马达控制三相变频器中相电流Shunt 检测电路设计

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摘要
        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。本文将探 讨 shunt 电流检测电路设计及不同 Shunt 电流检测电路对运算放大器的要求。
         
        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，
       
        公式1
       
        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。
          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
       
        公式2
       
        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，
       
       
        公式3
       
        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。

Shunt电流检测方式	运放压摆率（V/us）	推荐TI运放
1-Shunt	20.6	OPA141，压摆率20V/us，建立时                                                                          间880ns（12bit ADC）
2-Shunt	6.9	TLV2772，双运放，压摆率                                                                          10.5V/us
3-Shunt	0.73	TLC2274，四运放，压摆率3.6V/us

李小路

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李小路

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