淺析PWM對單路并聯(lián)電流檢測的影響

即使僅用于限制電流，無刷電動機驅(qū)動器中的感應(yīng)電流也是必不可少的。如果要在整個工作范圍內(nèi)優(yōu)化性能和穩(wěn)定性，則必須使電流讀數(shù)保持一致。開關(guān)三相電橋的方法有很多，這使電流檢測變得復(fù)雜。并非總是很明顯，電流會以哪種方式流過電橋，特別是在考慮各種制動和驅(qū)動模式時。

低電流驅(qū)動器最簡單，最常見的格式是在公共負(fù)返回線上放置一個分流器，如圖1和2所示。

圖1：公共負(fù)極中的單個分流器

圖2：公共負(fù)極中的單個分流器，帶有電流指示

對于模擬驅(qū)動器中的單側(cè)開關(guān)，此格式非常不令人滿意，因為平均分流電流不是平均電動機電流。橋內(nèi)有一個不通過分流電阻器的飛輪電流。需要檢測峰值電流，但這會立即引入噪聲問題。

單側(cè)開關(guān)的電橋電流

使用數(shù)字驅(qū)動器，可以在相關(guān)階段的導(dǎo)通時間內(nèi)對分流電流進行采樣，但這并不是沒有問題的。在相之間接近換相時，可用于檢測電流的時間非常短，因為低速下的占空比很短。為了進一步加劇該問題，并聯(lián)電流具有許多高頻分量，必須通過一個具有非常高的壓擺率的放大器（可能約為20V / μs）來對其進行檢測。還必須考慮分流器上的共模電壓擺幅（圖3）。

圖3：接通時間期間的信號布局

PWM對單路并聯(lián)電流檢測的影響

如果采用動態(tài)制動，則分流器可能看不到任何電流，因此電橋容易損壞。較低的FET腳將需要周期性地導(dǎo)通，以便可以在分流器中采樣電流（圖4）。

圖4：PWM對單路并聯(lián)電流檢測的影響

動態(tài)制動電流

如果需要在沒有特定制動模式的情況下對制動進行良好的控制，則可以避免進行雙面開關(guān)。對于零電壓驅(qū)動，需要50％PWM。這確實意味著有更多時間在低速而不是高速下測量電流。分流器在每個PWM周期看到電流反向（圖5）。

圖5：動態(tài)制動電流

雙面開關(guān)

具有低電感電機的雙面開關(guān)的可能缺點是，紋波電流可能很高，這會增加FET中的開關(guān)損耗以及電機和分流器中的I2R損耗。

這次關(guān)于正弦換向還有進一步的復(fù)雜化。使用梯形換向時，橋的任一時刻都只有兩個支路被切換，但是當(dāng)我們轉(zhuǎn)向正弦換向時，所有三個支路同時被切換。在圖6中，我們可以看到單個分流器將看到C相的電流，但該分流器將不會指示A相或B相電流。這僅意味著單個分流器不適用于正弦換向。

圖6：正弦換向

僅單并聯(lián)可準(zhǔn)確指示C相電流

為了克服這個問題，可以使用兩個分流器，但這仍然不能解決由于PWM比率低而引起的檢測誤差問題，或者沒有檢測到動態(tài)制動電流或循環(huán)電流的問題。為此，我們現(xiàn)在將研究典型無刷驅(qū)動器中實際測得的分流電流與電樞電流之間的差異。

所研究的系統(tǒng)是一種改進的梯形驅(qū)動器，帶有如圖3所示的3個分流器的雙側(cè)開關(guān)。增加了一個霍爾效應(yīng)電流傳感器，以測量實際的電樞電流。

圖7：具有3個分流器的雙面開關(guān)的梯形驅(qū)動器

三并聯(lián)驅(qū)動器

然后可以比較來自分流器和電流傳感器的電流讀數(shù)。

圖8中的屏幕截圖描繪了分流電壓（黃色）和電流傳感器輸出（藍(lán)色）。

圖8：分流電壓和電流傳感器輸出

相電流波形

觀察結(jié)果：

分流電流是電樞電流的整流形式。對于相同的電流，所示的傳感器輸出幅度比并聯(lián)輸出大50％。

在這種驅(qū)動中，分流電流與真實電樞電流之間存在相當(dāng)大的周期性差異。

在電流最大值時，該關(guān)系或多或少是一致的，但是當(dāng)電流接近零且上升時，一致性很差。電流下降時沒有一致性。

出現(xiàn)不一致的原因是，電橋內(nèi)有循環(huán)電流不像正弦換向那樣流經(jīng)分流器或重疊電流。

如果我們放大時基不一致，則會在圖9中進一步描述。

圖9：相電流波形

同樣，在電流上升期間，分流電流與電樞電流之間存在合理的關(guān)系，但在換相點，分流電流立即降至零，然后在電樞電流逐漸下降的同時又開始上升。由于存在電感，電樞電流無法立即改變。極有可能是感應(yīng)電流沒有通過特定的分流器，從而導(dǎo)致了差異。

在周期的不同時期，我們可以觀察到圖10。

圖10：相電流波形

電樞電流接近于零，但并聯(lián)電流卻不為零。在換向點，兩個電流均為零，這是正確的，但分流電流迅速上升，而電樞電流卻不然。

我們可以很明顯地得出結(jié)論，在負(fù)線中使用分流器是測量許多無刷驅(qū)動器中電流的一種非常差的方法。三相電橋中的電流顯然非常復(fù)雜，尤其是當(dāng)考慮多種操作模式時，包括動態(tài)制動，再生制動，正向和反向驅(qū)動以及FET支路開關(guān)選項。

電流測量不正確的癥狀可能是電動機振動和/或與負(fù)載有關(guān)的不穩(wěn)定性。應(yīng)對這種不穩(wěn)定性可能意味著額外的阻尼，這通常會導(dǎo)致較差的瞬態(tài)響應(yīng)。

一種替代方法是使用分流器來測量相電流，但這立即帶來了挑戰(zhàn)，即在分流器上存在很大的共模電壓擺幅，這需要非常精確的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)和精密放大器。同樣，當(dāng)電流大于約30安培時，分流器中的熱量也開始成為問題。

邏輯選擇是采用電隔離電流傳感器來測量真實電樞電流。這些不一定是笨重的或昂貴的。圖11顯示了Raztec傳感器的低成本緊湊型安裝示例。

Raztec電流傳感器安裝在90A電機驅(qū)動器中

環(huán)形電流傳感器僅環(huán)繞電動機連接。電流隔離完全消除了共模效應(yīng)，并且可以精確測量真實的電樞電流。傳感器的輸出接近軌到軌，因此不需要放大–電流信號可以直接饋送到A / D。Raztec RAZC系列傳感器能夠在最大外徑為10mm的情況下測量最大40A至最大250A的電流。

編輯：hfy