电机电流检测电路研究

林子翔 樊璟 贾宏伟

摘要：位置环、速度环和电流环组成了伺服电机的三环控制系统。针对电流环控制的电流采集环节，设计了基于AD7403的电流环电流信号采集电路。其关键优势在于，AD7403芯片可以非常接近实际交流电流路径，就近把模拟信号转化为数字输出流，再通过DSP的数字滤波器可重构原始信息。这样最大程度地降低噪声拾取，降低EMl/RFl效应，提高系统精度。而且相对于传统基于光耦合器的解决方案容易受到较长的传播延迟影响，基于隔离式调制器的电流检测应用ADl的iCoupler?技术可以使隔离式调制器响应和栅极驱动器的低传播延迟同时具备精确时序，通过快速粗调数字滤波器实现短路过流保护。

关键词：电流检测；AD7403；电机

0 引言

控制精度要求较高的伺服电机一般都是采用由位置环、速度环和电流环组成的三环控制系统。三环结构可以使伺服系统获得较好得动态跟随性能和抗干扰性能。其中，电流检测对于高性能闭环电机控制而言极为重要，并且不容易在恶劣、充满电气噪声的环境中实现高保真测量。在较高功率系统中，使用自身提供隔离功能的隔离电流传感器（比如电流互感器或霍尔效应传感器）；而在较低功率系统中，趋势是使用带有隔离式∑-△型调制器（比如ADI AD7403）的分流电阻。以前的系统通常使用去饱和柵极驱动器功能来实现短路过流保护，ADI的iCoupler?技术可以使基于隔离式调制器的电流检测通过快速粗调数字滤波器实现隔离式调制器响应和栅极驱动器的低传播延迟同时具备精确时序，优越于传统基于光耦合器的解决方案。

1 系统总体设计

本文设计的采样电路，将检测到的电流信号转换成电压信号输入到AD7403器件的电压测试端，AD7403依据DSP给定的时钟信号输出单路5～20 MHz位流，再由DSP通过sinc3滤波器计算出相应的1 6位ADC值，并将数据通过DMA的方式存入相应的环形队列，并可以通过USB或RS485与上位机进行通讯，查看AD7403的采集效果并对数据进行相应的分析。

2 电流检测电路设计

先将电流回路的电流经过分流电阻转换成相应的电压信号。通过集成运放将电压信号进行适当的放大调整，在送入调制器转换成数字流。本文选用的集成运放是AD8639，在进行电压信号调节时，采用双同相比较电路，输入电阻非常大，最大限度降低信号的损失和失真。调制器选用的是AD7403，AD7403是一款高性能的二阶∑-△型调制器，本身片上的数字隔离采用ADI公司的iCou pIer?技术，能将模拟输入信号转换为高速单比特数据流。AD7403采用5V （VDDl）电源供电，可输入±250 mV的差分信号（满量程±320 mV）。模拟输入由高性能模拟调制器进行连续采样，并转换为数据率最高为20 MHz且密度为1的数字输出流。通过适当的数字滤波器可重构原始信息，以在78.1 kSPS时实现88dB的信噪比（SNR）。串行输入/输出可采用5V或3V电源供电（VDD2），本文电路采用+5 V-ISO。该差分输入信号非常适合用于在要求电流隔离的高电压应用中监控分流电压。串行接口采用数字式隔离。通过将高速互补金属氧化物半导体（CMOS）技术和单片变压器技术结合在一起，较之传统光耦合器等其它元件来说，片内隔离能提供更加优异的工作特性。

外部电流回路经过分流电阻转换成相应的电压信号。通过调整RFA/R1和RFB/R1来调整AD8639的增益，以尽可能发挥AD7403输入量程优势。AD8639是双通道、宽带宽、自稳零放大器，具有轨到轨输出摆幅和低噪声特性。这些放大器具有极低的失调、漂移和偏置电流。采用5V至16 V单电源供电（或±2.5 V至±8V双电源供电）。本文所设计电路采用±2.5 V的隔离电源供电，由Rl和RFA、RFB组成两组同相比例，设置放大器的增益。如果放大器的增益设为1 0，检测电阻为1mΩ，AD7403输入±300 mV的差分信号，那么该电路最高可以检测±30 A的峰值电流。为了防止输入过电压对放大器造成伤害，在电流测试端采用两组肖特基二极管和两个10Ω电阻组成保护环，使其不受瞬态过压和ESD的影响.因为AD8639外接双电源为±2.5V，所以保护电路外分别与±2.5 V电源连接，防止过电压。R2、R3和C1构成低通滤波器，用来降低送入调制器的噪声。测试信号连接到调制器的VIN+和VIN-端。MDAT口在MCLKIN输入的上升沿逐位移出串行数据到DSP，并在下一个MCLKIN上升沿有效。由DSP将主机时钟逻辑输入到MCLKIN脚，工作频率范围为5 MHz到20 MHz。VDD1脚是AD7403内部隔离端的电源电压，为+5V_ISO，参照地为GND1，并将10μF电容与1 nF电容并联，将电源引脚去耦至GND1。VDD2脚为内部非隔离端提供电源电压，为+5 V，参照地为GND2，并采用100 nF电容将此电源去耦至GND2。

3 电源配置电路

在上述的电流检测电路中AD7403需要+5 V的隔离电源和非隔离电源，AD8639也需要±2.5 V的隔离电源。很多成熟的三端稳压器都可以提供+5 V的非隔离电源。为了得到+5 V的隔离电源，本电路采用通过ADuM5000-个内部625 kHz PWM方式提供跨越隔离栅的5V直流电源。ADuM5000是一款5V隔离式DC-DC转换器，用作隔离端的电源，两端完全隔离，提供2500 V rms的隔离值（1分钟，符合UL 1577标准），且系统仅使用一个电源。ADuM5000运算放大器AD8639的电源为±2.5 V。其中+2.5 V_ISO可以由低噪声ADP121-2.5低压差稳压器提供，而ADP121-2.5稳压器的电源由ADuM5000 VISO脚送出的+5 V-ISO提供。为提供-2.5V_ISO的电源，本文采用的是TPS60400电荷泵反相器，TPS60400的输入电压范围为1.6 V至5.5 V，可以将输入电压反相为-1.6 V至-5.5V，即VOUT=-VIN。最大输出电流为60 mA，整个电路只需要3个滤波电容。将ADP121-2.5的输出电压接入TPS60400 IN脚，在OUT脚就可以得到-2.5V_ISO。

4 结论

由于在实际电路设计时，DSP或FPGA与交流路径都会有一定的距离，甚至于不在同一块电路板上。如果用DSP内部的A＼D转换，则采集到的模拟信号经过一段距离后才能被送入DSP，势必会影响到信号的进而影响到整个系统的精度。本文所设计的基于AD7403信号采集电路是一款完全隔离的电流传感电路，自带隔离电源。该电路具有极强的鲁棒性，AD7403可以非常接近实际交流电流路径，就近把模拟信号转化为数字输出流，再通过DSP的数字滤波器可重构原始信息。这样，最大程度地降低噪声拾取，降低EMI/RFI效应，提高系统精度。安全性通过20 μm聚酰亚胺薄膜隔离栅来实现。

参考文献：

[1]宋词交流永磁同步电机的自适应电流控制研究[D]北京冶金自动化研究设计院，2013.1-8

[2]王伟超基于反卷积的无刷直流电机电流环跟踪控制器设计[D]广州：广东工业大学，2011.26-35

[3]徐东，王田苗，刘敬猛，等永磁同步电机电流环自适应复合控制方法研究[J]系统仿真学报，2009，21（22）：7199-7204

[4]韦克康，周明磊，邦琼林，等基于复矢量的异步电机电流环数字控制[J]电工技术学报，2011，26（6）：88-94

[5]ADI公司基于ADSP-CM408和AD7403的电机电流检测系统方案[EB/OL]http：//www.analogcom/cn/d esign-center/landing-pages/002/reference-design/china/reference-design-epsh-mpc.html#product

[6]陈幼平，张颖，艾武，等永磁直线同步电机电流检测系统设计[J]控制系统，2008，24（ 6）：23-25