一文详解MagniV双切换PWM技术

在电动机FOC控制系统中，对电动机电流的采样是一个非常重要的环节，在低成本应用场合，为了降低成本，减小体积，根据母线电流和相电流关系而形成的单电阻电流采样及相电流重建方法具有很大的竞争优势。MagniV为单电阻设计提供了独特的硬件支持。

一、引言

电流采样对无感电机矢量控制是非常重要的，电流采样性能是其中一个关键的环节，往往直接影响到整个控制方案的性能好坏。

在实际使用中，三相电流采样常见类型有三电阻、双电阻以及单电阻采样技术。它们的实现方式不同，但共同的目标就是为得到真实的三相电流。本期小编主要介绍近期十分热门的单电阻电流重建技术以及MagniV系列芯片对于该技术特有的硬件支持。

二、单分流采样技术简介

相电流采样技术对于检测相电流以及通过其重构获取定子电流的全部三相信息是关键问题。当直流母线电压连接到电机时，如图1在八个电压矢量的其中六个中，流过分流电阻的相电流产生一个电压降，需要由AD转换器进行适当采样。

图1 电压矢量

图2显示了矢量101期间的电流测量示例，其中可以采集iSB电流。考虑一个对称三相系统，可以在任何时候使用基尔霍夫电流定律（iSA+iSB+iSC=0），因此在一个PWM周期内至少需要两个电流才能使所有三相电流可用于矢量控制。由于电压矢量的调制，在单个PWM周期内可以使用两个不同的非零电压矢量组合感测两个电流。然后基于基尔霍夫电流定律计算第三个电流。

图2 电流测量

三、单分流采样技术缺陷

技术是一把双刃剑，在单电阻分流测量期间，为了允许测量电流，需要对正弦调制模式进行修改，这种模式修改可能会产生一些电流纹波，由于模式修改以及对修改后的校正，算法的实现难度增加并且会占用更多的CPU资源。

在电流测量期间只有当两个电压矢量有效并保持足够的时间以捕获电流时，才能使用单分流三相电流重构。

如图3所示，当两个PWM边缘彼此靠近时，直流链路上的相电流信号脉冲变得太短而无法被捕获或“消失”。这使得这部分三相电流信息不可见，并且感测电路最终可能干扰相电流反馈。如果所有三相都足够接近，则不能从直流母线电流传感器恢复相电流信息。

图3 电压矢量调制举例

单分流采样有其明显的优势，也存在必然的缺陷，但MagniV系列的双切换PWM技术极大的增加了单分流采样方案优势。

四、双切换PWM技术

在不改变硬件的情况下，我们可以使用“移相PWM”的方式对三相电流进行重构，但其软件实现难度大，同时增加了芯片的资源的需求。

小编这里给伙伴们推荐另一种方式：MagniV系列芯片特有的“双切换PWM”技术。该技术是将重叠信号中的一个分成两部分，并在脉冲中间插入一个零脉冲，从而很好的解决了单分流采集技术的缺陷。

MagniV的“双切换PWM”技术除了将一个信号从另一个信号上移开之外，还能将其中一个重叠信号分成两个对称信号，这两个部分分开移动（图4左边的蓝色信号），因此信号的总长度是相同的。

但是，会有不同数量的开关操作。考虑到插入的死区时间不同，双开关阶段的输出电压较低。这种双重切换的另一个影响是不同的电压矢量被注入到电机中。这些干扰可能会导致通量的谐波失真和产生噪音。

图4 PWM双切换技术

为了降低双重切换过程中的噪声和损耗，所有的信号分成两部分，其中一个信号使另两信号以较长的时间间隔分开（图4右侧）。不必要的电压矢量（110）在包括零电压矢量的两个短时间段内切换，并且减少了双重切换的负面影响。

同时，由于双重切换的机制，我们在每个电流上可以有两个样本可用，附带的我们可以对样本取均值，一定程度上平滑采样数据。

五、总结

在一些低成本应用场合，为了降低成本，减小体积，根据母线电流和相电流关系而形成的单电阻电流采样及相电流重建方法具有很大的竞争优势。

单电阻电流重建的最重要原因之一就是降低成本，它将采样电路简化至一个分流电阻和一个差分放大器。该方案除了降低成本外，它检测全部三相时使用的电路相同，这对于全部测量，增益和偏移都是相同的，这将不再需要校准每相放大电路或者在软件中进行补偿。

MagniV系列芯片特有的“双切换PWM”技术。为单电阻FOC的实现提供了另一种崭新的思路，并通过硬件上的改变简化了单电阻FOC技术的设计。