马达控制三相变频器中相电流Shunt 检测电路设计
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随着诸如能源之星等节能标准在家电，医疗，电动车等市场的接收和推广，以磁场定向控制(FOC)算法为基础的高能效三相变频器广泛用于各类交流电机驱动应用中。FOC 算法需 要精确检测三相电流，Shunt 电流检测电路因其成本低精度较高取得了广泛应用。 概述 磁场定向控制算法(FOC, Field Oriented Control)通过一系列的前向Clarke运算和Park运算将检测得到交流电机的三相相电流处理，间接得到转矩分量和磁通分量，经过经典的PI算法对其进行精确控制， 从而保证电机能以最佳的扭矩高效运行，实现精确的速度变化控制，算法框图如图1。由此可知，相电流 检测的精度是决定整个电机控制性能的一个重要因素。一般来说，相电流检测共有闭环霍尔，Shunt电阻， 开环霍尔三种方式。Shunt电阻因其精度较高(全温范围校正后精度2%至5%)，成本低而得到广泛应用。 1 Shunt 电流检测电路设计 图1 磁场定向控制算法框图 常用的Shunt电流检测电路如图2所示。Shunt电阻将电机的相电流转化为相电压，经过RC低通滤波，偏置电压预置之后经过运放放大，输出给MCU(如TI的C28xx系列)内部12bit ADC。 图2 常用Shunt电阻电流检测电路原理图 对于RC低通滤波部分，该滤波器可显着减小功率部分的开关噪声，提高相电流检测精度。但是该滤 波器并不能采用高阶滤波器，一是成本考虑，二是高阶滤波器虽然衰减效果更好，但是滤波器群延时也相 应显著增加，限制了可检测相电流的最小PWM占空比，降低FOC系统控制精度，一般来说，滤波电路不宜高于2阶，RC常数取在100ns到200ns之间。 因为相电流方向可正可负，所以Shunt电压也带有极性，而一般MCU内部ADC并非双极性ADC，所以 在滤波电路之后有一个电阻分压偏置电路将电压转化为单极性。经过一级放大器之后得到动态范围扩展至 电源轨的信号，以提高信噪比。 影响Shunt电流检测精度的因素主要来自于Shunt电阻精度及其温漂，运算放大器偏置电压及其温漂，运算放大器非线性误差及其温漂。可见，要想提高Shunt电流检测精度，一颗性能较好的运算放大器必不 可少。同时Shunt电阻检测方式可根据Shunt电阻个数分为三类，1-Shunt， 2-Shunt和3-Shunt。不同的检测 方式对运放的压摆率(Slew Rate)有不同的要求。压摆率是衡量运算放大器输出电压变化速率的重要参数， 单位是V/us，其定义如公式1所示， 例如一个运放的输出信号是频率为f幅值为V p 的正弦信号，则该运放的压摆率SlewRate = 2πfVp，如果输 出信号是一个频率为f幅值为V p 的三角波信号，则该运放的压摆率SlewRate = 2fVp。 在Shunt电阻电流检测电路的PCB设计上，有几点需要注意： 1 RC低通滤波电路应尽可能靠近运放侧。 2 Shunt电阻的功率侧接地走线应该尽可能粗短而且不要有过孔。因为IGBT的开关会引起较大的阶跃电流 di/dt, 而阶跃电流di/dt会通过走线或过孔产生的感生电感产生感生电压，造成较大的过冲，影响电流检测 精度。如果有过孔，采用多过孔设计，一方面感生电感的并联会减小总体感生电感，另一方面通过多个过孔增强可通过电流。 |
