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电机驱动器中的电流传感器添加时间:2019-09-10

摘要:电流传感器是电机驱动器中最常用的传感器,其输出信号用作保护、反馈等功能,在电机的无传感器控制中,电流传感器更是必不可少的元件。本文针对步进电机、无刷直流电机、无刷交流电机、异步电机的不同拓扑结构,对电流传感器采样位置、采用的传感器的种类,进行了详尽地描述。

  关键词:电流传感器  电流采样集成电路  隔离光耦传感器  霍尔效应传感器

 

Current Transducer in Motor Driver

Jiang Shu-zhong

Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University

(Shanghai 200030)

 

  Abstract:  The current transducer is the commonest one in motor driver. Its output signal is used for protection and feedback. In sensorless control of the motor, the current transducer is indispensable. For the different topologies of stepping motor, brushless dc motor brushless ac motor and induction motor, the positions and types of the current transducers are also different. In this paper, above all are detailed.

  Keywords:  Current transducer, IC transducer, Isolation amplifier, HALL effect transducer.

 

1、前言

  传感器和电机、驱动器、控制器构成运动控制系统或传动系统[1]。电流传感器是电机驱动和控制中最常用的传感器,其输出信号用作保护、反馈等功能,在电机的无传感器控制中,电流传感器更是必不可少的元件,电流信号用来计算磁场位置、磁链、转矩等物理量。在不同种类的电机甚至同一种类但不同相数电机的驱动器中,传感器的种类和所处位置也是不同的。

  上世纪八十年代中期,三相反应式步进电机在我国开始得到应用,其各种驱动电路中,斩波恒流型最为理想。每相通过一个电阻进行电流采样,与给定电流值比较,产生斩波信号。十年后,两相混合式步进电机微步驱动趋于成熟,每相绕组采用H桥拓扑结构,每相电流仍然通过一个电阻进行采样。进入九十年代,无刷直流电机得到迅速发展,由于采用120°通电方式,只须在直流侧负端串入一个采样电阻,就可实现对无刷直流电机的电流控制。近十年,无刷交流电机即永磁同步电机和异步电机的磁场定向控制越来越多,相电流反馈信号是转矩控制和磁场定向的主要变量,对Y接法的三相绕组,需要两个电流传感器采样任何两相电流,采用信号通常需要和相电流隔离,因此常选用有隔离作用的电流传感器,如电流采样集成电路、隔离光耦传感器、霍尔效应传感器。

  本文在总结电流传感器在不同电机驱动器中的作用和要求后,分别说明电流传感器在不同驱动器拓扑结构中所处的位置,扼要说明其工作原理,然后给出不同种类传感器的基本工作原理和使用方法,最后加以简单的比较。

 

2不同拓扑结构中的电流传感器

  图1所示为三相反应式步进电机的一相斩波恒流驱动电路。A相绕组电流 流经电流采样电阻 ,所得采样电压与给定电流对应电压 比较产生开关信号,与相控信号合成后得到斩波信号,控制功率开关P1,使 维持在 给定的电流。图2为两相混合式步进电机的一相绕组驱动电路,H桥结构使每相绕组能以双极性驱动,但采样电阻 上的电压却是单极性的。由于一般的微控制器的电源都是单极性的,采样电压不用极性转换,经处理就可由模数转换部分转换。

  对三相无刷直流电机,电流传感器则放在直流侧的负端,如图3所示。看上去流过电阻 的电流是三相电流之和,但无刷直流电机的绕组工作在120°通电方式,即每个瞬间只有两相绕组通电, 上的电流就是相电流。对永磁同步电机和异步电机的控制特别是磁场定向控制,三相绕组同时通电,采用图3的传感器位置,根据程序中的通电状态和测得的电流,可计算出每相电流。但用PWM开关算法,有时导通宽度较窄,使测量和计算变得复杂,影响实时性,故通常采用图4的传感器放置方法。Y型连接需要两个传感器才能获得每相相电流。由于绕组和控制部分的电路需要隔离,图中的传感器 和 只能采用有隔离功能的电流传感器。

图1. 反应式步进电机的斩波恒流驱动电路

图2. 混合式步进电机H桥驱动电路

图3. 无刷直流电机驱动结构中的电流传感器

图4. 无刷交流电机和异步电机驱动结构中的电流传感器

3.需采样电阻的隔离电流传感器

  电流采样集成电路IR2171/2172是IR公司生产的,引脚及应用电路如图5所示。它是8脚DIP封装的集成电路,输入信号是模拟形式的采样电压,输出信号是数字形式的PWM波,另外还有过流输出信号。图中的采样电阻 串在每相回路中,相电流在 两端的电压降被转换成PWM输出,输出波形如图6所示,周期为25us,占空比随电流大小和方向而变。当电流为零即 两端的电压为零时,引脚 输出的PWM占空比为50%。当电流正向流动导致引脚 与 之间的电压为正时,占空比大于50%,当两脚之间的电压达到260mV时,占空比达到最大值93%。当电流反向流动导致引脚 与 之间的电压为负时,占空比小于50%,当两脚之间的电压达到–260mV时,占空比达到最小值7%。这种集成电路和高压浮动MOS栅极集成电路如IR2136共同使用在小功率驱动电路中非常方便,上桥臂共用一组15V电源,输出信号与下桥臂共地,可直接与控制部分连接,也可经过光耦隔离再与控制部分连接[2]。

图5. IR2172与功率部分的连接

图6. IR2172的PWM输出波形

  线性隔离采样光耦HCPL–7520系列和HCPL–7860系列由Agilent公司生产,其引脚和内部结构如图7所示[3][4]。两者的推荐输入电压范围为±200mV,前者的输出脚 为模拟电压信号,如图8所示。后者内部的调制器则将输入的模拟信号转变成高速(10MHz)的数字信号流,每位数字信号的时间平均值正比于输入信号,从输出脚 输出,引脚 输出10MHz的时钟。它们在电机驱动中的使用如图9所示。由于光耦需要两个隔离的5V电源,输入侧的5V电源可从上桥臂的浮地正电源通过78L05获得,如图9(a)所示,也可通过稳压二极管获得,如图9(b)中的 。图9(a)中,光耦的输出可直接送到微处理器的模数转换器输入端,或通过运算放大器进行适当变换再到其输入端。图9(b)中,数字接口芯片HCPL–0872将光耦的每一位数字信号转换成15位的输出字,正最大输入(320mV)对应的输出字为7FFFH,零输入对应的输出字为4000H,负最大输入(-320mV)对应的输出字为0,并提供串行输出接口,适用于SPI、QSPI、Microwire等协议。一片HCPL–0872可与两片HCPL–7860连接,通过HCPL–0872内部的寄存器,可设置5种转换模式、3种预触发模式、偏移量标定、过流检测和电流阈值设定[5]。HCPL–7520的带宽为100KHz,0.06%的非线型,HCPL–7860的带宽随转换模式而不同,典型值为22KHz。这两个系列的光耦检测电流的范围可从小于1A到100A。

  正确选择图1、图2、图3、图5、图9中与电机相绕组串联的采样电阻至关重要。采样电阻的阻值必须小,以降低自身的功率损耗。电阻的电感必须小,以减小 导致的电压尖峰。电阻的精度适当,以保持整体电路的精度。阻值大小的选取需同时考虑减小自身功耗和提高精度两个方面,因为阻值越小,功耗越小,阻值越大,所得电压越接近传感器或接口电路的最大量程,幅值固定的偏移量及噪音所占的百分比变小。确定阻值时,首先考虑流过电阻的电流,电流可根据电机的功率、驱动器的输出电压、电流波形、过载倍数确定,然后根据传感器的电压量程,就可计算出阻值。例如3KW的永磁同步电动机,驱动器的输入交流电压为220V,采用磁场定向和空间矢量PWM控制,电机相电压的最大基波为126.5V,对应的相电流为7.9A,峰值为11A,若过载倍数为2,最大峰值为22A。设传感器的最大输入电压为200mV,电阻阻值为9.1mΩ,额定功率时电阻的功耗为0.57W,因此可选用靠近该阻值的标准阻值的电阻。另外要注意的是,当采样电阻的功耗较大时,必须选用低温度系数的电阻,或用增加散热器面积、减小印刷电路板电流回路的电阻等方法来降低电阻的热阻。当选用的采样电阻阻值较小时,两端电阻引脚弯曲的长度、如何弯曲、如何焊接、引脚材料的温度系数会引入误差,这时可采用4端电阻,额外的两个引脚采用Kelvin连接,这两个引脚之间的电压为采样电压,电流从另外两个引脚流人流出,避免两端引脚带来的误差。
                     

(a). HCPL–7520

(b). HCPL–7860

图7. 两种线性光耦的引脚和结构

图8. HCPL–7520的输入输出特性

 

图9. 两种光耦的应用电路

4.霍尔电流传感器[6]

  以上两种传感器是将被测电流转换成电压,再隔离放大,输出线性电压信号。基于霍尔效应的电流传感器则不同,它以被测电流产生的磁场为媒介,处于磁场中的霍尔发生器输出相应的电信号。图10所示的是霍尔效应原理示意图,一片厚度为 的导电材料处于磁密为 的磁场中(磁场方向与导体表面垂直),纵向流过的控制电流为 ,则在横向两表面间产生电势差 ,其大小为:

                                                                   
  (1)式中是霍尔常数,与导电材料有关, 是电压偏移量,即磁场不存在时霍尔发生器的输出电压。乘积 称为霍尔发生器的灵敏度,电压偏移量和灵敏度随温度都会发生变化。

               图10. 霍尔效应原理示意图

  LEM公司依据霍尔效应原理生产了三大类型的电流传感器,分别如图11、图12和图13所示。图11所示的是开环霍尔效应电流传感器原理,载有被测电流 的导体从磁芯中间穿过,其产生的磁场沿磁芯最强,磁密为 ,霍尔发生器放置在磁芯的切口里,控制电流 由内部电路提供。当磁芯工作在其磁滞回线的线性区时,磁密 与 成比例,而霍尔电压与 成比例,因此霍尔发生器的输出与 成比例,再加上偏移量 。内部的测量电路移去 ,加以温度补偿,放大后输出。当被测电流小于50A时,为避免内部磁密较弱,将载流导体饶成多匝,维持在50安匝的磁势,产生合适大小的输出电压。

           图11. 开环霍尔效应电流传感器原理

 

  图12则用霍尔电压在副边线圈里产生电流 ,由它产生的磁势与被测电流(又称原边电流)产生的磁势幅值相等、方向相反,使霍尔发生器工作在零磁通状态,因此这种闭环传感器又叫霍尔补偿或零磁通传感器。零磁通运行状态带来性能的显著改善,如消除了伴随温度变化的增益漂移、扩展了测量带宽、降低了响应时间。当两部分电流产生的磁势相等时:

  

 (2)

可进一步写成:

                                                          (3)

  式中 、 分别为原边和副边的匝数。串联在副边回路的外接电阻 将电流信号转换成电压输出。

第三类霍尔传感器如图13所示,Eta表示代表效率的希腊字母“ ”的发音,因为和闭环传感器比,副边线圈所需的功率较少。从性能来看,介于开环和闭环之间。在低频段(不超过2到10KHz),工作在开环传感器状态,霍尔发生器的输出信号与原边电流成比例。高频段工作在电流变压器方式,输出电流正比于原边交流电流。两部分信号经电子合成而输出。

            图12. 闭环霍尔效应电流传感器原理

图13. Eta技术霍尔效应电流传感器原理

  与以上三类技术相对应,LEM公司都有相应的产品系列,它们的主要特点如表1所示。另外,传感器输出信号是电压型的还是电流型的,对接口电路的设计也不一样。如图12的电流输出,需串接一定范围内的电阻,将电流转换成电压。有的类型传感器用双极性电源,转换后的电压也是双极性的。有的类型是如图14所示的电压型输出。送到微控制器前,需进行电平提升和放大。

表1. 三类霍尔效应电流传感器主要性能比较

霍尔效应技术

开环

闭环

Eta

测量范围IP

0到15KA

0到15KA

25到150A

带宽

0到25KHz

0到200KHz

0到100KHz

响应时间td

<3-7us

<1us

<1us

精度(25ºC,IPN百分比)

±1.5%

±0.5%

±1.5%(DC)

±0.5%(AC)

线性度

±0.5%

±0.1%

±0.5%(DC)

±0.1%(AC)

主要特点

功耗小,体积小,成本低

精度高

响应快

功耗小,响应快,电源电压低(5V)

            图14. 霍尔效应电流传感器的电压输出特性

 

5、结论

  本文针对不同电机的驱动器拓扑结构,探讨了电流传感器的采样位置、用电阻采样还是隔离采样,介绍了需采样电阻的隔离电流传感器和霍尔效应电流传感器。具体结论如下:

       绕组电流经采样电阻直接流入直流侧的拓扑结构,可选用电阻进行采样,如图1、图2和图3。对每相电流需经其它两相回路流过的拓扑结构,如图4的三相导通的控制策略,需用隔离采样的电流传感器;

       集成电路IR2171/2172的带宽较窄,典型值为15KHz。PWM输出,与微控制器连接导致频繁的中断。在小功率驱动电路中,和高压浮动MOS栅极集成电路共同使用性价比较高;

       线性隔离光耦有较高的线性度、共模电压抑制比(CMR)、较低的温度漂移。随被测电流增大,采样电阻的选择、电路板的布线愈影响测量精度;

       霍尔效应电流传感器实现了完全隔离的测量方法,测量的电流范围很大,品种多,使用方便,随着价格的降低,应用更普及。