Динамика контура тока очень важна для точности и устойчивости работы электропривода. В свою очередь она определяется точностью и динамикой измерения токов, которое, как правило, осуществляется в условиях интенсивных помех. Подавление помех с помощью фильтров нижних частот приводит к существенному запаздыванию обратной связи контура, что делает его «вялым» и нединамичным. Ну а на базе такого контура можно построить лишь некачественный и неточный электропривод.
Данная статья посвящена исследованию алгоритмических способов фильтрации, позволяющих исключить помехи и точно, практически без запаздывания, измерить ток в фазах двигателя. Исследование проводилось с помощью моделирования процессов в среде SimInTech.
При дальнейшем рассмотрении будем считать, что система управления преобразователем реализуется на цифровом контроллере, цикл управляющей программы которого равен периоду ШИМ.
В преобразователях небольшой мощности общая точка управляющего контроллера часто соединяется с минусовым полюсом звена постоянного тока. Это позволяет измерять токи при помощи шунтов.
Ниже на Рис.1 приведена структура инвертора, в которой полумосты подключаются к минусовой шине через измерительные шунты.
При ШИМ-управлении через эти шунты текут прерывистые токи. Если ток имеет активный характер, он протекает через транзистор, а если реактивный, то через обратный диод. Если измерять напряжения на этих шунтах во время открытого состояния соответствующих нижних ключей, то они будут пропорциональны токам соответствующих фаз.
Сигналы с шунтов, отмасштабировав и профильтровав, можно подать на входы АЦП контроллера. Следует заметить, что исключительно важным является правильный выбор момента аналогово-цифрового преобразования.
Для минимизации запаздывания реакции в контуре тока логично осуществить преобразование непосредственно перед началом очередного цикла расчёта. Кроме того, правильно выбрав момент преобразования, можно существенно снизить уровень помех в каналах измерения тока.
Основные помехи в этих каналах формируются при переключении ключей инвертора. Во время защитной паузы закрыты оба транзистора полумоста и ток обмотки (если он не нулевой) имеет реактивный характер, то есть протекает через обратный диод. Пусть, например, это диод верхнего плеча. При отпирании транзистора нижнего плеча диод запирается не сразу. Время запирания диода определяется его параметром, называемым временем обратного восстановления. У высокочастотных диодов это время мало, но короткий сквозной ток полумоста, возникающий при отпирании оппозитного транзистора, как правило, достигает значительной величины и вызывает высокочастотные колебательные процессы в цепях инвертора. В вышеприведенной схеме этот высокочастотный процесс происходит непосредственно в токоизмеряющем шунте и может сильно искажать измерения. Кроме того, индуктивные помехи наводятся на цепи измерения тока и в моменты коммутации полумостов соседних фаз.
Для того, чтобы эти помехи минимизировать, надо обеспечить несовпадение процесса аналогово-цифрового преобразования сигнала, поступающего с датчика, с моментами переключения ключей инвертора.
Это можно обеспечить, если сделать амплитуду опорного треугольника ШИМ несколько больше максимального значения модулируемого сигнала. В этом случае в районе вершины треугольника всегда будет существовать некоторая временная область, в которой переключений ключей гарантированно не будет. Там как раз и можно осуществить преобразование аналога в цифру.
Для исследования вышеописанного предположения в SimInTech была создана модель трёхфазного ШИМ-инвертора с измерителями токов. В сигналы тока модели были искусственно введены индуктивные и кондуктивные помехи. Пакет модели приведен на Рис.2.
На Рис. 3. Приведены графики сигналов модели в масштабе, удобном для восприятия.
Область, свободная от коммутаций, в районе вершины опорного треугольника будет минимальна при максимальной амплитуде модулируемого сигнала. Во избежание потери амплитуды напряжения желательно делать эту минимальную длительность покороче. Но всё же она должна быть достаточно длинной для того, чтобы успокоились переходные процессы предшествующей коммутации инвертора и до следующей коммутации осуществились бы преобразования тока во всех каналах преобразования.
Важно заметить, что область преобразования не совпадает с вершиной опорного треугольника ШИМ. На её оптимальное положение влияют величина защитной паузы, временные задержки в драйверах ключей и времена задержек включения/выключения самих силовых ключей. Учитывая эти параметры, область преобразования надо немного задерживать относительно вершины треугольника, ориентируясь на расчёт или лучше - на измерения указанных задержек в конкретном инверторе.
За счёт существования бескоммутационной паузы в районе вершины опорного треугольника ШИМ описываемый алгоритм несколько снижает напряжение, прикладываемое к двигателю, и соответственно приводит к недоиспользованию двигателя по мощности.
Для того, чтобы сохранить и мощность двигателя, и помехозащищенность аналого-цифрового преобразования, можно применить описанный ниже метод.
Он основан на том, что основные помехи на токовый датчик фазы возникают именно при коммутации ключей данной фазы.
Как уже говорилось, минимальная бескоммутационная пауза соответствует максимальному модулируемому напряжению.
Пусть в фазе А это напряжение максимально, например, равно единице. Уменьшение амплитуды опорного треугольника ШИМ увеличивает глубину модуляции, а следовательно и прикладываемого к двигателю максимального напряжения. Однако в этом случае рано или поздно возникнет ситуация совпадения коммутации ключей фазы А с процессом аналого-цифрового преобразования. Таким образом, результат измерения тока фазы А станет недостоверным. Однако в двух других фазах модулируемые напряжения в этот момент будут в два раза меньше максимального (-0.5 и -0.5) и процесс преобразования с гарантией не совпадёт с коммутациями ключей этих фаз.
В соответствии с симметрией трёхфазной системы ток (напряжение) в фазе двигателя всегда равен сумме токов (напряжений) в двух других фазах с противоположным знаком.
Следовательно, обеспечить точность преобразования можно, исключив из процесса фазу с максимальной величиной модулируемого напряжения, а ток в этой фазе получать суммированием (с противоположным знаком) преобразованных значений тока из двух других, не подверженных помехам фаз.
Если на базе инвертора строится электропривод с коммутацией по датчику положения ротора (БДПТ), то токовый шунт, как правило, используется один и устанавливается так, как показано на Рис.4.
Канал ШИМ-а в БДПТ один, и для исключения помех остаётся смириться с некоторым увеличением амплитуды треугольника для создания бескоммутационной паузы.
В преобразователях, работающих с напряжениями, - начиная с 380В и мощностями - более нескольких кВт, для измерения тока в фазы инвертора обычно устанавливаются датчики на элементах Холла, так, как показано на Рис.5.
Сквозные токи полумостов через эти датчики непосредственно не текут, но обеспечение защиты от коммутационных помех в мощных преобразователях также актуально. Помехи на измерительные цепи наводятся как по воздуху (индуктивные), так и через паразитные ёмкости цепей и элементов (кондуктивные).
В этих преобразователях применимы оба подхода, уже описанные для трёх измерительных шунтов в полумостах. Отличие заключается лишь в том, что токи через датчики протекают всегда и не связаны с отпиранием или запиранием ключей фаз.
На Рис.6 показан смоделированный процесс исключения помех при измерении тока в векторно-управляемом СДПМ.
Следует заметить, однако, что при высоком уровне индуктивных помех метод с исключением из преобразования тока фазы с наибольшим напряжением может оказаться неэффективным.
Дополнительный бонус
Способ измерения тока в районе вершины треугольника имеет ещё и дополнительный бонус – он позволяет осуществлять качественную фильтрацию ШИМ-пульсации токов с точным выделением среднего значения.
При ШИМ-управлении в токах фазах двигателя имеется пульсация, связанная с импульсностью управления.
Если амплитуда опорного треугольника больше амплитуды задающего сигнала, то в районах вершин треугольника все фазы трёхфазного двигателя подключаются к одному из полюсов звена постоянного тока:
в районе минимума треугольника – к положительному полюсу
в районе максимума треугольника – к отрицательному полюсу.
В эти моменты к обмотке приложено нулевое напряжение.
Заметим, что середины участков с нулевым напряжением немного сдвинуты относительно вершин треугольника вследствие наличия защитных пауз и задержек сигнала в драйверах и ключах.
Таким образом, измерение токов надо проводить один раз за период ШИМ в строго определённый момент в районе вершины опорного треугольника непосредственно перед началом следующего цикла вычислений.
Если позволяет быстродействие АЦП, то можно попробовать провести несколько измерений одно за другим, с последующим усреднением полученных значений.
При применении вышеописанного метода программные фильтры тока в системе управления можно и нужно исключать, так как их постоянная времени слишком велика. Однако маленький аппаратный фильтр, установленный до АЦП, лишним не будет.
Бытующее мнение о том, что ток надо измерять два раза за период ШИМ в районе вершин с последующим усреднением, по мнению автора, неверно. Такой способ измерения применим, только если изменением тока за период ШИМ можно пренебречь. В противном случае это приведет лишь к запаздыванию в обратной связи контура тока и ухудшению его динамики.
Другие публикации Юрия Николаевича Калачева:
