甄小勇，任傳波，賈安兵，瞿育文

（山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255091）

開關磁阻電機控制中電流信號采集電路的設計

甄小勇，任傳波，賈安兵，瞿育文

（山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255091）

在開關磁阻電機的控制系統(tǒng)中，電流信號的測量精度直接關系到電機的控制效果，因此設計了一種電流信號采集電路。此電路為高速線性隔離電路，既能通過高頻電壓信號，又能取得良好的線性效果。同時，利用“Filter Solutions”軟件設計了一個低通濾波器，在開關磁阻電機的控制中能采集到精度很高的電流波形。實驗結(jié)果表明：此電路的應用能較大地改善采集到的電流信號的精度，從而使電機運行更加平穩(wěn)。

線性隔離；低通濾波器；開關磁阻電機；電流

0 引言

在開關磁阻電機中的控制過程中，要取得良好的運行性能，必須加入電流環(huán)，因此，采集到的電流值的精確性就顯得非常重要［1－2］。但是在實際應用中，由于外圍電路的干擾會對主控單元運行的可靠性產(chǎn)生很大的影響，所以采用電氣隔離電路［3］。但是通常的線性隔離電路會造成電流信號的失真。例如文獻［4］中提出的電路只能通過低頻信號，高頻信號通過時實時性較差；還有一些集成的隔離放大模塊如ADI公司的AD7400系列，其輸入電壓信號范圍只能是±250 mV，故使用場合有限。針對這種情況，本文提出了一種采用高速線性［5－6］隔離電路和低通濾波器組成的硬件電路，既濾除了電流信號中的諧波，又保證了電流信號的實時性。

1 開關磁阻電機三相電流信號采集電路

試驗電機為12／8極三相開關磁阻電機；額定功率為3 kW；調(diào)速范圍為0～3 500 r／m in；輸入電壓為48 V；額定電流為80 A；額定轉(zhuǎn)速為1 500 r／min；額定轉(zhuǎn)矩為19.1 N·m。

結(jié)合實驗電機，選用的電流傳感器為CSM200B。由于CSM200B輸出的是電流值，需要在輸出端串聯(lián)電阻接地，把電流值轉(zhuǎn)化成電壓值，然后再輸入到電流采集電路中。最后把電流采集電路輸出的電壓值接到主控芯片中，實現(xiàn)DSP對電流信號的采集。原理框圖如圖1所示［7－8］。為滿足DSP對輸入信號的要求，電阻R選用33Ω，CSM200B輸出電流最大值為100 mV（對應實際電流200 A），由此DSP輸入電壓最大值為3.3 V。

圖1中的電流采集電路部分分為線性隔離［9－10］電源電路（見圖2）和低通濾波電路（見圖3）。由于要采集的電流信號頻率較高，故隔離電路的高線性模擬光耦采用帶寬大于1 MHz的HCNR201，運算放大器選用TL082CD，TL082CD導通時間只有50 ns，而且壓擺率達到13 V／μs。另外，電路工作原理可查閱文獻［11］。

考慮到本實驗電機在調(diào)速值2 000 r／m in且使用單脈沖控制策略（此時電流信號頻率最大）時，電流信號頻率為600 Hz，諧波頻率大于5 000 Hz，因此，使用濾波器設計軟件Filter Solutions 10.0設計了一階低通巴特沃斯濾波器。電路如圖3所示，電路的輸入端Vin2接隔離電源電路的輸出端Vout1。為了彌補相位的損失，在小于諧波頻率的情況下適當增大導通頻率，此濾波器的通帶頻率選取2 kHz，幅頻和相頻特性如圖4所示。由圖4可以看出：小于0.6 kHz的信號幅頻特性都滿足要求，而大于5 kHz的信號衰減幅度較大，對濾除諧波起到較大作用。

圖1 電流信號采集框圖

圖2 線性隔離電源電路

圖3 低通濾波電路

圖4 低通濾波器的頻率特性

2 實驗結(jié)果

首先測量此電流采集電路輸入信號的范圍和精度，實驗結(jié)果如圖5和圖6所示，通過示波器測量得到?？梢杂^察到輸入值在0～5 V變化時，輸出值與輸入值有很好的線性關系，滿足輸入值0～3.3 V的變化范圍要求。從輸入值和輸出值的比較中可以看到：誤差在20 mV之內(nèi)，即采樣電流誤差在20 mV×（6 A／100 mV）＝1.2 A之內(nèi)，對電流閉環(huán)控制影響可忽略，采樣精度較高。

圖5 輸入電壓值

圖6 輸出電壓值

在開關磁阻電機控制過程中測量電流信號，選取低速300 r／m in和高速2 000 r／m in兩種情況觀察電流測量電路的效果。分別如圖7和圖8所示，其中100 mV對應6 A的電流。

圖7是開關磁阻電機在300 r／m in時的電流信號采集結(jié)果，比較圖7a和圖7b可知：經(jīng)過隔離部分輸出的電流信號比電流傳感器直接輸出的信號已經(jīng)有了明顯的改善，電流波形變得更加平滑。比較圖7b和圖7c可知：經(jīng)過低通濾波器后高頻諧波基本都被濾除，電流精度得到進一步的提高。

圖8是開關磁阻電機在2 000 r／m in時的電流信號采集結(jié)果，比較圖8a、圖8b和圖8c同樣可得出此電路良好的濾波效果。同時在2 000 r／min的較高轉(zhuǎn)速下，濾波效果仍然非常理想，也驗證了此線性隔離濾波電路的可靠性和廣泛性。

本實驗電路的輸入和輸出信號的電源是相互隔離的，相互之間不會造成干擾，因此，對整個控制系統(tǒng)的抗干擾能力會有很大的提高。實驗結(jié)果中輸入和輸出的線性效果比較好，驗證了此電路良好的線性隔離效果。

圖7 300 r／m in時輸出信號

另外，在低速300 r／m in和高速2 000 r／m in的電流波形圖中可以看到：最后輸出的電流值相比實際電流值在相位上沒有明顯的延遲，而導通時間卻延后了200μs左右。由于在控制策略中設計的電流環(huán)執(zhí)行周期是250μs，因此導通時間的延后最多影響一個電流采集值，對電機的控制基本沒有影響。

3 結(jié)論

本文提出的采用高速隔離電路和低通濾波器組成的硬件電路，既解決了開關磁阻電機控制中電流采集的電氣隔離和諧波問題，又克服了相位的損失，從而保證了電流信號的實時性，這能使電機控制的精度獲得較大提高。該電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，輸出值精確，可簡化DSP等主控芯片的濾波程序，在電機控制中有較大的實用價值。

［1］ 吳紅星.開關磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010：177－181.

［2］ 張國雄.測控電路［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2010：45－50.

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TM352

A

1672－6871（2014）06－0039－03

山東省科技發(fā)展計劃基金項目（2011GGX10505）

甄小勇（1987－），男，山東日照人，碩士生；任傳波（1964－），男，通信作者，山東濰坊人，教授，博士，博士生導師，研究方向為汽車動力學與控制技術(shù).

2014－02－18