：等效电阻r0、等效电感l0、等效电容c0及负载电阻r
l
。
[0076]
示例性地，基于等效电气参数和电机转子的电角速度确定电流互感器的相移角，采用如下公式：
[0077][0078]
其中，θ为电流互感器的相移角，ω为电机转子的电角速度，r0为等效电阻、l0为等效电感，c0为等效电容。
[0079]
这里，电机转子的电角速度可以采用上一采样周期的确定的电机转子的电角速度。如此，可以基于获取的等效电气参数和电机转子的电角速度确定电流互感器的相移角。
[0080]
在一些实施例中，基于相移角对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补
偿，包括：
[0081]
基于微分补偿器h(jω)对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿；微分补偿器h(jω)采用如下公式：
[0082][0083]
其中，微分补偿器h(jω)的补偿相移角ω为电机转子的电角速度，a为第一校正参数，b为第二校正参数，补偿相移角与电流互感器的相移角的大小相等。
[0084]
需要说明的是，由于微分补偿器h(jω)的补偿相移角与前述确定的电流互感器的相移角的大小相等，可以补偿相移角的公式，计算第一校正参数a和第二校正参数b，从而得到满足相移补偿要求的微分补偿器h(jω)。
[0085]
示例性地，可以预先设定第一校正参数a和第二校正参数b的取值范围，基于取值范围先假定第一校正参数a和第二校正参数b中的一个的取值，然后基于补偿相移角的公式求取另一个，从而得到第一校正参数a和第二校正参数b。
[0086]
本技术实施例中，可以基于确定了第一校正参数a和第二校正参数b的微分补偿器h(jω)对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，得到相线的相电流可以参与电机矢量运算，进而可以在母线电压不变的情形下，增大电机的输出转矩，提高电源电压利用率。
[0087]
为了实现本技术实施例的方法，本技术实施例还提供一种相电流采集装置，该相电流采集装置与上述相电流采集方法对应，上述相电流采集方法实施例中的各步骤也完全适用于本相电流采集装置实施例。
[0088]
如图8所示，该相电流采集装置包括：获取模块801、运算模块802及相移补偿模块803。
[0089]
获取模块801用于获取互感器采样调理电路的等效电气参数，互感器采样调理电路用于采集设置于电机的相线上的电流互感器的二次侧的电流信号；
[0090]
运算模块802用于基于等效电气参数和电机转子的电角速度确定电流互感器的相移角；
[0091]
相移补偿模块803用于基于相移角对互感器采样调理电路采集的电流信号进行相移补偿，得到相线的相电流。
[0092]
在一些实施例中，等效电气参数包括：等效电阻、等效电感及等效电容，运算模块802采用如下公式：
[0093][0094]
其中，θ为电流互感器的相移角，ω为电机转子的电角速度，r0为等效电阻、l0为等效电感，c0为等效电容。
[0095]
在一些实施方案中，相移补偿模块803具体用于：
logic device)、复杂可编程逻辑器件(cpld，complex programmable logic device)、现场可编程逻辑门阵列(fpga，field programmable gate array)、通用处理器、控制器、微控制器(mcu，micro controller unit)、微处理器(microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行前述方法。
[0107]
可以理解，存储器902可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(rom，read only memory)、可编程只读存储器(prom，programmable read
‑
only memory)、可擦除可编程只读存储器(eprom，erasable programmable read
‑
only memory)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom，electrically erasable programmable read
‑
only memory)、磁性随机存取存储器(fram，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(flash memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(cd
‑
rom，compact disc read
‑
only memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(ram，random access memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(sram，static random access memory)、同步静态随机存取存储器(ssram，synchronous static random access memory)、动态随机存取存储器(dram，dynamic random access memory)、同步动态随机存取存储器(sdram，synchronous dynamic random access memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(ddrsdram，double data rate synchronous dynamic random access memory)、增强型同步动态随机存取存储器(esdram，enhanced synchronous dynamic random access memory)、同步连接动态随机存取存储器(sldram，synclink dynamic random access memory)、直接内存总线随机存取存储器(drram，direct rambus random access memory)。本技术实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0108]
本技术实施例还提供了一种电机的相电流采集系统，包括：电流互感器、互感器采样调理电路及前述的相电流采集设备，其中，电流互感器设置于三相电机的相线上；互感器采样调理电路连接电流互感器的二次侧，用于采集电流互感器的二次侧的电流信号；相电流采集设备连接互感器采样调理电路，用于对互感器采样调理电路输出的电流信号进行移相补偿，得到相线的相电流。
[0109]
示例性地，如图10所示，电流互感器的数量为两个，分别设置于三相电机的任意两相的相线上，相应地，互感器采样调理电路为两个，与电流互感器一一对应设置。
[0110]
可以理解的是，在过调制区，本技术实施例可以基于两个电流互感器采集的相线的电流信号，进行移相补偿处理后，得到两相的相电流，进而得到当前的三相电流，然后实现电机的矢量闭环控制。
[0111]
示例性地，如图6所示，互感器采样调理电路包括：串接于电流互感器的二次侧的采样电阻rs及连接于采样电阻rs两端的用于差分放大的运算放大器。
[0112]
在示例性实施例中，本技术实施例还提供了一种存储介质，即计算机存储介质，具体可以是计算机可读存储介质，例如包括存储计算机程序的存储器902，上述计算机程序可由相电流采集设备的处理器901执行，以完成本技术实施例方法的步骤。计算机可读存储介质可以是rom、prom、eprom、eeprom、flash memory、磁表面存储器、光盘、或cd
‑
rom等存储器。
[0113]
需要说明的是：“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0114]
另外，本技术实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
[0115]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。