基于MOSFET导通电阻的无刷直流电机相电流采样技术研究

杨天+张捍东

摘 要：无刷直流电机矢量控制（FOC）对相电流的采样要求很高，文中利用MOSFET導通时自身的内阻代替传统的精密电阻以实现相电流的采样。在实际应用中，该技术可以节约成本，简化电路，特别在大功率场合，大电流流过精密电阻时会产生很大的额外功率损耗，这使得利用MOSFET导通电阻实现电流采样具有很高的实际应用价值。文章鉴于MOSFET导通电阻受温度、电流变化的影响，通过对温度、电流的实时检测，实现对阻值的补偿控制。最后通过实验验证了基于MOSFET导通电阻相电流采样的精确性，并能够很好地应用于无刷直流电机的矢量控制系统中。

关键词：电流采样；无刷直流电机；MOSFET；导通电阻；温度；矢量控制

中图分类号：TP202；TM33 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-04

0 引 言

无刷直流电机相比于感应电机、有刷电机等电机拥有寿命长、维护少，产生的转矩大，同体积能够产生更大输出功率，加减速特性好，电磁干扰小等优点。近年来，无刷直流电机被应用于越来越多的场合。随着电机控制技术的不断进步，矢量控制（FOC）、直接转矩控制（DTC）、智能控制等先进控制方案的提出和深入研究，尤其是矢量控制技术的不断成熟，在许多行业取代传统方波控制已成为趋势。

无刷直流电机矢量控制需要通过采集三相电流值来实现算法控制。MOSFET导通时自身存在内阻，导通电阻阻值受温度、电流影响呈规律性变化[1]，工程中完全可以通过适当的补偿完成对导通电阻阻值的实时校正，从而实现对相电流值的准确采样。与传统的三电阻采样相比，利用MOSFET内阻采样电流时完全可以去掉三个采样电阻，优化硬件电路，节约成本；同时避免了电流在功率电阻上产生的功率损耗，该技术更适用于大功率场合。文献[2]提出了大功率场合基于MOSFET导通电阻的电流采样技术，并针对MOSFET多管并联电路分析论证了该技术的实际可行性。但文献中默认MOSFET导通电阻阻值是固定的，未考虑温度、电流对阻值的影响[2]。文献[3]只是笼统提出MOSFET导通电阻随温度变化呈线性变化规律，可以通过相应的补偿控制实现基于MOSFET导通电阻的电流采样[3]，但文献没有分析论证，也没有给出具体的实现方法。

本文基于MOSFET导通电阻的电流采样技术，分析了MOSFET导通电阻的阻值受温度、电流影响的变化规律，给出了具体的软件补偿算法和硬件电路。最后搭建了实验平台，测试验证了电流采样的精度，该技术可以很好地应用于电机的矢量控制中。

1 MOSFET导通电阻电流采样方案的分析

1.1 MOSFET导通电阻特性的研究分析

MOSFET导通电阻是指导通时漏源电压与漏源电流之比，记RON=VDS/IDS。MOSFET是由加在输入端栅极的电压VGS来控制输出端漏极的电流IDS。同时，MOSFET结温的升高导致载流子迁移率发生变化，进而影响漏源电流IDS，最终改变了导通电阻RON。本文通过搭建图1所示的MOSFET测试电路，进一步测试分析了导通电阻的变化规律。MOSFET以STP80NF70为例。

STP80NF70输出特性曲线如图2所示，STP80NF70转移特性曲线如图3所示[4]。

由图2可知，VGS越大MOSFET的导通效果越好，导通电阻RON越小。由图3可知，当VGS大于开启电压4 V时，MOSFET开始导通；当VGS达到9 V以上时，MOSFET完全导通，此时导通电阻很小。在MOS管GS两端施加10 V电压，测试不同温度和电流条件下对MOS管导通电阻RON的影响。

由图4可以看出导通电阻典型值随电流ID的增加变化幅度相对较小，总体呈近似线性关系；由图5可知，温度变化对RON影响较大，RON值呈正温度系数变化，在最高温度范围内导通电阻值可以达到典型值的2倍（典型值即为温度在25℃情况下导通电阻的阻值）。

1.2 MOSFET导通电阻受温度、电流影响的补偿计算

由图4可知，随电流变化导通电阻典型值呈近似线性变化规律。这里对导通电阻典型值随电流变化做线性补偿，具体补偿公式如式（1）所示，补偿系数K1即为图4中两点间斜率的平均值，K1取3×10-3。

Rtyp（mΩ）=K1（ID-40）+8.2 （1）

图5中纵坐标单位为典型值，在25℃时纵坐标值为1。可以看出，随温度的变化，导通电阻相对典型值倍数呈线性变化规律。这里对导通电阻随温度变化做线性补偿，具体补偿公式如式（2）所示，补偿系数K2为图5中图形的斜率，K2取7.5×10-3。

RON（mΩ）=Rtyp（K2T+0.83） （2）

式中， Rtyp为25℃时对应电流的导通电阻典型值， T（℃）为温度，ID（A）为漏极电流。

2 基于MOSFET导通电阻的相电流采样具体实现

2.1 相电流采样硬件电路的设计

图6所示为基于MOSFET导通电阻采样相电流的硬件电路图。A，B，C三相对称，以A相为例。

图6中的运放型号选用TSV914，通过运放将VGS电压信号放大输出给微处理器，其放大倍数K=1+（R5/R2）。C5为消振电容，通过并联小电容提供一个高频交流负反馈通道来降低系统的高频增益，从而防止发生高频自激振荡。R1、R2为10kΩ的输入端平衡电阻，前面4个磁珠和2个小电容构成两级高频滤波电路。同相输入端上拉一个330 kΩ大电阻R3，相当于一个加法器，拉高运放同相输入端的输入电位以保证正负电流的准确采样。运放输出端经低通滤波处理器。

导通电阻受温度影响变化较大，需要实时采集温度信息。本文利用温敏电阻阻值随温度呈线性变化的特性，通过10 kΩ固定电阻和10 kΩ温敏电阻构成分压电路将信号输出给处理器。在PCB板的设计中，温敏电阻需要放在温度变化敏感的地方。图7所示为温敏电阻在电路板中合适的摆放位置。

如图7所示，选用贴片温敏电阻（RT）摆放在上层中间相（B）出线口附近，贴片对应的下层是流过大电流的功率地。由于考虑到散热等因素，温敏电阻测得的温度和实际的MOSFET温度呈一定比例系数的差距，经实际温度测试，取MOSFET温度为温敏电阻温度的1.4倍，通过温敏电阻实测的温度计算MOSFET的温度。

2.2 相电流采样及补偿控制的软件实现

图8所示为基于MOSFET导通电阻的无刷直流电机的相电流采样及相应阻值补偿计算的软件程序流程图。

如图8所示，控制器上电后，主处理器（单片机）初始化，此时电机未工作，相电流ID为0。各项功能初始化后，程序进入主循环，每次循环进行一次温度检测及相关功能操作；当处理器检测到电机启动信号时，PWM捕获功能启动，通过相应的算法控制每个PWM周期中触发捕获的时间点，PWM捕获触发即开启相应通道的AD转换，每个PWM周期转换一次。AD转换完成即进入ADC完成中断，在中断中先进行Rtyp和RON的计算，根据MOSFET导通电阻值和AD转换得到的压降值得出相电流值，最后根据FOC算法控制相序、占空比及PWM捕获点。

3 实验分析

为了验证基于MOSFET导通电阻采样无刷直流电机相电流的准确性，本文采用图6所示的电流采样电路，选用STM32F103C6T6主控制芯片搭建了无刷直流电机控制器硬件实验平台。在软件设计中加入温度、电流补偿算法；测试电机为盛仪350 W电机SY73626PK6023YS1，相电流限流40 A，直流母线电流限流20 A。

图9所示为实验测试所需要的设备，包括示波器，温度、电流等各类探头及电机控制器。图10所示为实验测试现场，包括光中测功机测试系统。通过控制负载的变化，在不同温度下对比测试传统电阻电流采样、基于MOSFET导通电阻的电流采样及实际电流值。考虑到无刷直流电机矢量控制时，相电流呈正弦波变化，故本文所测电流值为相电流的最大值。不同条件下电流采样值与实际值的对比见表1所列。

由表1可知，在负载、温度变化时，基于MOSFET导通电阻的电流采样值与实际电流值相比较，在12 N·m负载，75℃时误差值最大达到3.7%；限流时，在30 N·m负载，150℃时直流母线限流误差最大達到+0.41 A，可见相对误差较小。该技术可以应用于许多电流采样精度要求不高的行业，例如电动自行车行业，在温度0℃以上，直流母线电流小于20A的情况下，完全可以达到电流采样精度小于5%，同时直流母线限流误差在0.5 A内的技术指标要求。

将通过MOSFET导通电阻采样的电流值结合FOC算法并实际运用于无刷直流电机控制中，观察电机工作情况，通过示波器捕捉相电流波形。由图11可知，电机相电流波形近似正弦波，经过长时间测试，电机运行稳定。实验验证了基于MOSFET导通电阻采样电流的准确性，并且可以很好地应用于无刷直流电机的矢量控制中。

4 结 语

无刷直流电机矢量控制需要时刻采样三相电流值，由于采用传统精密电阻采样电流会产生额外的功率损耗，考虑到MOSFET导通时自身存在的内阻可以代替精密电阻实现相电流的采样。本文进一步分析了MOSFET导通电阻在温度、电流不同条件下阻值变化的规律，并给出了硬件电路图，从软件上实现阻值的补偿控制，最后搭建了实验平台。通过测试实验验证了基于MOSFET导通电阻采样相电流的准确性，并且可以很好地应用于无刷直流电机矢量控制方案中。由于避免了检测电阻对电路系统造成的额外功率损失，在大功率电机控制领域有很好的应用价值。

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