摘要
隨著諸如能源之星等節(jié)能標準在家電,醫(yī)療,電動車等市場的接收和推廣,以磁場定向控制(FOC)算法為基礎的高能效三相變頻器廣泛用于各類交流電機驅(qū)動應用中。FOC 算法需 要精確檢測三相電流,Shunt 電流檢測電路因其成本低精度較高取得了廣泛應用。本文將探 討 shunt 電流檢測電路設計及不同 Shunt 電流檢測電路對運算放大器的要求。
磁場定向控制算法(FOC, Field Oriented Control)通過一系列的前向Clarke運算和Park運算將檢測 得到交流電機的三相相電流處理,間接得到轉矩分量和磁通分量,經(jīng)過經(jīng)典的PI算法對其進行精確控制, 從而保證電機能以最佳的扭矩高效運行,實現(xiàn)精確的速度變化控制,算法框圖如圖1。由此可知,相電流 檢測的精度是決定整個電機控制性能的一個重要因素。一般來說,相電流檢測共有閉環(huán)霍爾,Shunt電阻, 開環(huán)霍爾三種方式。Shunt電阻因其精度較高(全溫范圍校正后精度2%至5%),成本低而得到廣泛應用。
1 Shunt 電流檢測電路設計
圖1 磁場定向控制算法框圖
常用的Shunt電流檢測電路如圖2所示。Shunt電阻將電機的相電流轉化為相電壓,經(jīng)過RC低通濾波,偏 置電壓預置之后經(jīng)過運放放大,輸出給MCU(如TI的C28xx系列)內(nèi)部12bit ADC。
圖2 常用Shunt電阻電流檢測電路原理圖
對于RC低通濾波部分,該濾波器可顯著減小功率部分的開關噪聲,提高相電流檢測精度。但是該濾 波器并不能采用高階濾波器,一是成本考慮,二是高階濾波器雖然衰減效果更好,但是濾波器群延時也相 應顯著增加,限制了可檢測相電流的最小PWM占空比,降低FOC系統(tǒng)控制精度,一般來說,濾波電路不 宜高于2階,RC常數(shù)取在100ns到200ns之間。
因為相電流方向可正可負,所以Shunt電壓也帶有極性,而一般MCU內(nèi)部ADC并非雙極性ADC,所以在濾波電路之后有一個電阻分壓偏置電路將電壓轉化為單極性。經(jīng)過一級放大器之后得到動態(tài)范圍擴展至 電源軌的信號,以提高信噪比。影響Shunt電流檢測精度的因素主要來自于Shunt電阻精度及其溫漂,運算放大器偏置電壓及其溫漂, 運算放大器非線性誤差及其溫漂??梢?,要想提高Shunt電流檢測精度,一顆性能較好的運算放大器必不 可少。同時Shunt電阻檢測方式可根據(jù)Shunt電阻個數(shù)分為三類,1-Shunt, 2-Shunt和3-Shunt。不同的檢測 方式對運放的壓擺率(Slew Rate)有不同的要求。壓擺率是衡量運算放大器輸出電壓變化速率的重要參數(shù), 單位是V/us,其定義如公式1所示,
公式1
例如一個運放的輸出信號是頻率為f幅值為V p 的正弦信號,則該運放的壓擺率SlewRate = 2πfVp,如果輸 出信號是一個頻率為f幅值為V p 的三角波信號,則該運放的壓擺率SlewRate = 2fVp。
在Shunt電阻電流檢測電路的PCB設計上,有幾點需要注意:
1 RC低通濾波電路應盡可能靠近運放側。
2 Shunt電阻的功率側接地走線應該盡可能粗短而且不要有過孔。因為IGBT的開關會引起較大的階躍電流 di/dt, 而階躍電流di/dt會通過走線或過孔產(chǎn)生的感生電感產(chǎn)生感生電壓,造成較大的過沖,影響電流檢測 精度。如果有過孔,采用多過孔設計,一方面感生電感的并聯(lián)會減小總體感生電感,另一方面通過多個過 孔增強可通過電流。
2 1-Shunt 電流檢測
1-Shunt電流檢測采用一個放置在母線上Shunt電阻來分時檢測ABC三相相電流。因其低成本廣泛用于如空 調(diào)壓縮機控制等家電領域中, 如圖3所示
圖3 1-Shunt電流檢測原理[!--empirenews.page--]
常用電機控制中,PWM頻率一般是10KHz到20KHz,以20KHz為例,一個PWM周期為50us。在50us里需要檢測三相電流,所以每相相電流檢測窗口時間是50/3us乘以PWM占空比。一般電機控制系統(tǒng)中最小 PWM占空比常常定義為5%,所以每相相電流檢測窗口時間最小為50/3us×5%=0.83us。而在程序控制中 ADC采樣時刻??刂圃谶@個相電流檢測窗口正中間,所以對于Shunt電流檢測電路來說,必須在ADC采樣 時刻之前穩(wěn)定,完成電壓信號的建立穩(wěn)定。具體來說如圖3所示,此時間主要包含兩個時間,上升沿時間(Tsr,由運放的壓擺率決定)和穩(wěn)定時間(Tset)。假設上升沿時間占相電流檢測窗口的20%,即20%×0.83us=0.167us,那么對于一個3.3V的MCU,運放最小壓擺率SR=3.3V/0.167us=19.76V/us。同時運放的帶 寬應遠大于PWM頻率,至少10倍以上。
3 2-Shunt電流檢測
對于2-Shunt電流檢測來說,2個Shunt電阻分別置于2相,如A,B,那么C相電流就可以通過2相電流計 算出來,如圖4所示。
圖4 2-Shunt電流檢測原理
所以與1-Shunt電流檢測相比,2-Shunt電流檢測不需要利用分時檢測。所以其每相相電流檢測窗口時 間最小值是1-Shunt的3倍,即壓擺率應為1-Shunt方式的1/3。所以對于一個PWM頻率10KHz,5%最小占空
比,3.3V的MCU系統(tǒng)來說,運放的壓擺率SR=3.3V/0.48us=6.9V/us。
4 3-Shunt電流檢測
3-Shunt電流檢測即利用3個Shunt電阻檢測ABC三相相電流。因為任意兩相電流都可以計算出第三相電 流,而且在一個PWM周期里,最小PWM占空比只能出現(xiàn)在某一相,所以在一個PWM周期里,出現(xiàn)最小 PWM占空比的相電流可以不檢測而通過其他兩相計算得到。這就意味著每相相電流檢測窗口時間沒有了 最小PWM占空比的限制。另外,當電機控制系統(tǒng)零電位參考取負母線電壓時有
公式2
其中Vdc為母線電壓。所以三相占空比之和應為1.5。若C相出現(xiàn)最小占空比5%,那么A相占空比與B相占
空比之和為1.45。因為各相占空比最大為1,所以假設A相占空比達到最大值,則B相占空比達到最小值, 即45%,此時B相相電流檢測窗口時間達到最小值。對于一個PWM頻率20KHz的馬達系統(tǒng),此時B相相電
流檢測窗口時間為50us×45%=22.5us。那么對于一個3.3V的MCU系統(tǒng)來說,還是假定上升沿時間占相電流 檢測窗口的20%,則運放的壓擺率SR=3.3V/(22.5us×20%)=0.73V/us。
結論
Shunt電流檢測廣泛應用于各類交流電機控制器中。不同的Shunt電流檢測方式對電路中運放的壓擺率參數(shù) 要求不一樣,該參數(shù)跟控制系統(tǒng)中的PWM頻率,最小占空比有關。由本文可知,在其他參數(shù)相同情況下,
公式3
例如當PWM頻率為20KHz,最小占空比為5%和上升沿時間占相電流檢測窗口的20%情況下,三種Shunt電 流檢測電路中運放的壓擺率最小值如表1所示。
Shunt電流檢測方式運放壓擺率(V/us)推薦TI運放
1-Shunt20.6OPA141,壓擺率20V/us,建立時
間880ns(12bit ADC)
2-Shunt6.9TLV2772,雙運放,壓擺率
10.5V/us
3-Shunt0.73TLC2274,四運放,壓擺率3.6V/us