《电气自动化）２０１４年第３６卷第１期 —变流技 Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 小容量变频器三电阻采样电流合成方法实现 王平，厉虹，王道武 （北京信息科技大学自动化学院，北京１００１９２） 摘要：针对门机控制系统小容量变频器电流检测环节，提出了一种逆变器下桥臂串联电阻采样合成电流的方案。基于ＳＰＷＭ控制方 式，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件平台和以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ为控制器的实验装置上，对三电阻采样合成电流方法进行了仿真实 验，实验结果验证了这种方法的正确性和可行性。可以降低成本，减小体积，检测的电流不存在谐波，具有很好的应用前景。 关键词：异步电机；逆变器；三电阻电流采样；ＳＰＷＭ技术；ＤＳＰ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ・ｉｓｓｎ．１０００—３８８６．２０１４．０１．０２３ ［中图分类号］ＴＰ２７３ ［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１４）０１—００６４—０３ Ｈｏｗ ｔｏ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ ３－ｒｅｓｉｓｔｏｒ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｍａｌ１．ｃａｐａｃｉｔｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＷＡＮＧ Ｐｉｎｇ ．ＬＩ Ｈｏｎｇ ．ＷＡＮＧ Ｄａｏ．ＷＵ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅ ｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅ ｎｇ １００１９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ—ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｒｉａｌ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ，ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ３－ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｗｉｔｈ ｎｏ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；３－ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ；ＳＰＷＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＤＳＰ Ｏ 引 言 自上世纪８０年始，随着新型电力电子器件、计算机技术 和交流电机理论的不断发展，变频调速技术广泛应用于交流电机 控制系统中。变频调速系统具有优良的性能和突出的节能效果， 在纺织、化纤、塑胶、化学、风机、水泵等各个领域应用广泛 。随 着工业技术的日益进步，对变频调速技术提出了更高要求，高性 能矢量调速型变频器具有体积小，便于安装调试、维修简便、易于 实现过程自动化等优异特性，在绝大多数交流电机调速控制系统 中都要用到。 轮 在高性能交流调速系统中，电流检测对实现电流反馈闭环控 制和系统保护来说很重要。本文针对门机变频控制系统，提出一 种在小容量变频器中逆变器下桥臂串联电阻采样，进行合成电流 采样的电流检测方案。该方案电路结构清晰，易于实现ＩＧＢＴ模 块保护，如直通保护和接地保护，还可以减小产品体积与生产成 本，具有重要的工程实用意义。 图１ 门机驱动控制系统及机械传动结构 单等优点 。 门机变频器是专门用于控制垂直电梯门机系统的变频器，在 门机变频调速系统中用于驱动交流异步电动机，将三相交流电流 通过整流器进行全波整流和滤波，得到直流电源电压，再通过逆 变器将直流电流转换为频率、电压均可调的三相交流电，采用ＳＰ— １ 电梯门机系统工作原理 图１为电梯门机驱动控制及机械传动系统。电机带动驱动 轮，经同步带驱动从动轮旋转，同步带的两个连接块分别与左右 轿门相连，当电机以顺时针和逆时针两种方式运行时，控制轿门 ＷＭ调制方式使输出电压为正弦波，减少高次谐波、降低噪声、抑 制电机发热，有效保证电梯的安全平稳运行 。 作关门或开门动作，代替机械装置周而复始的往返运动，系统没 有机械连接杆，而是用驱动轮经同步带带动电梯轿门，称为软传 ２变频调速系统 ２．１变频器功能模块 电梯门机变频调速系统的核心是变频器，根据系统输入／输 出变量，将变频器按功能分为４个部分： （１）电源模块，为变频器的其他电路提供稳定的低压电源。 动方式，这种软传动方式具有故障率低，运行噪音小，机械结构简 定稿日期：２０１３—０６—０４ 基金项目：北京市自然科学基金重点项目Ｂ类（ＫＺ２０１１１０７７２０３９） ６４ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 变流技 Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ 《电气自动化）２０１４年第３６卷第１期 （２）主电路，包括二极管组成的整流电路，６路ＩＧＢＴ功率模 块组成的三相逆变桥以及中间直流电路三部分，完成主直流电源 的逆变输出。 值还会使负载电压发生偏移，产生电磁干扰，产生系统对噪声敏 感等问题；此外选取采样电阻时，还要考虑电阻的稳定性能和阻 值误差 。 （３）控制模块，主要监测各路输出电压、电流及频率，根据速 ３．２三电阻电流合成的ＭＡＴＬＡＢ仿真实验 根据逆变器工作原理可知，逆变器的三个下桥臂通断时间不 同，用电阻采样时会造成电流断续，需要在下桥臂全部导通时进 行采样，然后将三个桥臂采样的电流进行合成。 度编码器的输入信号调整逆变电路的输出，通过控制ＤＳＰ产生 ＰＷＭ波，实现变压变频调节电机转速。 （４）外围设备，采用平波电抗器改善三相电压输出波形，制 动电阻用于消耗多余电流 。 变频器控制电路不仅要向三相逆变电路提供控制信号，还需 不断采集主电路电压、电流及频率等数据，并根据收集的信息合 理实时调整系统运行状态。控制电路以功率模块ＩＧＢＴ为逆变器 开关元件，以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器ＤＳＰ为控制器，实施 电机驱动控制算法，实现电梯门机逻辑控制。 首先进行三个下桥臂的电压采集，采集时间为零点时刻（Ｔ１ 下溢时刻），即保证三个下桥臂都导通。取其中一路电流采样举 例说明：根据电流平衡原理，图２中 路电流的计算值为 ＝一 （， ＋，２），把Ｒ 、Ｒ：两路检测的电压值相加取反后作为选择模块 的一路信号， 路检测的电压值送入选择模块的另外一路，三路 的脉宽值不同，对三路脉冲进行保持。在采样时刻，比较三路电 压脉宽值，从三路中选取最小的一路，与 路电压值做比较，判 ２．２霍尔传感器电流检测 变频器输出的电流信号在电机调速系统中用于电流反馈控 制。电流检测普遍采用的是在逆变器直流侧和交流侧安装电流 断Ｒ，路电压值是否为最小，利用选择模块输出。如果直接检测 的 路电压值最小，则输出Ｒ 、Ｒ 两路合成电压，如果相反则可 直接输出 电压。由于零点时刻的电压反向，经过取反和比例 霍尔传感器，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压信号输 出，再通过运放和比较器构成的电路进行处理。如有过电流输 出，则请求ＤＳＰ的ＣＰＵ响应中断，封锁脉冲，使逆变器停止工作。 霍尔传感器可以实时检测电动机三相定子电流，由于异步电 动机三相绕组是对称的，因此在实际电路中只需要两个霍尔传感 器检测两相电流，另外一相通过三相电流平衡计算得到，经过 Ａ／Ｄ转换为数字量，为电机控制算法提供电流信号。 霍尔传感器具有频率响应宽、动态范围广、性能稳定、易于集 成等特点，但是检测出来的电流通常有较多的毛刺，因此在电流 送入Ａ／Ｄ转换前，需对其进行ＲＣ滤波处理，但滤波后仍存在许 多低次谐波 ，此外，霍尔传感器电流检测还存在温度漂移、电势 不等位、寄生直流电动势、易受外界环境电磁波干扰等缺点 ，高 精度霍尔传感器价格较高，增加了变频器产品的成本。 系数的调理，把采样的电压信号变换成电流信号输出，便可读取 连续的检测电流。其它两相电流合成方法同理可得。 基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ实验结构框图如图３所示，图４和图 ５分别为电阻电压采样和电流合成子模块。 图３实验结构框图 ３三电阻电流检测方法 ３．１三电阻电流采样方案 考虑到用于驱动电梯门机的电机一般均为小容量，采用在逆 变器的三个下桥臂中分别串联三个电阻采样，再经电压合成得到 三相定子电流的电流检测方案。 ｒ户 、● 图２为门机变频器 Ｏｕ位 的逆变器主电路，六个 ＩＧＢＴ模块搭建成三相 全桥式电路，三个下桥 臂串入电阻Ｒ。、Ｒ：、Ｒ，采 样，并将该电阻接地，Ｐ、 Ｎ代表直流母线电压极 性 采样电阻上产生压 降，大小取决于负载上 的电流。这里采样电阻 图４电压采样模块 图２ 门机变频器逆变器电路 的选取很关键，负载一 定时，如果采样电阻的 ４ 以ＤＳＰ为控制核心的三电阻电流采样 ４．１基于ＤＳＰ的电流采样思路 变频器的控制电路以功率模块ＩＧＢＴ为逆变器开关元件，以 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ为控制器，完成实时性要求较高的矢量控制算 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ６５ 阻值小，则压降就小，在电机回路中不会产生很大的影响；如果采 样电阻的阻值过大，会引起电压损耗，减小能量效率，且较大的阻 《电气自动化））２０１４年第３６卷第１期 变流技术一 Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ 到稳定值，该等待时间长度为ｎ， 和ｎ期间不能读取电流，只 能在ＰＷＭ周期的时刻读取。电流采样流程如图７所示。 ４．２信号调理电路设计 由于逆变器下桥臂的电压采集与ＤＳＰ端口之间电压范围不 匹配，中间需要信号调理电路做连接。信号调理电路如图８所 示，Ｐ和Ｎ是其中一个采样电阻的两端，若采样电阻上有电流时， 在其上会产生压降，压降通过运算放大器Ｕ１Ａ进行放大。输出 的信号最终送到ＤＳＰ，而ＤＳＰ的端口电压只能处在０到３．３ Ｖ之 图５电流合成输出模块 法。设定ＰＷＭ１／３／５输出均是 间，但产生的压降信号是正弦信号，存在小于零的值。电路使用 了偏移电压，把输出信号调理在０到３．３ Ｖ之间。图中５ Ｖ的直 流电压通过电阻Ｒ１９、Ｒ２０、Ｒ２１构成电阻分压电路。产生的偏移 电压为： Ｖ偏移电压＝— 偏移电压一 Ｒ ＋ Ｒ／Ｒ ５ Ｖ＝１・５５ Ｖ，ｎ ，１＾Ｊ 一 ‘ １ｑ高电平有效，当计数器Ｔ１ＣＮＴ 的值和比较单元的比较寄存器 ＣＭＰＲｘ的值相等时，进行比较 匹配，ＰＷＭ１／３／５路产生的波 形翻转，电平为低；而ＰＷＭ２／ ４／６与ＰＷＭ１／３／５的电平产生 互补输出，电平为高。在计数 图６ ＤＳＰ电流采样模式 （１） ， 运算放大器输出的电压信号是一个以１．５５ Ｖ电压为基准线的正 弦信号，最终输出信号完全满足在０到３．３ Ｖ之间；器件Ｄ２是钳 位电压模块，确保最终的输出电压保持在０到３．３ Ｖ之间；Ｕ２是 四路模拟开关用于控制采样时刻选择；Ｕ３Ａ是施密特触发器，主 器Ｔ１ＣＮＴ增减一个周期后值 为零，发生下溢中断Ｔ１ＵＦＩＮＴ，启动电流Ａ／Ｄ采样，ＰＷＭ２／４／６三 要作用是增强抗干扰能力，尤其是可以把边缘非陡峭的信号变成 矩形的信号，有利于控制的准确性 ，经过调理后的信号送入 ＤＳＰ作合成计算。 路输出均是高电平，即逆变器的三个下桥臂导通，此时为电流采 样时刻，可进行下桥臂电流采样，如图６所示。 在进行下桥臂电流采样时，信号会受到硬件电路感性负载以 及电路中容性器件的影响，导致输出的信号波形发生畸变，故电 流采样后需借助进一步的合成。电流合成的基本思路是：每次下 溢中断Ｔ１ＵＦＩＮＴ，实时比较ＣＭＰＲ１、ＣＭＰＲ２、ＣＭＰＲ３的值，受采样 开关、Ａ／Ｄ采样窗口以及保持时间等因素的影响，在电流采样之 后舍去脉冲宽度较小的一路电流值，由于三路电流值之和为零， 这一路电流值由另外的两路电流值合成，反映出真实的电流。 图８信号调理电路 ５实验结果及分析 本实验的电机参数：额定功率Ｐ＝１００ Ｗ，额定电压Ｕ＝２２０ Ｖ，频率＿厂＝５０ Ｈｚ，极对数Ｐ＝２，调制波频率为５０ Ｈｚ，载波频率为 １０ ＫＨｚ，采样电阻取１５ ｍｎ，ｏｄｅ２３ｔｂ算法。 图７电流采样流程图 逆变器下桥臂打开时，才能读出该相电流数值。每当桥臂开 关状态有变化时，会对采样电阻上的电压产生电子干扰，设该干 图９霍尔传感器检测的定子三相电流 扰时间长度为ｒ，ｎ，当桥臂打开后，需要等待采样电阻上的电压达 ６６ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ （下转第９３页） 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 《电气自动化｝２０１４年第３６卷第１期 表４ 不同电压初始相位角时各检测点零序电流近似熵值 ４结束语 由于单相接地故障发生后，故障点前后暂态零序电流波形有 明显差异，包含的频率成分也不相同，通过比较故障点前后零序 电流的近似熵的不同即可确定故障区段。近似熵法具有所需数 据量小，只需检测零序电流信号，具有较强的抗干扰性，不需要时 间精确同步等特点，而且不受消弧线圈的影响等特点，因此将近 似熵法应用与小电流接地系统，解决单相接地故障的定位问题具 有重要意义。 参考文献： ［１］符玲，何正友，麦瑞坤，等．近似熵算法在电力系统故障信号分析中的 应用［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（２８）：６８—７３． ［２］李海燕．电力系统［Ｍ］．北京：电力工业出版社，２００６． ［３］张威，ＭＡＴＬＡＢ基础与编程入门［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版 社，２００４． 从仿真结果中可以看出对于有分支线路近似熵法也能准确 定位出故障区段，需要注意的是对于分支点故障位于和分支前一 检测点近似熵值相近的那条分支上。如上表中，检测点５和检测 点２的近似熵值差异很大，而检测点３和检测点２的近似熵值基 本相同，说明故障点位于检测点３所在分支。至于其它情况与无 分支线路判断准则相同，这样即可判断故障区段。 ［４］Ｐｉｎｃｕｓ，Ｓ．Ｍ．Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｅｎ￣ｏｐｙ（ＡｐＥｎ）ａｓ ａ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅ［Ｊ］． Ｃｈａｏｓ（１０５４—１５００），５（１）：１１０—１１７． ［５］胥永刚，何正嘉．分形维数和近似熵用于度量信号复杂性的比较研究 ［Ｊ］．振动与冲击，２００３，２２（３）：２５—２７． ［６］江朝晖，冯焕清，刘大路，等．睡眠脑电的关联维数和近似熵分析［Ｊ］． 生物医学工程学杂志，２００５，２２（４）：６４９—６５３． 【作者简介】王世斌（１９６６一），男，河北武安人，硕士研究生，高级工程师， 从事多年煤矿机电与信息化工作，已发表论文多篇。 时统军（１９６２一）， 男，硕士研究生，副高级工程师，从事多年煤矿机电与信息化工作，已发表 论文多篇。 唐全（１９８７一），男，江苏徐州人，硕士研究生，目前就读于中 国矿业大学信电学院。 （上接第６６页） 电流波形比较平滑，不存在谐波，对比霍尔传感器检测的电流，具 有明显优势。 ６结束语 通过仿真和硬件平台实验验证，在逆变器下桥臂串联电阻， 采样合成的电流波形与霍尔传感器检测的电流波形是一致的，充 分说明了方法的可行性。并且该方法具有实时性、受外界影响较 小，低成本等优点，可用于小容量变频器中，进行电流反馈控制和 电路保护，在实际的工程中具有重要的应用意义。 参考文献： 图１０三电阻采样合成检测的定子三相电流 ［１］张孝红．变频器节能作用概述［Ｊ］．节能技术．２０１０，２８（６）：５７３—５７５． 采用霍尔传感器检测 电动机定子端的三相 电流如图９所示。 ［２］王道武．三电阻电流采样门机变频器研究［Ｄ］．北京：北京信息科技 大学研究生学位论文，２０１２． ［３］史轶群．变频调速技术在电梯门机的应用［Ｊ］．科技致富向导，２０１２， ２８（１１）：８６． 采用三电阻采样 合成检测的定子端三 相电流如图１０所示。 在ＳＰＷＭ控制方 式下，对比图９和图１０ 攀 ［４］刘新辉，王淑红．变频调速系统电流采样及速度检测方案在ＤＳＰ中的 实现［Ｊ］．电子质量，２００６，２７（５）：７—９． ［５］戴巨川，吴新开，文丽．电压型逆变器电流实时检测质量改善研究 ［Ｊ］．电力电子技术，２００８，４２（２）：６０—６２． ［６］王旭，付亚平．霍尔传感器测量精度影响因素的研究［Ｊ］．煤矿机械， ２００８，２９（２）：２０２—２０４． 可见，利用霍尔传感器 测量的定子三相电流 和逆变器下桥臂三电 的可行性。 ［７］Ｊｉｍ Ｌｅｐｋｏｗｓｋｉ．Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｋ］．Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ，２００３． ［８］王道武，厉虹，刘宏鑫．门机变频器三电阻电流采样及合成方法［Ｊ］． 图１１ ＣＣＳ环境中合成的电流 北京信息科技大学学报（自然科学版），２０１３，２８（１）：２０—２４． 阻采样合成检测的定子三相电流波形基本一致，验证了这种方法 在以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ为控制器，以功率模块ＩＧＢＴ为逆变 器开关元件的实验平台上，经电流采样合成，调理电路处理后的 电流波形如图１１所示。在ＣＣＳ编程环境下，三电阻采样合成的 【作者简介】王平（１９８８一），女，北京人，硕士，专业：控制工程，研究方向： 电气传动与控制。 厉虹（１９６０一），女，浙江温州人，教授，研究方向：电 气传动与控制。 Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ９３
