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)動新型電機(jī)并實現(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，以形成對電機(jī)勵磁電流、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，只有實現(xiàn)準(zhǔn)確的電流采樣，才能保證電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

1 電機(jī)電流采樣方案

電機(jī)控制器中電流信號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或三個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，利用差分運算放大器對該電壓進(jìn)行放大，再將放大器的輸出接到控制器ADC的輸入口，由控制器通過運算得到電機(jī)的相電流。

2 電機(jī)電流采樣電路設(shè)計分析

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(假設(shè)圖2所示方向為電流正方向)，此時若不加處理，單端ADC無法實現(xiàn)對該電流的采樣。因此，在差分運算放大器電路中，會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，差分運算放大器電路的輸出始終為正電壓。圖2中差分運算放大器電路的輸出可表示為[5]

Vo=(IM×RShunt±VOS)×G+VREF

(1)

式中，Vo代表差分運算放大器的輸出電壓；IM為采樣得到的電機(jī)電流；VOS為運算放大器的輸入失調(diào)電壓；G為差分運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、運算放大器、ADC等器件的選型。

在實際使用中，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，此時的輸出電壓包含了參考電壓和運放的輸入失調(diào)電壓，之后保存該電壓，在執(zhí)行電流采樣時將采樣電壓值與該電壓作差，再計算得到采樣電流值，這樣以來便消除了偏置電壓和運算放大器輸入失調(diào)電壓對輸出電壓的影響，不僅可以提高電流采樣的準(zhǔn)確度還可以簡化電機(jī)電流的計算過程。

2.2 濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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)的配置會影響到電機(jī)電流環(huán)控制的帶寬，進(jìn)而對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)動橋路開關(guān)噪聲所帶來的不利影響，并且在整個電機(jī)電流控制環(huán)路帶寬內(nèi)，保證幅值和相位增益不會發(fā)生突變。考慮到寄生電感的影響，實際的電流采樣電路如圖3所示。

圖3 實際的電流采樣電路

基于圖3，整個電流采樣電路的傳遞函數(shù)可表達(dá)為

(2)

式中,Vo(s)為運放輸出電壓；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)中的共模增益項可以忽略。因此整個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)中引入二階動態(tài)響應(yīng)和一個零點。該零點將增加系統(tǒng)階躍響應(yīng)中的高頻部分，對電流采樣產(chǎn)生不利影響。為了在電機(jī)電流環(huán)控制帶寬內(nèi)獲得相對平坦的動態(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)中引入一個極點來部分消除該零點的影響，為了實現(xiàn)零極點對消，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時刻施加幅值為1 A的階躍信號時，電路的瞬時特性如圖5所示。

圖5 電流采樣電路瞬時特性仿真結(jié)果

從圖5可以看到，當(dāng)電機(jī)電流IM為1 A時，運算放大器的輸出電壓Vo約為5.1 V，符合式(1)的預(yù)期計算結(jié)果。同時可以看到由于采樣電阻回路中寄生電感Lsh的影響，會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)計要點

電機(jī)采樣電路的PCB設(shè)計同樣會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算放大器，將功率線與采樣線分開走線，同時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)計要點，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，通過仿真驗證了相關(guān)設(shè)計分析結(jié)果的正確性。