《電子技術(shù)應(yīng)用》
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馬達(dá)控制三相變頻器中相電流Shunt檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2014-06-23

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(chē)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(lèi)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。

關(guān)鍵詞      三相變頻器     Shunt電流檢測(cè)   運(yùn)放壓擺率

目錄

概述

1 shunt電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2   1-shunt電流檢測(cè)

3   2-shunt電流檢測(cè)

4   3-shunt電流檢測(cè)

結(jié)論

概述

磁場(chǎng)定向控制算法(FOC,FieldOrientedControl)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。

1Shunt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12bitADC。

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(xiàn)性誤差及其溫漂??梢?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(lèi),1-Shunt, 2-Shunt和3-Shunt。不同的檢測(cè) 方式對(duì)運(yùn)放的壓擺率(SlewRate)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,

式1

例如一個(gè)運(yùn)放的輸出信號(hào)是頻率為f幅值為Vp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Vp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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

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。

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(xiàn)電壓時(shí)有

         公式2

其中Vdc為母線(xiàn)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(lèi)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,

      公式3

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。

Shunt電流檢測(cè)方式

運(yùn)放壓擺率(V/us)

推薦TI運(yùn)放

1-Shunt

20.6

OPA141,壓擺率20V/us,建立時(shí)

間880ns(12bitADC)

2-Shunt

6.9

TLV2772,雙運(yùn)放,壓擺率

10.5V/us

3-Shunt

0.73

TLC2274,四運(yùn)放,壓擺率3.6V/us

表1

參考文獻(xiàn)

1.      FieldOrientedControl byWikipedia,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

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