大功率发电机控制器电流采样增加滤波处理的必要性分析.pdf

设计研究与车辆移动电源2023年第4期大功率发电机控制器电流采样增加滤波处理的必要性分析林茜赵宏志王辉廖吉春（北京航天发射技术研究所，北京，1 0 0 0 7 6）摘要：本文以大功率发电机控制器试验过程误报过流问题为引导，对交流电机控制器电流采样的原理以及过流报警的机理进行分析，通过增加软件滤波以及试验验证证明大功率发电机控制器电流采样增加滤波处理的必要性。关键词：大功率发电机控制器；过流问题；软件滤波；电流采样Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.04.001中图分类号：TM912文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-42 50（2 0 2 3）0 4-0 0 0 1-0 31引言交流电机控制器通常采用内置电流传感器采集内部的两相交流电流，控制器采集两相交流电流后，计算出第三相交流电流，然而在交流电机控制器相电流中，含有各种高次、随机的谐波。其中包含PWM斩波引起的高频谐波，有因电机非正弦反电势引起的低次谐波，还有电力电子线路因干扰出现的随机脉冲，再加上电流采样电路的稳定性以及A/D转换单元偏差的存在，更加大了实际采样电流的波动。尤其是在复杂大功率系统中采用的开关电源、大功率电磁铁等电路，都会引起很大的干扰，因此在系统控制中尤其是含有大功率单机的应用场合需要采用硬件和软件滤波的方法对干扰和随机脉冲进行滤波，硬件滤波增加RC或者LC滤波电路，用于去除逆变器的功率开关斩波引起的干扰，软件滤波用于去除随时脉冲干扰和由低次谐波引起的噪声。2发电机控制器过流问题以及电流采样原理介绍试验中，3 0 0 kW交流发电机控制器根据上位机转矩转速指令，驱动发电机进行发电，为负载提供稳定可靠的高压电。发电机系统主要包含1 台永磁发电机和1 台发电机控制器，控制器内置电流传感器采集内部的两相交流电流，控制器实现两相电流采样后，计算出第三相交流电流，并通过CAN将采得的交流电流值传送给上位机。发电机及控制器进行连续运行试验过程中，运行一段时间后，发电机控制器报过流；再次上电后发电机控制器未报故障，电流采样原理框图如图1所示。控制器内置电流传感器采集W、V两相交流电流，传感器信号进入控制板，经过入口浪涌防护，RC低通滤波和信号调理电路，再由专用的A/D转换芯片完成模数转换，A/D芯片的逻辑时序由FPGA控制，最终FPGA解码成数字信号，通过并行总线交互给DSP和ARM芯片，用来完成对电机的实时控制和保护。V2CFU好好好图1 发电机控制器电流采样原理图控制器内置电流传感器采集W、V 两相电流；与车辆2023年第4期移动电源经运放电路对传感器输出的弱电模拟量电流进行调理转换，再通过AD芯片，将模拟量转换成数字量，经FPGA处理识别出交流电流值。发电机控制器电流采样以及处理模块如图2 所示，FPGA软件实时比较所采集到的两相电流采样值与过流门槛设定值，如果电流采样值大于过流门槛值，则FPGA产生过流故障信号。其中过流门槛原始值在初始化时进行配置，电流采样值由FPGA实时采样，采样周期为1 4us一个点。因此电流信号传输处理的过程中，不排除叠加毛刺信号，导致瞬时电流采样值可能超过门槛保护值，从而引起FPGA触发保护。控制板DSPEMIFS电流波形存40002FPGA储）电流传热器推口RC号#行装口O5V静护16bit:(14us)（过流比较）电路EMIFARM(10m（故障码上）传图2发电机控制器电流采样以及处理模块由图2 可见FPGA的采样周期为1 4us一个点；FPGA向DSP传送电流波形的采样值为约1 0 0 uS一个点（远超FPGA的采样周期），故障记录的电流波形由DSP处理及存储，因此存在由于电流毛刺导致FPGA触发过流保护后，DSP记录的电流波形却正常的情况。故障发生后，查看故障记录，内容如图3 所示，通过故障波形确认触发了控制器W相电流过流的故障。洋育2000-49-0033:55:00FPCAWOVER2000-45-0027:20:10(62-CANIEd)20X0-1901232-21(WdLOW200001800.12-28:09200002-00065:43500故障记录数撼中电流波形200116图3故障记录图故障时刻电流数据解析如图4所示。未发现明显异常电流波形，并未超过控制器设置的过流门槛值。W图4故障时刻电流数据解析图通过分析，误报过流故障的机理如下：控制器内置电流传感器采集内部的W、V两相交流电流；经运放电路对传感器输出的弱电模拟量电流进行调理转换，再通过AD芯片，将模拟量转换成数字量，经FPGA处理识别出交流电流值。W、V两相交流采样电路的原理相同：经过传感器处理后的电流进入控制板，经过入口浪涌防护，RC低通滤波和信号调理电路后，送给A/D转换芯片完成模数转换，低压电源地线与内部信号地线通过变压器隔离。电流采样原理图如图5所示：图5发电机组控制器电流采样电路FPGA软件实时比较所采集到的两相电流采样值与过流门槛值，采样周期为1 4us一个点，若电流采样值大于过流门槛值，则FPGA产生过流故障信号，上传到逻辑软件，并立刻封锁脉冲。电流采样值由FPGA采样与过流门槛设定值实时比较，逻辑软件收到过流故障信号后，触发故障记录，并将故障码以及故障时刻前后的电流、电压波形数据存储下来。与此同时，逻辑程序将过流故障上报至上位机。通过对故障控制器进行带载试验，对控制板内的电流A/D采样前端信号进行观察，发现存在瞬时电流毛刺超过电压保护门槛值的情况（对应AD前端电压门槛值4.2 5V）。试验采用差分隔离探头（对共模干扰抑制强）测量AD前端波形，测试W相，观察其波形如图6 所示：与车辆移动电源2023年第4期DS0-X3014AMY55140533.TueMar2122:38.132023-400051.0002停止-403VKEYSIGHTTECHNOLOGIES采集标准馍式100MSa/s通10011001180010001光标AX-6900000us1/4X+144931H24Y(1-8.4750V光标设量菜单模式光标单位X1-931.00000us4250V手动X2-10000000msY2-4.2250VDS0-X3014AMY55140533.TueMar212241:042023130175.000号停止KEYSIGHTTECHNOLOGIES来4.25V标准模式100MSa/s通道1001100.11000101光标AX+7.20000us1/4X+138.89kH2-8.4750V光标设置单模式光标单位X1-1.29800000msY1:4.2500V手动X2-1.290800000msY2.-4.2250V图6板内电流采样波形图经观察，电流波形存在偶发性超过保护门槛值的情况。3措施以及验证情况通过上述分析，硬件中已有R低通C滤波，需要软件增加数字滤波对偶发性的随机干扰信号进行滤波，常见的软件滤波方法有中位值滤波方法、平均值滤波、递推平均滤波、限幅滤波，平均值滤波适用于一般具有随机干扰信号的滤波。电流连续采样5个周期，去掉最大值和最小值，求平均值作为当次滤波后的电流采样值与过流门槛值进行比较。软件增加平均值滤波后消除现场偶发电流毛刺的影响，解决现场误报过流故障的问题，且经过连续运行试验，发电机控制器未再上报过流故障。4结束语通过上述大功率发电机控制器过流问题原因分析，后续软件设计中不能用单一数据作为故障判据，尤其在大功率干扰源较多的工况下通过设置软件数字滤波对干扰和随机脉冲进行滤波十分必要，可防止干扰产生的毛刺影响控制器的正常运行。参考文献：1 李欣.基于RSS1测量的室内定位系统新型软件滤波器设计传感器，1 8（1 1)，3 7 2 9.2 江春芳用于电机振动测量的数字滤波器优化系数的软件实现振动与冲击2 2（1 5，3 2 47-3 2 56.作者简介：林茜（1 9 9 1-），女，汉族，山东人，硕士，工程师，主要研究方向为车载发电配电系统设计。Analysis of the Necessity of Adding filter Processing to High-PowerMotor Controller Current SamplingLIN Xi,ZHAO Hong-zhi,WANG hui,LIAO Ji-chun(Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing,100076)Abstract:In this paper,the principle of AC Motor controller current sampling and the mechanism of over-cueernt alarm areanalyzed under the guidance of the false alarm of over-cueernt during the test of high-power motor controller.The necessity of addingfilter peocessing to high power Motor controller cueernt sampling is proved by adding software filter and experiment.Keywords:high-powermotorcontrollerover-current problem current sampling software filtering