开关磁阻电机控制中电流信号采集电路的设计

2014-06-07甄小勇任传波贾安兵瞿育文

河南科技大学学报(自然科学版) 2014年6期

关键词：电流值低通滤波器磁阻

甄小勇，任传波，贾安兵，瞿育文

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255091）

开关磁阻电机控制中电流信号采集电路的设计

甄小勇，任传波，贾安兵，瞿育文

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255091）

在开关磁阻电机的控制系统中，电流信号的测量精度直接关系到电机的控制效果，因此设计了一种电流信号采集电路。此电路为高速线性隔离电路，既能通过高频电压信号，又能取得良好的线性效果。同时，利用“Filter Solutions”软件设计了一个低通滤波器，在开关磁阻电机的控制中能采集到精度很高的电流波形。实验结果表明：此电路的应用能较大地改善采集到的电流信号的精度，从而使电机运行更加平稳。

线性隔离；低通滤波器；开关磁阻电机；电流

0 引言

在开关磁阻电机中的控制过程中，要取得良好的运行性能，必须加入电流环，因此，采集到的电流值的精确性就显得非常重要［1－2］。但是在实际应用中，由于外围电路的干扰会对主控单元运行的可靠性产生很大的影响，所以采用电气隔离电路［3］。但是通常的线性隔离电路会造成电流信号的失真。例如文献［4］中提出的电路只能通过低频信号，高频信号通过时实时性较差；还有一些集成的隔离放大模块如ADI公司的AD7400系列，其输入电压信号范围只能是±250 mV，故使用场合有限。针对这种情况，本文提出了一种采用高速线性［5－6］隔离电路和低通滤波器组成的硬件电路，既滤除了电流信号中的谐波，又保证了电流信号的实时性。

1 开关磁阻电机三相电流信号采集电路

试验电机为12／8极三相开关磁阻电机；额定功率为3 kW；调速范围为0～3 500 r／m in；输入电压为48 V；额定电流为80 A；额定转速为1 500 r／min；额定转矩为19.1 N·m。

结合实验电机，选用的电流传感器为CSM200B。由于CSM200B输出的是电流值，需要在输出端串联电阻接地，把电流值转化成电压值，然后再输入到电流采集电路中。最后把电流采集电路输出的电压值接到主控芯片中，实现DSP对电流信号的采集。原理框图如图1所示［7－8］。为满足DSP对输入信号的要求，电阻R选用33Ω，CSM200B输出电流最大值为100 mV（对应实际电流200 A），由此DSP输入电压最大值为3.3 V。

图1中的电流采集电路部分分为线性隔离［9－10］电源电路（见图2）和低通滤波电路（见图3）。由于要采集的电流信号频率较高，故隔离电路的高线性模拟光耦采用带宽大于1 MHz的HCNR201，运算放大器选用TL082CD，TL082CD导通时间只有50 ns，而且压摆率达到13 V／μs。另外，电路工作原理可查阅文献［11］。

考虑到本实验电机在调速值2 000 r／m in且使用单脉冲控制策略（此时电流信号频率最大）时，电流信号频率为600 Hz，谐波频率大于5 000 Hz，因此，使用滤波器设计软件Filter Solutions 10.0设计了一阶低通巴特沃斯滤波器。电路如图3所示，电路的输入端Vin2接隔离电源电路的输出端Vout1。为了弥补相位的损失，在小于谐波频率的情况下适当增大导通频率，此滤波器的通带频率选取2 kHz，幅频和相频特性如图4所示。由图4可以看出：小于0.6 kHz的信号幅频特性都满足要求，而大于5 kHz的信号衰减幅度较大，对滤除谐波起到较大作用。

图1 电流信号采集框图

图2 线性隔离电源电路

图3 低通滤波电路

图4 低通滤波器的频率特性

2 实验结果

首先测量此电流采集电路输入信号的范围和精度，实验结果如图5和图6所示，通过示波器测量得到。可以观察到输入值在0～5 V变化时，输出值与输入值有很好的线性关系，满足输入值0～3.3 V的变化范围要求。从输入值和输出值的比较中可以看到：误差在20 mV之内，即采样电流误差在20 mV×（6 A／100 mV）＝1.2 A之内，对电流闭环控制影响可忽略，采样精度较高。