逆变器电机电阻测量原理



Shunt相电流采样

Shunt相电流采样

Shunt相电流采样是通过使用分流电阻器（shunt resistors）来测量永磁同步电机相电流的一种方法。这种方法具有较高的经济性、线性度以及高带宽的特性，因此被广泛应用于电机控制系统中。

一、分流电阻器的布置方案

在三相逆变器中，分流电阻器的布置主要有三种方案：低边母线采样、三相下桥臂采样和三相相线采样。

低边母线采样

特点：单个直流链路分流器，在低成本、低功耗、矢量控制的风扇和泵中更为常见。

工作原理：每个PWM周期必须在两个不同的PWM开关状态下测量直流链路电流两次，以重建三相电流。

限制：该方法对于零相电压不起作用，因为所有三个PWM占空比都是50%，除非使用复杂的PWM补偿算法进行扩展。

三相下桥臂采样

适用场景：对应12~60V，功率不高于5kw的永磁同步发电机来说，这个布置方案是非常合适的。

特点：MCU不需要进行隔离并直接连接到电源负极。分流器可以放置在三相逆变器的两个或三个支路中。

限制：只能在低边MOS导通的情况下进行电流采样，因此在电机电压利用率较大，低边MOS导通时间很短的情况下，电流采样时不能保证电流是否稳定，导致电流采样精度降低。

三相相线采样

特点：采样精度最高，是主驱电机的相电流采样主流方法之一。

挑战：相线采样应用中最大的挑战是较大的共模电压，需要采样成本更高的差分放大电路。

二、分流器电流与相电流的关系

在不同的分流器布置方案中，分流器电流与相电流的关系有所不同。图2显示了每个布置方案的理想分流器电流与相电流在一个脉宽调制（PWM）周期内的关系。

低边母线采样：通过测量直流链路电流并结合PWM占空比来重建三相电流。三相下桥臂采样：在低边MOS导通时测量相电流，但由于导通时间短，可能导致采样精度降低。三相相线采样：直接测量相电流，采样精度最高，但受共模电压影响，需要差分放大电路。

三、采样时间的确定

为了获得准确的相电流信息，需要根据不同的分流器布置方案确定合适的采样时间。采样时间的选择应确保分流器电压信号能够稳定地转换为数字信号，供微控制器（MCU）处理。

低边母线采样：需要在两个不同的PWM开关状态下进行采样，以获取足够的电流信息来重建三相电流。三相下桥臂采样：应尽可能在低边MOS导通期间进行采样，但需要考虑导通时间短对采样精度的影响。三相相线采样：由于采样精度最高，可以在任何时刻进行采样，但需要注意共模电压对差分放大电路的影响。

四、展示

以下是三种分流器布置方案的示意图：

（注：以上展示了三种分流器布置方案以及分流器电流与相电流的关系。）

五、总结

Shunt相电流采样是一种经济、线性度高且带宽高的相电流测量方法。在永磁同步电机控制系统中，根据具体的应用场景和性能要求，可以选择合适的分流器布置方案。低边母线采样适用于低成本、低功耗的应用；三相下桥臂采样适用于中等功率范围的应用；而三相相线采样则具有最高的采样精度，适用于对性能要求较高的主驱电机应用。在选择采样时间时，需要确保分流器电压信号能够稳定地转换为数字信号，以供MCU处理。

VVVF（恒压频比）控制学习

VVVF（恒压频比）控制学习

VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制，即恒压频比控制，是一种广泛应用于异步电机调速的控制策略。以下是对VVVF控制的详细学习内容。

一、VVVF控制概述

VVVF控制是一种基于电机稳态数学模型的开环控制系统。其出发点是保持电机每极磁通恒定，通过同时调节定子电压和频率来实现对电机转速的控制。相比于矢量控制，VVVF控制具有简单、受参数变化影响小、成本低等优点，在交流调速领域应用广泛。

二、VVVF控制工作原理

在电机控制过程中，保持每极磁通恒定是关键。根据电机学基本原理，异步电机定子每相绕组电动势有效值与气隙磁通在每相中感应电动势的有效值、定子电压频率以及每极气隙磁通量有关。因此，通过控制定子电压和频率，可以实现对磁通有效值的控制。

在基频以下，为了保持磁通有效值不变，当频率从电机的额定频率往下调节时，必须同时降低定子电压，使定子电压与频率之比保持恒定。这就是“恒压频比VF”的控制方式。由于绕组中的气隙感应电动势不能直接被检测到，而定子相电压的基波有效值已由变频电源给出，并且当电动势有效值较大时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，认为定子相电压有效值等于气隙感应电动势有效值。

三、VVVF控制仿真搭建

在VVVF控制系统中，发波的方式主要有正弦脉宽调制（SPWM）和空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）两种。

SPWM方式：通过调制正弦波信号的占空比，生成一系列等幅不等宽的脉冲信号，从而控制逆变器的输出电压和频率。这种方式实现简单，但谐波含量相对较高。

SVPWM方式：通过控制逆变器开关器件的开通和关断，使输出电压的空间矢量尽可能接近理想的圆形旋转磁场，从而减小谐波含量，提高输出电压的波形质量。这种方式实现相对复杂，但性能更优。

以下是VVVF控制系统的仿真搭建框图和波形变化情况：

图1 VF控制系统框图（SPWM）图2 VF控制系统框图（SVPWM）图3 VF控制系统仿真模型系统图4 VF控制系统仿真模型波形变化情况

从仿真结果可以看出，当电机转速下降时，对应的定子电压也随之下降，与VF的控制原理相对应，说明搭建的VF调速系统是正确的。

四、VVVF控制性能优化

虽然VVVF控制具有诸多优点，但由于其开环控制的特性，存在动态性能差、带负载能力差等问题。因此，在实际应用中，可以通过以下措施对VVVF控制性能进行优化：

增加转矩电流环：通过引入转矩电流环，可以提高系统的动态响应速度和带负载能力。补偿定子电阻压降和死区影响：通过精确测量和补偿定子电阻压降以及逆变器死区时间的影响，可以进一步提高系统的控制精度和稳定性。采用先进的控制算法：如模糊控制、神经网络控制等先进控制算法的应用，可以进一步提升VVVF控制系统的性能。

五、总结

VVVF控制作为一种简单、有效的异步电机调速策略，在交流调速领域具有广泛的应用前景。通过对其工作原理、仿真搭建以及性能优化等方面的学习，可以更好地理解和应用VVVF控制技术，为电机控制系统的设计和优化提供有力支持。

BLDC/PMSM逆变器泄放电阻与刹车电阻

在电机驱动的世界中，逆变器犹如电力转换的魔术师，将直流电转化为交流电，驱动电机运转。本文将深入探讨ST的Gate Drive-STDRIVE101和MOS-STL100N10F7所涉及的泄放电阻与刹车电阻在电机控制中的关键作用。

在逆变器的电路设计中，泄放电阻如图中的R16和R28，扮演着至关重要的角色。通常并联在MOS的G极和S极之间，其5-10千欧的阻值是为了应对GS极间存在的高阻值（M欧以上）以及寄生电容。泄放电阻的存在解决了当控制信号撤除时，由于结电容的作用，GS间的电压维持在导通状态的难题，确保了电路的快速响应和可靠性。

然而，并非所有情况下都必须加上泄放电阻。实际应用中，当寄生电容容值较小，可以通过其他路径（如G极-GHS(GLS)-R13-G极）来实现MOS的导通与截至的分离，此时可能无需额外的泄放电阻。

刹车电阻，即制动电阻，对于大功率电机系统来说更是不可或缺。在电机三相线中加入刹车电阻，可以有效消耗电机在快速制动时产生的再生电能，避免对变频器或逆变器的直流电路造成损害。制动时，电流经过刹车电阻转化为热能，其选择需考虑能量转换效率，根据系统动能和刹车时间计算合适的阻值。

总的来说，泄放电阻是保护功率器件和半桥电路稳定的关键，根据电机和逆变器的参数来决定是否增设。而刹车电阻则在大功率电机制动时起到保护作用，防止再生电能对设备的损害。

深入理解这些电阻的工作原理和应用，对于设计高效、可靠的电机控制系统至关重要。欲了解更多ST的最新解决方案和技术动态，请关注大大通ST原厂频道，那里有无尽的科技智慧等待着你。

无刷电机控制（九）SVPWM之三相逆变器

SVPWM之三相逆变器

三相逆变器在无刷电机控制系统中扮演着至关重要的角色，它负责将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。以下是对三相逆变器及其在无刷电机控制中的应用的详细解析。

一、三相电压型逆变器结构

三相电压型逆变器的基本结构如图1所示。该逆变器由六个功率开关管（VT1-VT6）组成，这些开关管通常由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等器件实现。这些开关管通过六路PWM（脉冲宽度调制）信号进行控制，以实现逆变器的正常工作。

在逆变器中，VT1和VT4、VT2和VT5、VT3和VT6分别组成三组桥臂。当某一桥臂的上方开关管（如VT1）导通时，下方开关管（如VT4）关断；反之亦然。通过控制这六个开关管的导通和关断，逆变器可以输出三相电压ua、ub和uc。在FOC（磁场定向控制）算法的控制下，这三相电压呈现为正弦波的形式，从而实现从直流到交流的变换。

二、三相逆变器的工作原理

三相逆变器的工作原理基于PWM调制技术。通过调整PWM信号的占空比，可以控制逆变器输出电压的幅值和相位。在SVPWM（空间矢量脉宽调制）算法中，将逆变器的输出电压看作一个空间矢量，通过控制该矢量的方向和大小，可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制。

具体来说，SVPWM算法将逆变器的输出电压空间划分为六个扇区，每个扇区对应一个特定的开关状态组合。在每个扇区内，通过调整两个相邻开关状态的作用时间，可以合成出所需的输出电压矢量。这种调制方式不仅提高了电压利用率，还降低了谐波含量，从而提高了无刷电机的运行性能。

三、三相逆变器的硬件实现

三相逆变器的硬件实现通常包括光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件。这些组件共同构成了逆变器的核心电路，实现了对功率开关管的精确控制。

光耦芯片：用于隔离控制信号和功率电路，防止高压电路对控制电路的干扰。驱动芯片：用于放大控制信号，以驱动大功率NMOS管的导通和关断。升压电路：用于提高直流母线电压，以满足无刷电机对高压输入的需求。大功率NMOS管：作为逆变器的功率开关管，承受高压和大电流，实现直流到交流的变换。

以正点原子ATK-PD6010B无刷驱动板为例，其硬件结构如图2所示。该驱动板采用了上述组件，实现了对三相逆变器的精确控制。通过调整PWM信号的占空比和频率，可以实现对无刷电机转速和转矩的精确调节。

四、总结

三相逆变器是无刷电机控制系统中的关键组件之一。它通过PWM调制技术将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。在SVPWM算法的控制下，逆变器可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制，从而提高电机的运行性能。硬件实现方面，三相逆变器通常由光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件构成，这些组件共同实现了对功率开关管的精确控制。通过对这些组件的合理设计和优化，可以进一步提高无刷电机控制系统的性能和可靠性。

单电阻电流采样原理

单电阻电流采样原理

单电阻电流采样是一种在电力电子系统中常用的电流检测技术，尤其适用于三相逆变器等需要精确控制三相电流的应用场景。其基本原理是通过一个共享的采样电阻，在不同的开关状态下分别采样各相的电流。

一、基本原理

在三相系统中，三相电流满足关系式Ia + Ib + Ic = 0。双电阻和三电阻采样方案通常在零矢量时刻采样，但单电阻采样不能在零矢量时刻进行，因为在该时刻，唯一的直流电阻上采样到的电流为零。因此，单电阻采样必须在非零矢量时刻进行。

在七段式SVPWM（空间矢量脉宽调制）模式下，不同的矢量状态对应不同的开关组合。例如，在100矢量下，A相上管开通，B/C相下管开通。此时，电流从A相上管流入电机，然后从电机流入B/C相下管。无论电动模式还是发电模式，流经直流采样电阻的电流都是Ib和Ic的合成，根据三相电流的关系式，可以推算出Ia。同理，在110矢量下，可以采样到Ic。

二、采样过程

在同一个开关周期内，通过两次非零矢量下的采样，可以分别得到两相的电流信息。矢量和相电流的对应关系如下：

在100矢量下，采样得到的是Ib和Ic的合成电流，通过计算可得Ia。在110矢量下，采样得到的是Ic。类似地，其他矢量状态下也可以采样到不同的相电流。

需要注意的是，采样点是不固定的，采样得到的电流和相对应的矢量状态是密切相关的。因此，在确定采样点时，需要考虑运放的压摆率、输出稳定时间、MOS门级驱动器的传输延时、ADC的采样保持转换时间以及开关器件的开关延时和死区等因素。

三、采样电路与延时

采样电路通常包括一个差分放大电路，用于将采样电阻上的电压信号放大并输入到ADC进行采样。运放的压摆率决定了输入到输出的上升时间，而稳定时间则取决于运放的带宽、增益以及精度等指标。

在实际应用中，由于存在各种延时（如运放的压摆率延时、输出稳定延时、MOS门级驱动器的传输延时、ADC的采样保持转换延时以及开关器件的开关延时和死区等），采样点可能会偏离理想位置。因此，在确定采样点时，需要充分考虑这些延时因素，并留出足够的宽度用于ADC的保持和转换。

四、错峰采样与采样窗口

为了确保能够采样到真实的相电流，通常采用错峰采样的方法。即在两个不同的非零矢量状态下分别采样两相电流，以避免同时采样到同一相电流。同时，采样窗口的宽度也需要足够大，以确保ADC能够准确采样到电流信号。然而，在实际应用中，由于各种限制（如硬件性能、成本等），采样窗口的宽度可能受到限制。因此，需要在保证采样精度的前提下，尽量优化采样窗口的宽度和位置。

五、注意事项在设计采样电路时，需要注意避免在采样电阻或运放输入端对地加滤波电容，因为这可能会改变电阻上电压的波形，从而影响运放输出的建立和采样结果。采样电阻的选择需要综合考虑精度、功耗和温度系数等因素。在确定采样点时，需要充分考虑各种延时因素，并留出足够的宽度用于ADC的保持和转换。为了提高采样精度，可以对采样增益和采样偏置进行校正。六、展示

以下是一些关于单电阻电流采样的展示，用于更直观地理解其原理和应用：

这些展示了单电阻电流采样的不同方面，包括矢量状态、采样点、采样电路、延时以及校正等，有助于更深入地理解其原理和应用。

收藏|光伏并网逆变器的分类及原理

光伏并网逆变器的分类及原理

光伏并网逆变器的常见分类：

逆变器作为光伏发电的重要组成部分，主要作用是将光伏组件发出的直流电转变成交流电。目前，市面上常见的逆变器主要分为集中式逆变器、组串式逆变器以及集散式逆变器。

集中式逆变器

集中式逆变器是将光伏组件产生的直流电汇总转变为交流电后进行升压、并网。因此，逆变器的功率都相对较大，光伏电站中一般采用500kW以上的集中式逆变器。

优点：功率大，数量少，便于管理；元器件少，稳定性好，便于维护；谐波含量少，电能质量高；保护功能齐全，安全性高；有功率因素调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。缺点：MPPT电压范围较窄，不能监控到每一路组件的运行情况，组件配置不灵活；占地面积大，需要专用的机房，安装不灵活；自身耗电以及机房通风散热耗电量大。组串式逆变器

组串式逆变器是将光伏组件产生的直流电直接转变为交流电汇总后升压、并网。因此，逆变器的功率都相对较小，光伏电站中一般采用50kW以下的组串式逆变器。

优点：不受组串间模块差异和阴影遮挡的影响，同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加发电量；MPPT电压范围宽，组件配置更加灵活；在阴雨天、雾气多的地区，发电时间长；体积较小，占地面积小，无需专用机房，安装灵活；自耗电低、故障影响小。缺点：功率器件电气间隙小，不适合高海拔地区；元器件较多，集成在一起，稳定性稍差；户外型安装，风吹日晒容易导致外壳和散热片老化；逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度大；不带隔离变压器设计，电气安全性稍差，不适合薄膜组件负极接地系统。集散式逆变器

集散式逆变器是近两年来新提出的一种逆变器形式，其主要特点是“集中逆变”和“分散MPPT跟踪”。集散式逆变器是聚集了集中式逆变器和组串式逆变器两种逆变器优点的产物，达到了“集中式逆变器的低成本，组串式逆变器的高发电量”。

优点：与集中式对比，“分散MPPT跟踪”减小了失配的几率，提升了发电量；与集中式及组串式对比，集散式逆变器具有升压功能，降低了线损；与组串式对比，“集中逆变”在建设成本方面更具优势。缺点：工程经验少，尚属新形式，在工程项目方面的应用相对较少；安全性、稳定性以及高发电量等特性还需要经历工程项目的检验；因为采用“集中逆变”，所以占地面积大，需专用机房的缺点也存在于集散式逆变器中。

逆变器的原理：

电流源

电流源是相对于电压源来说的。对于电压源，电源输出到负载两端的电压试图维持不变，即电源电压V不变，I和R可以变化，即V=IR。对于电流源，电源输出到负载的电流试图不变，也就是来自电源的电流不变，遵从欧姆定律，即V=IR。在电力电子设备中，可以看它的控制对象来区分是电压源和电流源，电压源是以电压为控制对象，而电流源是以电流为控制对象。光伏并网逆变器就以三相交流输出电压为主要控制对象，加上直流电压来实现MPPT最大功率控制。

有源逆变

有源逆变最初应用在电动机刹车制动上，用晶闸管的开断把电动机刹车时转子内的励磁能量回馈到电网来实现节能效果。有源逆变典型特点是其输出端也是连接在一个电源上，因此形象称为有源逆变。逆变器是作为一个电源把其自身能量输送给另一个电源的过程，就是并网发电。

并网发电

光伏并网逆变器的主回路包括直流EMI滤波器、直流支撑电容、IGBT模块和PWM控制器等部分。

直流EMI滤波器：逆变器工作时，IGBT不仅向交流传递干扰，同时也向直流端传递干扰。如果没有直流端滤波器，直流端干扰会通过电缆直接传到电池板上，影响电池板的性能和寿命，降低电池板的效率。同时，外界及其他逆变器工作时对直流端的干扰也会被电池板捕获，并直接传递到逆变器上，影响逆变器的稳定工作。

直流支撑电容：作用是防止因负载的突变以及电容器本身的寄生电感产生感生电动势而导致直流母线电压大幅度突变。放电电阻的作用是逆变器停止工作时，为直流支撑电容提供放电的回路，把直流支撑电容所存储的电能释放掉。

IGBT模块：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT综合了BJT和MOSFET的优点，驱动功率小而饱和压降低。

PWM控制器：脉宽调制（PWM）是指用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。逆变器通过PWM控制器发出PWM驱动信号，使逆变器发出与电网同频、同相的交流电。

逆变器常见故障及处理方法：

逆变器屏幕没有显示：可能原因包括组件电压不够、PV输入端子接反、直流开关没有合上、组件串联时某一个接头没有接好或有一组件短路等。解决办法是用万用表电压档测量逆变器直流输入电压，并依次检测直流开关、接线端子、电缆接头、组件等是否正常。逆变器不并网：可能原因包括交流开关没有合上、逆变器交流输出端子没有接上或接线时逆变器输出接线端子上排松动了等。解决办法是用万用表电压档测量逆变器交流输出电压，并依次检测接线端子是否松动、交流开关是否闭合、漏电保护开关是否断开。逆变器硬件故障：分为可恢复故障和不可恢复故障。可能原因包括逆变器电路板、检测电路、功率回路、通讯回路等电路有故障。解决办法是把直流端和交流端全部断开，让逆变器停电30分钟以上，如果自己能恢复就继续使用，如果不能恢复就联系售后技术工程师。

以上内容涵盖了光伏并网逆变器的分类、原理以及常见故障及处理方法，希望对解决您的问题有所帮助。

制动单元和制动电阻的选型方案

制动单元和制动电阻的选型方案

在变频器调速系统中，电机制动单元和制动电阻的选型是至关重要的，它们直接关系到系统的稳定性和安全性。以下是根据电机制动的基本原理以及不同类型的制动方式，提出的制动单元和制动电阻的选型方案。

一、电机制动的基本原理

电机在减速或停机时，由于机械惯性，转子转速会大于同步转速，导致电机进入发电状态，产生再生能量。这部分再生能量如果不及时处理，会通过续流二极管反馈到直流电路，使直流电压升高，对系统造成不利影响。因此，需要采取制动措施来消耗或回收这部分能量。

二、能耗制动（电阻制动）的选型方案

能耗制动是通过在变频器直流侧加入放电电阻单元组件，将再生电能转化为热能消耗掉。这种方式包括制动单元和制动电阻两部分。

制动电阻的选型

估算制动转矩：首先，需要根据电机的负载特性和制动要求，估算出所需的制动转矩。

计算制动电阻的阻值和功率：根据制动转矩和电机的电气参数，可以计算出所需的制动电阻的阻值和功率。制动电阻的阻值应确保在制动过程中，直流电压不会过高，同时制动电阻的功率应能承受制动过程中产生的热量。

制动单元的选型

工作最大电流：制动单元的选择主要基于其工作最大电流。这个电流值应根据电机的最大制动电流来确定，以确保制动单元在制动过程中能够正常工作。

控制特性：此外，还需要考虑制动单元的控制特性，如响应时间、制动精度等，以满足系统的具体需求。

三、制动电阻的标称功率计算

制动电阻的标称功率是根据其电阻特性和技术指标来计算的。在计算时，需要考虑制动电阻在制动过程中的发热情况，以及散热条件等因素。确保制动电阻的标称功率足够大，以避免在制动过程中因过热而损坏。

四、其他制动方式的考虑

除了能耗制动外，还有其他制动方式可供选择，如共用直流母线方式的回馈制动和回馈到交流电网的制动方式。

共用直流母线方式的回馈制动：这种方式适用于多电机系统，通过共用直流母线，将一个电机的再生能量供给另一个电机使用。这种方式可以节约电能，并优化系统的动态特性。但在选型时，需要考虑母线电压的匹配、能量流动的平衡等因素。回馈到交流电网的制动方式：这种方式使用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网。这种方式节能效率高，无额外谐波产生，适用于需要高功率因数的场合。但在选型时，需要考虑逆变器的容量、电网的接入条件等因素。

五、结论

综上所述，制动单元和制动电阻的选型方案应根据电机的负载特性、制动要求以及系统的具体需求来确定。在选择时，需要综合考虑制动转矩、制动电阻的阻值和功率、制动单元的工作最大电流和控制特性等因素。同时，还需要考虑其他制动方式的适用性，以选择最适合系统的制动方案。

以下是一张关于制动单元和制动电阻选型的示意图，有助于更好地理解选型过程：

（注：示意图仅供参考，具体选型过程需根据系统实际情况进行。）

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