马达控制三相变频器中相电流马达控制三相变频器中相电流Shunt 检测电路设计检测电路设计
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。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。
概述概述
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,