無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的電流檢測(cè)

感應(yīng)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的電流是必不可少的，即使它只是為了限流。如果要在整個(gè)工作范圍內(nèi)優(yōu)化性能和穩(wěn)定性，則電流讀數(shù)必須保持一致。有多種方法可以切換三相電橋，這會(huì)使電流檢測(cè)變得復(fù)雜。電流在橋內(nèi)流動(dòng)的方式并不總是很明顯，尤其是在考慮各種制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)模式時(shí)。

低電流驅(qū)動(dòng)器最簡(jiǎn)單和常見的格式是在公共負(fù)回路中放置一個(gè)分流器，如圖 1 和圖 2 所示。?

圖 1：公共負(fù)極中的單個(gè)分流器



圖 2：帶有電流指示的公共負(fù)極中的單個(gè)分流器

對(duì)于模擬驅(qū)動(dòng)器中的單側(cè)開關(guān)，這種格式非常不令人滿意，因?yàn)槠骄至麟娏鞑皇瞧骄?a target="_blank">電機(jī)電流。在電橋內(nèi)循環(huán)的飛輪電流不通過(guò)分流電阻器。需要檢測(cè)峰值電流，但這會(huì)立即引入噪聲問(wèn)題。

單側(cè)開關(guān)橋接電流

對(duì)于數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，可以在相關(guān)相位的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)分流電流進(jìn)行采樣，但這仍然存在問(wèn)題。相間接近換向時(shí)，可用于感測(cè)電流的時(shí)間非常短，因?yàn)樗诘退傧戮哂械驼伎毡取榱诉M(jìn)一步加劇這個(gè)問(wèn)題，分流電流有許多高頻分量，必須通過(guò)一個(gè)具有非常快壓擺率的放大器來(lái)檢測(cè)——可能在 20V/μs 的數(shù)量級(jí)。還必須考慮分流器上的共模電壓擺幅（圖 3）。

圖 3：ON 期間的信號(hào)布局

PWM 對(duì)單分流電流檢測(cè)的影響

如果引入動(dòng)態(tài)制動(dòng)，分流器可能看不到任何電流，因此電橋容易損壞。需要定期開啟較低的 FET 支路，以便可以在分流器中對(duì)電流進(jìn)行采樣（圖 4）。

圖 4：PWM 對(duì)單分流電流檢測(cè)的影響

動(dòng)態(tài)制動(dòng)電流

如果需要良好的制動(dòng)控制而不需要特定的制動(dòng)模式，則可以啟動(dòng)雙面切換。對(duì)于零電壓驅(qū)動(dòng)，需要 50% 的 PWM。這確實(shí)意味著有更多時(shí)間在低速而不是高速下測(cè)量電流。分流器在每個(gè) PWM 周期看到電流反轉(zhuǎn)（圖 5）。

圖 5：動(dòng)態(tài)制動(dòng)電流

雙面切換

帶有低電感電機(jī)的雙面開關(guān)的一個(gè)可能的缺點(diǎn)是紋波電流可能很高，這會(huì)增加 FET 中的開關(guān)損耗以及電機(jī)和分流器中的 I2R 損耗。

這次關(guān)于正弦換向還有一個(gè)更復(fù)雜的問(wèn)題。在梯形換向中，任何時(shí)候只有 2 個(gè)橋臂被切換，但是當(dāng)我們轉(zhuǎn)向正弦換向時(shí)，所有三個(gè)橋臂同時(shí)被切換。在圖 6 中，我們可以看到單個(gè)分流器會(huì)看到 C 相電流，但分流器不會(huì)指示 A 相或 B 相電流。這僅僅意味著單個(gè)分流器不適用于正弦換向。

圖 6：正弦換向

單分流器僅準(zhǔn)確指示 C 相電流

為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以使用兩個(gè)分流器，但這仍然沒有解決由于低 PWM 比引起的感測(cè)錯(cuò)誤問(wèn)題，或者沒有感測(cè)到動(dòng)態(tài)制動(dòng)電流或循環(huán)電流的問(wèn)題。為此，我們現(xiàn)在將研究典型無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器中實(shí)際測(cè)量的分流電流和電樞電流之間的差異。

所研究的系統(tǒng)是一種改進(jìn)的梯形驅(qū)動(dòng)器，具有雙面開關(guān)和 3 個(gè)分流器，如圖 7 所示。添加了霍爾效應(yīng)電流傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)際的電樞電流流動(dòng)。

圖 7：帶 3 個(gè)分流器的雙面開關(guān)梯形驅(qū)動(dòng)

三并聯(lián)驅(qū)動(dòng)

然后可以比較來(lái)自分流器和電流傳感器的電流讀數(shù)。

圖 8 中的屏幕截圖描繪了分流電壓（黃色）和電流傳感器輸出（藍(lán)色）。

圖 8：分流電壓和電流傳感器輸出

相電流波形

觀察：

分流電流是電樞電流的整流版本。對(duì)于相同的電流，所描繪的傳感器輸出幅度比分流輸出大約 50%。

在這種驅(qū)動(dòng)器中，分流電流和真實(shí)電樞電流之間存在相當(dāng)大的周期性差異。

在電流達(dá)到最大值時(shí)，這種關(guān)系或多或少是一致的，但當(dāng)電流接近零且上升時(shí)，一致性較差。電流下降時(shí)沒有一致性。

不一致的原因必須是橋內(nèi)存在循環(huán)電流，它們不像正弦換向那樣通過(guò)分流或重疊電流。

如果我們放大時(shí)基不一致，圖 9 將進(jìn)一步描述。

圖 9：相電流波形

再次，在電流上升期間，分流電流與電樞電流之間存在合理的關(guān)系，但在換向點(diǎn)分流電流瞬間下降為零，然后在電樞電流逐漸下降的同時(shí)又開始上升。由于電感，電樞電流不能瞬間改變。很可能是感應(yīng)電流沒有通過(guò)特定的分流器，從而導(dǎo)致了差異。

在周期的不同時(shí)期，我們可以觀察到圖 10。

圖 10：相電流波形

電樞電流接近零，但分流電流不是。在換向點(diǎn)，兩個(gè)電流都為零，這是正確的，但分流電流迅速上升，但電樞電流沒有。

我們可以很明顯地得出結(jié)論，在許多無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器中，在負(fù)極線上使用分流器是一種非常糟糕的電流測(cè)量方式。三相橋中的電流顯然非常復(fù)雜，尤其是考慮到多種操作模式，包括動(dòng)態(tài)制動(dòng)、再生制動(dòng)、正向和反向驅(qū)動(dòng)以及 FET 支路開關(guān)選項(xiàng)時(shí)。

電流測(cè)量不準(zhǔn)確的癥狀可能是電機(jī)振動(dòng)和/或依賴于負(fù)載的不穩(wěn)定。對(duì)抗這種不穩(wěn)定性可能意味著額外的阻尼，這通常會(huì)導(dǎo)致較差的瞬態(tài)響應(yīng)。

另一種方法是使用分流器來(lái)測(cè)量相電流，但這會(huì)立即帶來(lái)分流器上非常大的共模電壓擺幅的挑戰(zhàn)，這需要非常精確的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)和精密放大器。此外，當(dāng)電流大于約 30 安培時(shí)，分流器中的熱量開始成為問(wèn)題。

合乎邏輯的替代方案是采用電隔離電流傳感器來(lái)測(cè)量真正的電樞電流。這些不一定笨重或昂貴。

安裝在 90A 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的 Raztec 電流傳感器

環(huán)形電流傳感器簡(jiǎn)單地環(huán)繞電機(jī)連接。電流隔離完全消除了共模效應(yīng)，并準(zhǔn)確測(cè)量了真實(shí)的電樞電流。傳感器的輸出接近軌到軌，因此不需要放大——電流信號(hào)可以直接饋送到 A/D。Raztec RAZC 系列傳感器能夠測(cè)量最大 40 安培至最大 250 安培的電流，外徑均為 10 毫米。

審核編輯：劉清