电机控制器中电流采样电路的分析与设计

梁 宵

(山东大学 控制科学与工程学院，济南250061)

0 引 言

20世纪以来，以矢量控制、直接转矩控制和无传感器控制以及智能控制为代表的现代控制技术[1]，逐渐应用于汽车电子、医疗设备等各行各业，以往的交流感应电机、有刷直流电机也逐渐被无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)所取代[2]。为了驱动新型电机并实现这些现代控制技术，电机控制器也不断发展，从大体积，低集成度变得小巧而精密，但与此同时其电路组成也越发复杂。在现代电机控制技术中，为追求高效低成本，往往通过软件观测器代替以往的电机传感器，从采样得到的电机相电流信息中来获取电机角度位置等信息，而且以FOC(磁场定向控制)为代表的矢量控制技术，更是依赖于电机相电流的采样，以形成对电机励磁电流、转矩电流的精准控制[3]。可以说电机控制器中的电流采样电路是现代电机控制技术的基石，只有实现准确的电流采样，才能保证电机驱动系统的高效稳定运行。

1 电机电流采样方案

电机控制器中电流信号的采样方案一般有以下几种：采样电阻法、电流传感器法、电流互感器法[4]。其中采样电阻法具有成本低、简便化的优势，在现代无传感器电机控制技术中，应用十分广泛。

现代电机控制器多采用单电阻或多(双/三)电阻采样方案，利用采样电阻(Shunt)来获取电机的三相电流，如图1所示。

图1 电流采样方案

从图1可以看到，单电阻采样方案，只使用一个连接到三相逆变桥路直流母线上的采样电阻，而双/三电阻采样方案则使用两个或三个连接到逆变桥下桥臂上的采样电阻，3种电流采样方案的主要区别如表1所示。

表1 电流采样方案对比

从图1和表1可以看出，无论是单电阻还是多电阻采样方案，其基本原理都是一样的：电机电流流经采样电阻，在采样电阻两端产生电压，利用差分运算放大器对该电压进行放大，再将放大器的输出接到控制器ADC的输入口，由控制器通过运算得到电机的相电流。

2 电机电流采样电路设计分析

2.1 典型的电机电流采样电路

在电机电流采样电路中，为了避免逆变桥路开关噪声、寄生电感等的影响，在采样电阻之后还要增加低通滤波环节，典型的电机电流采样电路如图2所示。

图2 典型的电机电流采样电路

在应用中，差分运算放大器的输出往往直接连接到电机控制器主控芯片ADC的输入口。由于主控芯片的ADC一般是单端ADC，当流经采样电阻的电流方向与图2所示方向相反时(假设图2所示方向为电流正方向)，此时若不加处理，单端ADC无法实现对该电流的采样。因此，在差分运算放大器电路中，会加入额外的参考电压VREF，提供偏置电压，使得无论电机电流流向如何，差分运算放大器电路的输出始终为正电压。图2中差分运算放大器电路的输出可表示为[5]

Vo=(IM×RShunt±VOS)×G+VREF

(1)

式中，Vo代表差分运算放大器的输出电压；IM为采样得到的电机电流；VOS为运算放大器的输入失调电压；G为差分运算放大器的放大倍数；VREF为参考电压。

通过式(1)，可以估算出差分运算放大器电路输出电压的范围，进而帮助确定采样电阻、运算放大器、ADC等器件的选型。

在实际使用中，一般在控制器上电后，在电机未通电的状态下(IM为0)，先执行一次电压采样，此时的输出电压包含了参考电压和运放的输入失调电压，之后保存该电压，在执行电流采样时将采样电压值与该电压作差，再计算得到采样电流值，这样以来便消除了偏置电压和运算放大器输入失调电压对输出电压的影响，不仅可以提高电流采样的准确度还可以简化电机电流的计算过程。

2.2 滤波网络设计

在应用中，还需要考虑到图2所示电流采样电路的带宽限制，特别是滤波网络的配置会影响到电机电流环控制的带宽，进而对电流采样的快速性和准确性产生影响。滤波网络的设计目标是通过选择合适的RF、CF值，以抑制采样电阻回路中由于寄生电感引起的输出振铃以及驱动桥路开关噪声所带来的不利影响，并且在整个电机电流控制环路带宽内，保证幅值和相位增益不会发生突变。考虑到寄生电感的影响，实际的电流采样电路如图3所示。

图3 实际的电流采样电路

基于图3，整个电流采样电路的传递函数可表达为

(2)

式中,Vo(s)为运放输出电压；IM(s)为电机电流；Ad(s)为差模电压增益；Vid(s)为差模电压输入，也即采样电阻两端电压；Acm(s)为共模电压输入；Vicm(s)为共模电压增益。

由于运算放大器电路的共模抑制比一般非常大[6]，所以式(2)中的共模增益项可以忽略。因此整个电流采样电路的传递函数可以看作是滤波网络传递函数与运算放大器电路差模电压增益的乘积。通过式(2)，可以得到整个电流采样电路的传递函数，进而根据性能指标需求，进行相关器件的选型。

结合式(2)和图3，考虑到采样电路中寄生电感的影响，可以得到滤波网络的传递函数：

(3)

(4)

从式(4)中可以看到，采样回路中的寄生电感将在滤波网络的传递函数中引入二阶动态响应和一个零点。该零点将增加系统阶跃响应中的高频部分，对电流采样产生不利影响。为了在电机电流环控制带宽内获得相对平坦的动态响应，可以通过滤波网络中的电容在该传递函数中引入一个极点来部分消除该零点的影响，为了实现零极点对消，滤波电容可配置为

(5)

依据式(2)～式(5)，可以指导选择合适的滤波网络元件，以实现精确、快速的电机电流采样。

2.3 电机电流采样电路仿真

按照图3所示的电流采样电路，假设采样电阻值为10 mΩ，寄生电感Lsh的值为5 nH，差分运算放大器的放大倍数G为10，参考电压Vref为5 V，依据式(2)～式(5)和前述内容进行相关器件的取值选型，在电路仿真软件TINA中搭建电机电流采样电路的仿真模型，如图4所示。

图4 电机电流采样电路仿真模型

当图4中的电流源IM在0.5 μs时刻施加幅值为1 A的阶跃信号时，电路的瞬时特性如图5所示。

图5 电流采样电路瞬时特性仿真结果

从图5可以看到，当电机电流IM为1 A时，运算放大器的输出电压Vo约为5.1 V，符合式(1)的预期计算结果。同时可以看到由于采样电阻回路中寄生电感Lsh的影响，会在采样回路的电压输出Vin中产生高频干扰，而通过滤波网络的正确设计则可以很好地消除该干扰的影响，滤波后的电压输出如图5中Vfilter所示。

3 电机采样电路PCB设计要点

电机采样电路的PCB设计同样会影响电流采样的效果。首先在采样电阻的选型上要选择低寄生电感的高精度采样电阻，如果有条件可以使用专用于电流采样的四线制合金采样电阻，以达到更佳的采样效果。

在走线连接方式上要使用四线制的开尔文接法[7]来连接采样电阻与运算放大器，将功率线与采样线分开走线，同时采样线尽量使用差分布线，保证线路等距等长，以抑制采样线路引入的感性耦合和共模噪声引入的容性耦合电流，具体走线方法如图6所示。

图6 采样电路的PCB连接与走线方法

4 结 论

本文探讨了电机控制器中电流采样电路的分析与设计方法，具体包括：电流采样方案的选择、采样电路的频域分析、滤波网络元器件的取值方法以及采样电路的PCB设计要点，并结合电路仿真软件TINA搭建了电机电流采样电路的仿真模型，通过仿真验证了相关设计分析结果的正确性。