無刷電機驅動器中的電流檢測

感應無刷電機驅動器中的電流是必不可少的，即使它只是為了限流。如果要在整個工作范圍內優化性能和穩定性，則電流讀數必須保持一致。有多種方法可以切換三相電橋，這會使電流檢測變得復雜。電流在橋內流動的方式并不總是很明顯，尤其是在考慮各種制動和驅動模式時。

低電流驅動器最簡單和常見的格式是在公共負回路中放置一個分流器，如圖 1 和圖 2 所示。?

圖 1：公共負極中的單個分流器



圖 2：帶有電流指示的公共負極中的單個分流器

對于模擬驅動器中的單側開關，這種格式非常不令人滿意，因為平均分流電流不是平均電機電流。在電橋內循環的飛輪電流不通過分流電阻器。需要檢測峰值電流，但這會立即引入噪聲問題。

單側開關橋接電流

對于數字驅動器，可以在相關相位的導通時間對分流電流進行采樣，但這仍然存在問題。相間接近換向時，可用于感測電流的時間非常短，因為它在低速下具有低占空比。為了進一步加劇這個問題，分流電流有許多高頻分量，必須通過一個具有非?？靿簲[率的放大器來檢測——可能在 20V/μs 的數量級。還必須考慮分流器上的共模電壓擺幅（圖 3）。

圖 3：ON 期間的信號布局

PWM 對單分流電流檢測的影響

如果引入動態制動，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電流進行采樣（圖 4）。

圖 4：PWM 對單分流電流檢測的影響

動態制動電流

如果需要良好的制動控制而不需要特定的制動模式，則可以啟動雙面切換。對于零電壓驅動，需要 50% 的 PWM。這確實意味著有更多時間在低速而不是高速下測量電流。分流器在每個 PWM 周期看到電流反轉（圖 5）。

圖 5：動態制動電流

雙面切換

帶有低電感電機的雙面開關的一個可能的缺點是紋波電流可能很高，這會增加 FET 中的開關損耗以及電機和分流器中的 I2R 損耗。

這次關于正弦換向還有一個更復雜的問題。在梯形換向中，任何時候只有 2 個橋臂被切換，但是當我們轉向正弦換向時，所有三個橋臂同時被切換。在圖 6 中，我們可以看到單個分流器會看到 C 相電流，但分流器不會指示 A 相或 B 相電流。這僅僅意味著單個分流器不適用于正弦換向。

圖 6：正弦換向

單分流器僅準確指示 C 相電流

為了克服這個問題，可以使用兩個分流器，但這仍然沒有解決由于低 PWM 比引起的感測錯誤問題，或者沒有感測到動態制動電流或循環電流的問題。為此，我們現在將研究典型無刷驅動器中實際測量的分流電流和電樞電流之間的差異。

所研究的系統是一種改進的梯形驅動器，具有雙面開關和 3 個分流器，如圖 7 所示。添加了霍爾效應電流傳感器來測量實際的電樞電流流動。

圖 7：帶 3 個分流器的雙面開關梯形驅動

三并聯驅動

然后可以比較來自分流器和電流傳感器的電流讀數。

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%。

在這種驅動器中，分流電流和真實電樞電流之間存在相當大的周期性差異。

在電流達到最大值時，這種關系或多或少是一致的，但當電流接近零且上升時，一致性較差。電流下降時沒有一致性。

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

如果我們放大時基不一致，圖 9 將進一步描述。

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系，但在換向點分流電流瞬間下降為零，然后在電樞電流逐漸下降的同時又開始上升。由于電感，電樞電流不能瞬間改變。很可能是感應電流沒有通過特定的分流器，從而導致了差異。

在周期的不同時期，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，兩個電流都為零，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論，在許多無刷驅動器中，在負極線上使用分流器是一種非常糟糕的電流測量方式。三相橋中的電流顯然非常復雜，尤其是考慮到多種操作模式，包括動態制動、再生制動、正向和反向驅動以及 FET 支路開關選項時。

電流測量不準確的癥狀可能是電機振動和/或依賴于負載的不穩定。對抗這種不穩定性可能意味著額外的阻尼，這通常會導致較差的瞬態響應。

另一種方法是使用分流器來測量相電流，但這會立即帶來分流器上非常大的共模電壓擺幅的挑戰，這需要非常精確的電阻分壓器網絡和精密放大器。此外，當電流大于約 30 安培時，分流器中的熱量開始成為問題。

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

安裝在 90A 電機驅動器中的 Raztec 電流傳感器

環形電流傳感器簡單地環繞電機連接。電流隔離完全消除了共模效應，并準確測量了真實的電樞電流。傳感器的輸出接近軌到軌，因此不需要放大——電流信號可以直接饋送到 A/D。Raztec RAZC 系列傳感器能夠測量最大 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