摘要

隨著諸如能源之星等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)在家電，醫(yī)療,，電動車等市場的接收和推廣,，以磁場定向控制（FOC）算法為基礎(chǔ)的高能效三相變頻器廣泛用于各類交流電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中,。FOC算法需 要精確檢測三相電流,，Shunt電流檢測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電流檢測電路設(shè)計及不同Shunt電流檢測電路對運(yùn)算放大器的要求,。

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

目錄

概述

1 shunt電流檢測電路設(shè)計

2   1-shunt電流檢測

3   2-shunt電流檢測

4   3-shunt電流檢測

結(jié)論

概述

磁場定向控制算法（FOC,FieldOrientedControl）通過一系列的前向Clarke運(yùn)算和Park運(yùn)算將檢測 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)過經(jīng)典的PI算法對其進(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 檢測的精度是決定整個電機(jī)控制性能的一個重要因素,。一般來說,，相電流檢測共有閉環(huán)霍爾，Shunt電阻,， 開環(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電流檢測電路設(shè)計

圖1磁場定向控制算法框圖

圖2  常用Shunt電阻電流檢測電路原理圖

對于RC低通濾波部分，該濾波器可顯著減小功率部分的開關(guān)噪聲,，提高相電流檢測精度,。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,，但是濾波器群延時也相 應(yīng)顯著增加，限制了可檢測相電流的最小PWM占空比,，降低FOC系統(tǒng)控制精度,，一般來說，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電阻分壓偏置電路將電壓轉(zhuǎn)化為單極性。經(jīng)過一級放大器之后得到動態(tài)范圍擴(kuò)展至 電源軌的信號,，以提高信噪比,。

影響Shunt電流檢測精度的因素主要來自于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)算放大器非線性誤差及其溫漂,。可見,，要想提高Shunt電流檢測精度,，一顆性能較好的運(yùn)算放大器必不 可少。同時Shunt電阻檢測方式可根據(jù)Shunt電阻個數(shù)分為三類,，1-Shunt,， 2-Shunt和3-Shunt。不同的檢測 方式對運(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

例如一個運(yùn)放的輸出信號是頻率為f幅值為Vp的正弦信號,，則該運(yùn)放的壓擺率SlewRate=2πfVp,，如果輸 出信號是一個頻率為f幅值為Vp的三角波信號，則該運(yùn)放的壓擺率SlewRate=2fVp,。

  在Shunt電阻電流檢測電路的PCB設(shè)計上,，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)接地走線應(yīng)該盡可能粗短而且不要有過孔,。因?yàn)镮GBT的開關(guān)會引起較大的階躍電流 di/dt, 而階躍電流di/dt會通過走線或過孔產(chǎn)生的感生電感產(chǎn)生感生電壓,，造成較大的過沖，影響電流檢測 精度,。如果有過孔,，采用多過孔設(shè)計，一方面感生電感的并聯(lián)會減小總體感生電感,，另一方面通過多個過 孔增強(qiáng)可通過電流,。

2   1-Shunt電流檢測

1-Shunt電流檢測采用一個放置在母線上Shunt電阻來分時檢測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PWM周期為50us,。在50us里需要檢測三相電流,，所以每相相電流檢測窗口時間是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窗口時間最小為50/3us×5%=0.83us,。而在程序控制中 ADC采樣時刻?？刂圃谶@個相電流檢測窗口正中間,，所以對于Shunt電流檢測電路來說，必須在ADC采樣 時刻之前穩(wěn)定,，完成電壓信號的建立穩(wěn)定,。具體來說如圖3所示，此時間主要包含兩個時間,，上升沿時間（Tsr,，由運(yùn)放的壓擺率決定）和穩(wěn)定時間（Tset）。假設(shè)上升沿時間占相電流檢測窗口的20%,，即20%×0.83us=0.167us,，那么對于一個3.3V的MCU，運(yùn)放最小壓擺率SR=3.3V/0.167us=19.76V/us,。同時運(yùn)放的帶 寬應(yīng)遠(yuǎn)大于PWM頻率,，至少10倍以上。

3  2-Shunt電流檢測

對于2-Shunt電流檢測來說,，2個Shunt電阻分別置于2相,，如A,，B，那么C相電流就可以通過2相電流計 算出來,，如圖4所示,。

圖4 2-Shunt電流檢測原理

所以與1-Shunt電流檢測相比，2-Shunt電流檢測不需要利用分時檢測,。所以其每相相電流檢測窗口時 間最小值是1-Shunt的3倍,，即壓擺率應(yīng)為1-Shunt方式的1/3。所以對于一個PWM頻率10KHz,，5%最小占空

比,，3.3V的MCU系統(tǒng)來說，運(yùn)放的壓擺率SR=3.3V/0.48us=6.9V/us,。

4  3-Shunt電流檢測

3-Shunt電流檢測即利用3個Shunt電阻檢測ABC三相相電流,。因?yàn)槿我鈨上嚯娏鞫伎梢杂嬎愠龅谌嚯?流，而且在一個PWM周期里,，最小PWM占空比只能出現(xiàn)在某一相,，所以在一個PWM周期里，出現(xiàn)最小 PWM占空比的相電流可以不檢測而通過其他兩相計算得到,。這就意味著每相相電流檢測窗口時間沒有了 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)母線電壓時有

         公式2

其中Vdc為母線電壓,。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B相相電流檢測窗口時間達(dá)到最小值。對于一個PWM頻率20KHz的馬達(dá)系統(tǒng),，此時B相相電

流檢測窗口時間為50us×45%=22.5us,。那么對于一個3.3V的MCU系統(tǒng)來說，還是假定上升沿時間占相電流 檢測窗口的20%,，則運(yùn)放的壓擺率SR=3.3V/（22.5us×20%）=0.73V/us,。

結(jié)論

Shunt電流檢測廣泛應(yīng)用于各類交流電機(jī)控制器中。不同的Shunt電流檢測方式對電路中運(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