馬達(dá)控制三相變頻器中相電流Shunt 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

摘要

隨著諸如能源之星等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)在家電，醫(yī)療，電動(dòng)車等市場(chǎng)的接收和推廣，以磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法為基礎(chǔ)的高能效三相變頻器廣泛用于各類交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中。FOC 算法需 要精確檢測(cè)三相電流，Shunt 電流檢測(cè)電路因其成本低精度較高取得了廣泛應(yīng)用。本文將探討 shunt 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及不同 Shunt 電流檢測(cè)電路對(duì)運(yùn)算放大器的要求。

概述

磁場(chǎng)定向控制算法(FOC, Field Oriented Control)通過(guò)一系列的前向Clarke運(yùn)算和Park運(yùn)算將檢測(cè)得到交流電機(jī)的三相相電流處理，間接得到轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量，經(jīng)過(guò)經(jīng)典的PI算法對(duì)其進(jìn)行精確控制， 從而保證電機(jī)能以最佳的扭矩高效運(yùn)行，實(shí)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(cè)的精度是決定整個(gè)電機(jī)控制性能的一個(gè)重要因素。一般來(lái)說(shuō)，相電流檢測(cè)共有閉環(huán)霍爾，Shunt電阻， 開(kāi)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(yīng)用。

1 Shunt 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖1 磁場(chǎng)定向控制算法框圖

常用的Shunt電流檢測(cè)電路如圖2所示。Shunt電阻將電機(jī)的相電流轉(zhuǎn)化為相電壓，經(jīng)過(guò)RC低通濾波，偏置電壓預(yù)置之后經(jīng)過(guò)運(yùn)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(cè)電路原理圖

對(duì)于RC低通濾波部分，該濾波器可顯著減小功率部分的開(kāi)關(guān)噪聲，提高相電流檢測(cè)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(shí)也相 應(yīng)顯著增加，限制了可檢測(cè)相電流的最小PWM占空比，降低FOC系統(tǒng)控制精度，一般來(lái)說(shuō)，濾波電路不宜高于2階，RC常數(shù)取在100ns到200ns之間。

因?yàn)橄嚯娏鞣较蚩烧韶?fù)，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(gè)電阻分壓偏置電路將電壓轉(zhuǎn)化為單極性。經(jīng)過(guò)一級(jí)放大器之后得到動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至 電源軌的信號(hào)，以提高信噪比。

影響Shunt電流檢測(cè)精度的因素主要來(lái)自于Shunt電阻精度及其溫漂，運(yùn)算放大器偏置電壓及其溫漂，運(yùn)算放大器非線性誤差及其溫漂。可見(jiàn)，要想提高Shunt電流檢測(cè)精度，一顆性能較好的運(yùn)算放大器必不 可少。同時(shí)Shunt電阻檢測(cè)方式可根據(jù)Shunt電阻個(gè)數(shù)分為三類，1-Shunt， 2-Shunt和3-Shunt。不同的檢測(cè) 方式對(duì)運(yùn)放的壓擺率(Slew Rate)有不同的要求。壓擺率是衡量運(yùn)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，

例如一個(gè)運(yùn)放的輸出信號(hào)是頻率為f幅值為V p 的正弦信號(hào)，則該運(yùn)放的壓擺率SlewRate = 2πfVp，如果輸 出信號(hào)是一個(gè)頻率為f幅值為V p 的三角波信號(hào)，則該運(yùn)放的壓擺率SlewRate = 2fVp。

在Shunt電阻電流檢測(cè)電路的PCB設(shè)計(jì)上，有幾點(diǎn)需要注意：

1 RC低通濾波電路應(yīng)盡可能靠近運(yùn)放側(cè)。

2 Shunt電阻的功率側(cè)接地走線應(yīng)該盡可能粗短而且不要有過(guò)孔。因?yàn)镮GBT的開(kāi)關(guān)會(huì)引起較大的階躍電流 di/dt, 而階躍電流di/dt會(huì)通過(guò)走線或過(guò)孔產(chǎn)生的感生電感產(chǎn)生感生電壓，造成較大的過(guò)沖，影響電流檢測(cè) 精度。如果有過(guò)孔，采用多過(guò)孔設(shè)計(jì)，一方面感生電感的并聯(lián)會(huì)減小總體感生電感，另一方面通過(guò)多個(gè)過(guò)孔增強(qiáng)可通過(guò)電流。

2 1-Shunt 電流檢測(cè)

1-Shunt電流檢測(cè)采用一個(gè)放置在母線上Shunt電阻來(lái)分時(shí)檢測(cè)ABC三相相電流。因其低成本廣泛用于如空調(diào)壓縮機(jī)控制等家電領(lǐng)域中, 如圖3所示

圖3 1-Shunt電流檢測(cè)原理

常用電機(jī)控制中，PWM頻率一般是10KHz到20KHz，以20KHz為例，一個(gè)PWM周期為50us。在50us里需要檢測(cè)三相電流，所以每相相電流檢測(cè)窗口時(shí)間是50/3us乘以PWM占空比。一般電機(jī)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(cè)窗口時(shí)間最小為50/3us×5%=0.83us。而在程序控制中 ADC采樣時(shí)刻?？刂圃谶@個(gè)相電流檢測(cè)窗口正中間，所以對(duì)于Shunt電流檢測(cè)電路來(lái)說(shuō)，必須在ADC采樣 時(shí)刻之前穩(wěn)定，完成電壓信號(hào)的建立穩(wěn)定。具體來(lái)說(shuō)如圖3所示，此時(shí)間主要包含兩個(gè)時(shí)間，上升沿時(shí)間(Tsr，由運(yùn)放的壓擺率決定)和穩(wěn)定時(shí)間(Tset)。假設(shè)上升沿時(shí)間占相電流檢測(cè)窗口的20%，即20%×0.83us=0.167us，那么對(duì)于一個(gè)3.3V的MCU，運(yùn)放最小壓擺率SR=3.3V/0.167us=19.76V/us。同時(shí)運(yùn)放的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)大于PWM頻率，至少10倍以上。

3 2-Shunt電流檢測(cè)

對(duì)于2-Shunt電流檢測(cè)來(lái)說(shuō)，2個(gè)Shunt電阻分別置于2相，如A，B，那么C相電流就可以通過(guò)2相電流計(jì) 算出來(lái)，如圖4所示。

圖4 2-Shunt電流檢測(cè)原理

所以與1-Shunt電流檢測(cè)相比，2-Shunt電流檢測(cè)不需要利用分時(shí)檢測(cè)。所以其每相相電流檢測(cè)窗口時(shí)間最小值是1-Shunt的3倍，即壓擺率應(yīng)為1-Shunt方式的1/3。所以對(duì)于一個(gè)PWM頻率10KHz，5%最小占空比，3.3V的MCU系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)放的壓擺率SR=3.3V/0.48us=6.9V/us。

4 3-Shunt電流檢測(cè)

3-Shunt電流檢測(cè)即利用3個(gè)Shunt電阻檢測(cè)ABC三相相電流。因?yàn)槿我鈨上嚯娏鞫伎梢杂?jì)算出第三相電流，而且在一個(gè)PWM周期里，最小PWM占空比只能出現(xiàn)在某一相，所以在一個(gè)PWM周期里，出現(xiàn)最小 PWM占空比的相電流可以不檢測(cè)而通過(guò)其他兩相計(jì)算得到。這就意味著每相相電流檢測(cè)窗口時(shí)間沒(méi)有了最小PWM占空比的限制。另外，當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)零電位參考取負(fù)母線電壓時(shí)有

其中Vdc為母線電壓。所以三相占空比之和應(yīng)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?yàn)楦飨嗾伎毡茸畲鬄?，所以假設(shè)A相占空比達(dá)到最大值，則B相占空比達(dá)到最小值， 即45%，此時(shí)B相相電流檢測(cè)窗口時(shí)間達(dá)到最小值。對(duì)于一個(gè)PWM頻率20KHz的馬達(dá)系統(tǒng)，此時(shí)B相相電

流檢測(cè)窗口時(shí)間為50us×45%=22.5us。那么對(duì)于一個(gè)3.3V的MCU系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還是假定上升沿時(shí)間占相電流檢測(cè)窗口的20%，則運(yùn)放的壓擺率SR=3.3V/(22.5us×20%)=0.73V/us。

結(jié)論

Shunt電流檢測(cè)廣泛應(yīng)用于各類交流電機(jī)控制器中。不同的Shunt電流檢測(cè)方式對(duì)電路中運(yùn)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(guān)。由本文可知，在其他參數(shù)相同情況下，

例如當(dāng)PWM頻率為20KHz，最小占空比為5%和上升沿時(shí)間占相電流檢測(cè)窗口的20%情況下，三種Shunt電 流檢測(cè)電路中運(yùn)放的壓擺率最小值如表1所示。

參考文獻(xiàn)

1. Field Oriented Control by Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Field-oriented_control

2. OPA141 器件手冊(cè)，http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa141.pdf

3. TLV2772 器件手冊(cè)，http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv2772.pdf

4. TLC2274 器件手冊(cè)，http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc2274.pdf

5. Predicting Op Amp Slew Rate Limited Response,

http://www.ti.com/lit/an/snoa852/snoa852.pdf