马达控制三相变频器中相电流Shunt 检测电路设计
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。
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2 1-Shunt 电流检测
1-Shunt电流检测采用一个放置在母线上Shunt电阻来分时检测ABC三相相电流。因其低成本广泛用于如空调压缩机控制等家电领域中, 如图3所示
图3 1-Shunt电流检测原理
常用电机控制中,PWM频率一般是10KHz到20KHz,以20KHz为例,一个PWM周期为50us。在50us里需要检测三相电流,所以每相相电流检测窗口时间是50/3us乘以PWM占空比。一般电机控制系统中最小 PWM占空比常常定义为5%,所以每相相电流检测窗口时间最小为50/3us×5%=0.83us。而在程序控制中 ADC采样时刻常控制在这个相电流检测窗口正中间,所以对于Shunt电流检测电路来说,必须在ADC采样 时刻之前稳定,完成电压信号的建立稳定。具体来说如图3所示,此时间主要包含两个时间,上升沿时间(Tsr,由运放的压摆率决定)和稳定时间(Tset)。假设上升沿时间占相电流检测窗口的20%,即20%×0.83us=0.167us,那么对于一个3.3V的MCU,运放最小压摆率SR=3.3V/0.167us=19.76V/us。同时运放的带宽应远大于PWM频率,至少10倍以上。
3 2-Shunt电流检测
对于2-Shunt电流检测来说,2个Shunt电阻分别置于2相,如A,B,那么C相电流就可以通过2相电流计 算出来,如图4所示。
图4 2-Shunt电流检测原理
所以与1-Shunt电流检测相比,2-Shunt电流检测不需要利用分时检测。所以其每相相电流检测窗口时间最小值是1-Shunt的3倍,即压摆率应为1-Shunt方式的1/3。所以对于一个PWM频率10KHz,5%最小占空比,3.3V的MCU系统来说,运放的压摆率SR=3.3V/0.48us=6.9V/us。
4 3-Shunt电流检测
3-Shunt电流检测即利用3个Shunt电阻检测ABC三相相电流。因为任意两相电流都可以计算出第三相电流,而且在一个PWM周期里,最小PWM占空比只能出现在某一相,所以在一个PWM周期里,出现最小 PWM占空比的相电流可以不检测而通过其他两相计算得到。这就意味着每相相电流检测窗口时间没有了最小PWM占空比的限制。另外,当电机控制系统零电位参考取负母线电压时有
其中Vdc为母线电压。所以三相占空比之和应为1.5。若C相出现最小占空比5%,那么A相占空比与B相占空比之和为1.45。因为各相占空比最大为1,所以假设A相占空比达到最大值,则B相占空比达到最小值, 即45%,此时B相相电流检测窗口时间达到最小值。对于一个PWM频率20KHz的马达系统,此时B相相电
流检测窗口时间为50us×45%=22.5us。那么对于一个3.3V的MCU系统来说,还是假定上升沿时间占相电流检测窗口的20%,则运放的压摆率SR=3.3V/(22.5us×20%)=0.73V/us。
结论
Shunt电流检测广泛应用于各类交流电机控制器中。不同的Shunt电流检测方式对电路中运放的压摆率参数 要求不一样,该参数跟控制系统中的PWM频率,最小占空比有关。由本文可知,在其他参数相同情况下,
例如当PWM频率为20KHz,最小占空比为5%和上升沿时间占相电流检测窗口的20%情况下,三种Shunt电 流检测电路中运放的压摆率最小值如表1所示。
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