基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置及方法

1.本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置及方法。


背景技术：

2.在永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,pmsm)矢量控制中，相电流采样是必不可少的部分。现阶段电流采样基本使用相端电流采样或下桥臂电流采样方案，如图1所示，是通过采样器件对电机电流进行检测，得到电流信号，以此作为电机控制系统的反馈信号；采样器件分为霍尔电流传感器和合金采样电阻。霍尔电流传感器采样精度高，发热小，但采样成本高，设备体积较大。合金采样电阻体积相较于霍尔电流传感器而言小了很多，因自身材料特性，电阻随温度变化较小。因为合金采样电阻成本低，体积小，所以在许多电流采样方案中常被用到。
3.现阶段电流采样方式中逆变电路由合金采样电阻和场效应管构成，结构如图2所示，采样电路由运算放大电路和滤波电路构成，所述运算放大电路中的运算放大器用于将采样信号偏置和放大，同相端与逆变电路中三相桥臂的下桥臂合金采样电阻接地端相连接，反相端与逆变电路中三相桥臂的下桥臂场效应管源极(s极)相连接。但合金采样电阻因自身功耗较大的原因，在印制电路板(printed circuit board，pcb)板中依然占据着相当大的空间，而且也增加了驱动器的损耗和pcb的发热。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠的基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置，并提供一种基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制方法。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置，包括位置传感器、采样电路、clark变换单元、park变换单元、转速环、电流环、park逆变换单元、clark逆变换单元和逆变器；所述位置传感器安装在电机上，用于测量电机的角度和角速度信号，位置传感器的信号输出端与park变换单元的输入端、转速环的输入端相连；采样电路的输入端与逆变器中的场效应管连接，用于测量场效应管的导通电压，采样电路的输出端与clark变换单元的输入端相连；clark变换单元的输出端与park变换单元的输入端相连，park变换单元的输出端、转速环的输出端与电流环的输入端相连，电流环的输出端依次经park逆变换单元、clark逆变换单元、逆变器后连接电机。
6.上述基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置，所述采样电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电容、第二电容、第七场效应管和运算放大器，第七场效应管的漏极与逆变器中的场效应管的漏极相连，第七场效应管的栅极为控制端，第七场效应管的源极与第四电阻的一端、第十一电阻的一端相连，第十一电阻的另一端与第五电阻的一端连接在一起并与逆变器中的场效应
管的源极连接，第四电阻的另一端与第七电阻的一端、第一电容的一端相连，第五电阻的另一端与第八电阻的一端、第一电容的另一端相连，第七电阻的另一端与运算放大器的反相输入端相连，第八电阻的另一端与第六电阻的一端、运算放大器的同相输入端相连，第六电阻的另一端连接基准电压源，第九电阻跨接在运算放大器的反相输入端与输出端之间，运算放大器的输出端与第十电阻的一端相连，第二电容的一端接地，第二电容的另一端与第十电阻的另一端连接在一起并作为采样电路的输出端。
7.上述基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置，还包括负温度系数温敏电阻，所述负温度系数温敏电阻靠近逆变器中的场效应管设置，用于检测逆变器中的场效应管的温度，查找相对于温度的表格得到场效应管的电阻，从而得到场效应管的电流，以电流作为电机控制的反馈信号送入clark变换单元的输入端。
8.一种基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.1)通过位置传感器得到电机的角度θ以及角速度ω信息；
10.2)通过采样电路直接检测场效应管源级与漏极间的导通电压v
ds
，再把负温度系数温敏电阻ntc靠近场效应管放置来检测场效应管的温度，然后查表得到场效应管的导通电阻r
ds
的值，再通过公式i
ds
＝v
ds
/r
ds
得到场效应管的导通电流i
ds
，以i
ds
作为电机控制系统的反馈信号；
11.3)将得到的角度值θ对经过clark变换的电流i
ds
电流信号进行park坐标变换得到旋转坐标系上d、q轴的电流值id、iq；
12.4)将得到的角速度值ω与设定的速度值ωs进行比较，再通过转速环的pi调节器得到电流设定值i
q_s
；
13.5)将进行坐标变化后的q轴电流值iq与电流设定值i
q_s
进行比较，通过电流环pi调节器得到控制信号vq；
14.6)将进行坐标变化后的d轴电流值id与0进行比较，通过电流环pi调节器得到控制信号vd；
15.7)对控制信号vd和vq再进行park逆变换、clark逆变换变换得到设定频率的占空比信号，对场效应管进行控制，进而完成对电机的控制。
16.上述基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制方法，所述步骤2)中，使用场效应管的导通电压v
ds
和温度信息获得电机控制的电流反馈信号，进而控制电机。
17.本发明的有益效果在于：
18.1、本发明通过对逆变器中场效应管自身导通电阻的利用，省去了传统的合金采样电阻，不仅减小了pcb的面积、降低了电机控制系统的成本，还消除了合金采样电阻上的损耗，这既降低了pcb的发热，也提高了整个逆变器的效率。
19.2、本发明设置有用于检测逆变器中场效应管温度的负温度系数温敏电阻，负温度系数温敏电阻靠近逆变器中的场效应管放置。导通电压v
ds
中包含了场效应管的内部温度信息，在负载不变的场合，i
ds
的有效值是不变的，当v
ds
的有效值上升时，可推算出导通电阻r
ds
变大，然后查表可以得到场效应管的内部温度，该温度信息可以用于场效应管的实时温度辨识和过温保护。
20.3、本发明的控制方法中直接用v
ds
做过流保护优于直接用电机电流(电机电流等于ids
)，这是因为随着温度升高，r
ds
升高，当用v
ds
作为固定阈值时，高温下所允许的i
ds
变小，这与场效应管器件所允许的i
ds
边界随温度升高而降低的特性更相近，有利于更好地保护场效应管。
附图说明
21.图1为传统永磁同步电机控制框图。
22.图2为传统合金采样电阻采样电路图。
23.图3为本发明实施例一的永磁同步电机控制框图。
24.图4为本发明实施例二的永磁同步电机控制框图。
25.图5为本发明场效应管导通电阻采样电路的电路图。
26.图6为本发明采样电路中场效应管的控制信号相对于对应下桥臂场效应管的控制信号的示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
28.场效应管内部导通电阻r
ds
的大小通常为几毫欧到几欧姆，可以被当做下桥臂采样电阻接入采样电路。由于r
ds
随温度变化相对于合金采样电阻较为明显，所以采集r
ds
上的压降v
ds
是无法直接计算出电流信号反馈给电机控制系统的。本发明中提供两种获取电机电流反馈信号的方案：如图3所示，第一种方案是增加负温度系数温敏电阻来检测场效应管的温度，然后查找v
ds
相对于温度的表格得到r
ds
，再通过公式i
ds
＝v
ds
/r
ds
得到电流，以电流作为电机控制的反馈信号。如图4所示，第二种方案直接以v
ds
作为电机控制的反馈信号。
29.如图3所示，一种基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制装置，包括位置传感器、负温度系数温敏电阻、采样电路、clark变换单元、park变换单元、转速环、电流环、park逆变换单元、clark逆变换单元和逆变器；所述位置传感器安装在电机上，用于测量电机的角度和角速度信号，位置传感器的信号输出端与park变换单元的输入端、转速环的输入端相连；采样电路的输入端与逆变器中的场效应管连接，用于测量场效应管的导通电压，采样电路的输出端与clark变换单元的输入端相连；clark变换单元的输出端与park变换单元的输入端相连，park变换单元的输出端、转速环的输出端与电流环的输入端相连，电流环的输出端依次经park逆变换单元、clark逆变换单元、逆变器后连接电机。所述负温度系数温敏电阻靠近逆变器中的场效应管设置，用于检测逆变器中的场效应管的温度，查找相对于温度的表格得到场效应管的电阻，从而得到场效应管的电流，以电流作为电机控制的反馈信号送入clark变换单元的输入端。
30.如图5所示，所述采样电路包括第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第一电容c1、第二电容c2、第七场效应管q7和运算放大器，第七场效应管q7的漏极与逆变器中的场效应管的漏极相连，第七场效应管q7的栅极为控制端，由微控制器(microcontroller unit，mcu)通过驱动芯片控制；第七场效应管q7的源极与第四电阻r4的一端、第十一电阻r11的一端相连，第十一电阻r11的另一端与第五电阻r5的一端连接在一起并与逆变器中的场效应管的源极连接，第四电阻r4的另一端与第七电阻r7的一端、第一电容c1的一端相连，第五电阻r5的另一端与第
八电阻r8的一端、第一电容c1的另一端相连，第七电阻r7的另一端与运算放大器的反相输入端相连，第八电阻r8的另一端与第六电阻r6的一端、运算放大器的同相输入端相连，第六电阻r6的另一端连接基准电压源，第九电阻r9跨接在运算放大器的反相输入端与输出端之间，运算放大器的输出端与第十电阻r10的一端相连，第二电容c2的一端接地，第二电容c2的另一端与第十电阻r10的另一端连接在一起并作为采样电路的输出端。
31.所述采样电路中的运算放大器用于将采样信号偏置和放大，同相输入端通过电阻电容网络与逆变电路中三相桥臂的下桥臂场效应管的源极(s极)相连接，反相输入端与逆变电路中三相桥臂的下桥臂场效应管的漏极(d极)相连接。相较于传统采样方式的采样电路，新型采样方式的采样电路中，为了避免在下桥臂场效应管关断时有较大电压施加到运算放大器两端，这里增加一个第七场效应管q7和第十一电阻r11，q7的控制信号与下桥臂场效应管q2的控制信号相同，或使q7的开通信号晚于q2的开通信号一小段时间并使q7的关断信号早于q2的关断信号一小段时间δt，这一小段时间的长度δt通常可取几纳秒到几微秒，如图6所示，图6中实线为u相采样电路中q7的控制信号，高电平有效；虚线为对应下桥臂场效应管q2的控制信号，高电平有效。采样电路中的场效应管q7并不会像q7对应的下桥臂场效应管q2中流经大电流，它正常工作时的电流很小，低于几十毫安，甚至可达微安级，所以采样电路中的场效应管q7只需选择耐压足够、电流很小的场效应管，这样可以大幅减小q7的大小，即使该场效应管的导通电阻较大(比如，达到几欧姆)也是可以的，因为它的导通电阻相对于后级的电阻网络中的电阻r4和r7(一般可达几百欧姆到几十千欧姆)可以忽略不计。q7的耐压值选取与q7对应的下桥臂场效应管q2的耐压值相同或接近。r11通常可取几百欧姆到几十千欧姆，当q2和q7关断时，r11与q7分压，使运算放大电路两个输入端之间的电压接近0。
32.本发明中的采样信号为电流流过场效应管导通电阻r
ds
产生的压降，是逆变电路中下桥臂场效应管导通时，场效应管上的导通电阻r
ds
两端压降。以r
ds
两端压降作为采样信号，相较于以合金采样电阻两端压降作为采样信号可以减少逆变器的损耗，适用于低电压大电流的工作场景。
33.一种基于场效应管导通电阻采样电路的电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
34.1)通过位置传感器得到电机的角度θ以及角速度ω信息；
35.2)通过采样电路直接检测场效应管源级与漏极间的导通电压v
ds
，再把负温度系数温敏电阻ntc靠近场效应管放置来检测场效应管的温度，然后查表得到场效应管的导通电阻r
ds
的值，再通过公式i
ds
＝v
ds
/r
ds
得到场效应管的导通电流i
ds
，以i
ds
作为电机控制系统的反馈信号；
36.3)将得到的角度值θ对经过clark变换的电流i
ds
电流信号进行park坐标变换得到旋转坐标系上d、q轴的电流值id、iq；
37.4)将得到的角速度值ω与设定的速度值ωs进行比较，再通过转速环的pi调节器得到电流设定值i
q_s
；
38.5)将进行坐标变化后的q轴电流值iq与电流设定值i
q_s
进行比较，通过电流环pi调节器得到控制信号vq；
39.6)将进行坐标变化后的d轴电流值id与0进行比较，通过电流环pi调节器得到控制
信号vd；
40.7)对控制信号vd和vq再进行park逆变换、clark逆变换变换得到设定频率的占空比信号，对场效应管进行控制，进而完成对电机的控制。
41.本发明控制方法的实施例二中，在步骤2)中，直接以v
ds
作为电机控制的反馈信号进行坐标变换，使用转子dq轴系的v
ds
闭环控制代替传统的转子dq轴系电流闭环控制，进而控制电机，这虽然没有了精确的电流控制，但是在转速外环的控制下，依然可以实现正常的调速功能。