電機(jī)控制器中電流采樣電路的分析與設(shè)計(jì)

梁 宵

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061)

0 引 言

20世紀(jì)以來，以矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無傳感器控制以及智能控制為代表的現(xiàn)代控制技術(shù)[1]，逐漸應(yīng)用于汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等各行各業(yè)，以往的交流感應(yīng)電機(jī)、有刷直流電機(jī)也逐漸被無刷直流電機(jī)(BLDC)和永磁同步電機(jī)(PMSM)所取代[2]。為了驅(qū)動(dòng)新型電機(jī)并實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)代控制技術(shù)，電機(jī)控制器也不斷發(fā)展，從大體積，低集成度變得小巧而精密，但與此同時(shí)其電路組成也越發(fā)復(fù)雜。在現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)中，為追求高效低成本，往往通過軟件觀測器代替以往的電機(jī)傳感器，從采樣得到的電機(jī)相電流信息中來獲取電機(jī)角度位置等信息，而且以FOC(磁場定向控制)為代表的矢量控制技術(shù)，更是依賴于電機(jī)相電流的采樣，以形成對(duì)電機(jī)勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流的精準(zhǔn)控制[3]?？梢哉f電機(jī)控制器中的電流采樣電路是現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的基石，只有實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流采樣，才能保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電機(jī)電流采樣方案

電機(jī)控制器中電流信號(hào)的采樣方案一般有以下幾種：采樣電阻法、電流傳感器法、電流互感器法[4]。其中采樣電阻法具有成本低、簡便化的優(yōu)勢，在現(xiàn)代無傳感器電機(jī)控制技術(shù)中，應(yīng)用十分廣泛。

現(xiàn)代電機(jī)控制器多采用單電阻或多(雙/三)電阻采樣方案，利用采樣電阻(Shunt)來獲取電機(jī)的三相電流，如圖1所示。

圖1 電流采樣方案

從圖1可以看到，單電阻采樣方案，只使用一個(gè)連接到三相逆變橋路直流母線上的采樣電阻，而雙/三電阻采樣方案則使用兩個(gè)或三個(gè)連接到逆變橋下橋臂上的采樣電阻，3種電流采樣方案的主要區(qū)別如表1所示。

表1 電流采樣方案對(duì)比

從圖1和表1可以看出，無論是單電阻還是多電阻采樣方案，其基本原理都是一樣的：電機(jī)電流流經(jīng)采樣電阻，在采樣電阻兩端產(chǎn)生電壓，利用差分運(yùn)算放大器對(duì)該電壓進(jìn)行放大，再將放大器的輸出接到控制器ADC的輸入口，由控制器通過運(yùn)算得到電機(jī)的相電流。

2 電機(jī)電流采樣電路設(shè)計(jì)分析

2.1 典型的電機(jī)電流采樣電路

在電機(jī)電流采樣電路中，為了避免逆變橋路開關(guān)噪聲、寄生電感等的影響，在采樣電阻之后還要增加低通濾波環(huán)節(jié)，典型的電機(jī)電流采樣電路如圖2所示。

圖2 典型的電機(jī)電流采樣電路

在應(yīng)用中，差分運(yùn)算放大器的輸出往往直接連接到電機(jī)控制器主控芯片ADC的輸入口。由于主控芯片的ADC一般是單端ADC，當(dāng)流經(jīng)采樣電阻的電流方向與圖2所示方向相反時(shí)(假設(shè)圖2所示方向?yàn)殡娏髡较?，此時(shí)若不加處理，單端ADC無法實(shí)現(xiàn)對(duì)該電流的采樣。因此，在差分運(yùn)算放大器電路中，會(huì)加入額外的參考電壓VREF，提供偏置電壓，使得無論電機(jī)電流流向如何，差分運(yùn)算放大器電路的輸出始終為正電壓。圖2中差分運(yùn)算放大器電路的輸出可表示為[5]

Vo=(IM×RShunt±VOS)×G+VREF

(1)

式中，Vo代表差分運(yùn)算放大器的輸出電壓；IM為采樣得到的電機(jī)電流；VOS為運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓；G為差分運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)；VREF為參考電壓。

通過式(1)，可以估算出差分運(yùn)算放大器電路輸出電壓的范圍，進(jìn)而幫助確定采樣電阻、運(yùn)算放大器、ADC等器件的選型。

在實(shí)際使用中，一般在控制器上電后，在電機(jī)未通電的狀態(tài)下(IM為0)，先執(zhí)行一次電壓采樣，此時(shí)的輸出電壓包含了參考電壓和運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，之后保存該電壓，在執(zhí)行電流采樣時(shí)將采樣電壓值與該電壓作差，再計(jì)算得到采樣電流值，這樣以來便消除了偏置電壓和運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，不僅可以提高電流采樣的準(zhǔn)確度還可以簡化電機(jī)電流的計(jì)算過程。

2.2 濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在應(yīng)用中，還需要考慮到圖2所示電流采樣電路的帶寬限制，特別是濾波網(wǎng)絡(luò)的配置會(huì)影響到電機(jī)電流環(huán)控制的帶寬，進(jìn)而對(duì)電流采樣的快速性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過選擇合適的RF、CF值，以抑制采樣電阻回路中由于寄生電感引起的輸出振鈴以及驅(qū)動(dòng)橋路開關(guān)噪聲所帶來的不利影響，并且在整個(gè)電機(jī)電流控制環(huán)路帶寬內(nèi)，保證幅值和相位增益不會(huì)發(fā)生突變。考慮到寄生電感的影響，實(shí)際的電流采樣電路如圖3所示。

圖3 實(shí)際的電流采樣電路

基于圖3，整個(gè)電流采樣電路的傳遞函數(shù)可表達(dá)為

(2)

式中,Vo(s)為運(yùn)放輸出電壓；IM(s)為電機(jī)電流；Ad(s)為差模電壓增益；Vid(s)為差模電壓輸入，也即采樣電阻兩端電壓；Acm(s)為共模電壓輸入；Vicm(s)為共模電壓增益。

由于運(yùn)算放大器電路的共模抑制比一般非常大[6]，所以式(2)中的共模增益項(xiàng)可以忽略。因此整個(gè)電流采樣電路的傳遞函數(shù)可以看作是濾波網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)與運(yùn)算放大器電路差模電壓增益的乘積。通過式(2)，可以得到整個(gè)電流采樣電路的傳遞函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)性能指標(biāo)需求，進(jìn)行相關(guān)器件的選型。

結(jié)合式(2)和圖3，考慮到采樣電路中寄生電感的影響，可以得到濾波網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)：

(3)

(4)

從式(4)中可以看到，采樣回路中的寄生電感將在濾波網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)中引入二階動(dòng)態(tài)響應(yīng)和一個(gè)零點(diǎn)。該零點(diǎn)將增加系統(tǒng)階躍響應(yīng)中的高頻部分，對(duì)電流采樣產(chǎn)生不利影響。為了在電機(jī)電流環(huán)控制帶寬內(nèi)獲得相對(duì)平坦的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以通過濾波網(wǎng)絡(luò)中的電容在該傳遞函數(shù)中引入一個(gè)極點(diǎn)來部分消除該零點(diǎn)的影響，為了實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)對(duì)消，濾波電容可配置為

(5)

依據(jù)式(2)～式(5)，可以指導(dǎo)選擇合適的濾波網(wǎng)絡(luò)元件，以實(shí)現(xiàn)精確、快速的電機(jī)電流采樣。

2.3 電機(jī)電流采樣電路仿真

按照圖3所示的電流采樣電路，假設(shè)采樣電阻值為10 mΩ，寄生電感Lsh的值為5 nH，差分運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)G為10，參考電壓Vref為5 V，依據(jù)式(2)～式(5)和前述內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)器件的取值選型，在電路仿真軟件TINA中搭建電機(jī)電流采樣電路的仿真模型，如圖4所示。

圖4 電機(jī)電流采樣電路仿真模型

當(dāng)圖4中的電流源IM在0.5 μs時(shí)刻施加幅值為1 A的階躍信號(hào)時(shí)，電路的瞬時(shí)特性如圖5所示。

圖5 電流采樣電路瞬時(shí)特性仿真結(jié)果

從圖5可以看到，當(dāng)電機(jī)電流IM為1 A時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓Vo約為5.1 V，符合式(1)的預(yù)期計(jì)算結(jié)果。同時(shí)可以看到由于采樣電阻回路中寄生電感Lsh的影響，會(huì)在采樣回路的電壓輸出Vin中產(chǎn)生高頻干擾，而通過濾波網(wǎng)絡(luò)的正確設(shè)計(jì)則可以很好地消除該干擾的影響，濾波后的電壓輸出如圖5中Vfilter所示。

3 電機(jī)采樣電路PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電機(jī)采樣電路的PCB設(shè)計(jì)同樣會(huì)影響電流采樣的效果。首先在采樣電阻的選型上要選擇低寄生電感的高精度采樣電阻，如果有條件可以使用專用于電流采樣的四線制合金采樣電阻，以達(dá)到更佳的采樣效果。

在走線連接方式上要使用四線制的開爾文接法[7]來連接采樣電阻與運(yùn)算放大器，將功率線與采樣線分開走線，同時(shí)采樣線盡量使用差分布線，保證線路等距等長，以抑制采樣線路引入的感性耦合和共模噪聲引入的容性耦合電流，具體走線方法如圖6所示。

圖6 采樣電路的PCB連接與走線方法

4 結(jié) 論

本文探討了電機(jī)控制器中電流采樣電路的分析與設(shè)計(jì)方法，具體包括：電流采樣方案的選擇、采樣電路的頻域分析、濾波網(wǎng)絡(luò)元器件的取值方法以及采樣電路的PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合電路仿真軟件TINA搭建了電機(jī)電流采樣電路的仿真模型，通過仿真驗(yàn)證了相關(guān)設(shè)計(jì)分析結(jié)果的正確性。