直流母线单电流传感器采样技术在电机控制系统中的应用​

在现代电机驱动与控制系统中，实时准确地获取电机相电流信息至关重要，直接关系到磁场定向控制（FOC）、直接转矩控制（DTC）等高性能控制策略的有效实施。传统的相电流检测通常采用在电机每相绕组中部署霍尔电流传感器（HCS）或采用分流电阻配合运算放大器的方案（图1）。然而，此类方案不仅增加了系统的体积、成本和复杂性，也引入了额外的功耗和潜在失效点。

在此背景下，直流母线单电流传感器采样技术（DC Bus Single Current Sensor Sampling Technique）作为一种高效的替代方案受到广泛关注。该技术的核心理念在于：仅通过在电机驱动系统的直流母线处部署一个电流传感器，结合特定的相电流重构策略与脉宽调制（PWM）技术，即可推算出三相交流电机的实时相电流。 其显著优势在于显著降低了系统成本、简化了硬件结构，并减少了功耗。

该技术的工作原理与实现，紧密依赖于电机控制系统采用的PWM策略（如SPWM, SVPWM）及其开关状态特征。其技术要点可概括如下：

1. 采样原理与时空约束： 在SVPWM调制的一个周期内，电压矢量作用于非零矢量和零矢量的时间段内，直流母线电流 Idc_bus 反映的是当前导通相（或两相）电流的代数和。通过精确控制电流传感器在特定的、短暂的PWM有效矢量作用时段内进行采样（例如在非零电压矢量有效作用区的中点）， 结合对逆变器开关状态的实时识别，即可获取与特定电机相（如U相、V相或W相）直接关联的电流样本值。

2. 相电流重构策略： 获取关键采样点数据后，必须应用相电流重构算法来恢复完整的瞬时三相电流信息。最基本的重构依据是基尔霍夫电流定律（Iu + Iv + Iw = 0）。通过在特定PWM矢量作用时段内获取的母线电流值以及已知的逆变器开关状态，即可解算出当前周期内的两相电流，再根据基尔霍夫定律推导出第三相电流。

3. 关键控制要求：

• 高精度采样时刻同步： 采样窗口必须严格与特定的、包含有效相电流信息的PWM有效矢量作用时段对齐。这要求精确的定时器控制和ADC触发机制。

• 高速ADC采样： 需要高分辨率和高采样率的ADC在极短的采样窗口内完成数据采集。

• 可靠的开关状态识别： 控制器必须实时准确地知晓每个采样点时刻所对应的逆变器开关管导通状态。

4. 非观测区（Non-Observable Region, NOR）问题： 在某些特定的PWM组合状态（例如连续的零矢量状态或接近零矢量的区域），直流母线电流无法提供有效的、区分三相的独立信息，此时称为“非观测区”。克服NOR影响是应用该技术的关键挑战。 常用的解决策略包括：

• 修改PWM模式： 采用特定的PWM模式（如DPWMMIN/MAX或AZSPWM）来最小化非观测区的持续时间。

• 状态观测器与预测算法： 结合电机模型（如滑模观测器、卡尔曼滤波器）或利用电流变化的连续性进行电流值的预测和估算。

5. 低电感电机应用的特殊性： 对于具有低等效电感（Lqs, Lds）的电机（如IPMSM），相电流的纹波较大且变化迅速。这使得在NOR区域内电流预测的误差更大，对重构算法的鲁棒性提出了更高要求。因此，在选择和应用该技术时，需充分考虑电机电感特性及其对重构精度的影响。

总结与展望：
直流母线单电流传感器采样技术通过软硬件的紧密结合，为降低电机控制系统成本、复杂度和功耗提供了一条有效路径。其成功应用的关键在于：

• 高精度同步采样控制

• 高性能ADC硬件

• 稳健的相电流重构算法（尤其对NOR的有效处理）

• 对特定电机参数的适应性考量（如电感）
  随着微控制器（MCU）性能的持续提升、高速ADC成本的降低以及先进电流重构算法的不断演进（特别是人工智能算法的引入），该技术在中低功率电机驱动领域（如家电、电动工具、伺服系统）的应用前景十分广阔。其在保证系统性能与可靠性的前提下，有效提升了解决方案的经济性与竞争力。