姜淑忠
上海交通大學電氣工程系(上海200030)
摘要: 電流傳感器是電機驅動器中最常用的傳感器,其輸出信號用作保護、反饋等功能,在電機的無傳感器控制中,電流傳感器更是必不可少的元件。本文針對步進電機、無刷直流電機、無刷交流電機、異步電機的不同拓撲結構,對電流傳感器采樣位置、采用的傳感器的種類,進行了詳盡地描述。
關鍵詞: 電流傳感器 電流采樣集成電路 隔離光耦傳感器 霍爾效應傳感器
Current Transducer in Motor Driver
Jiang Shu-zhong
Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University
(Shanghai 200030)
Abstract: The current transducer is the commonest one in motor driver. Its output signal is used for protection and feedback. In sensorless control of the motor, the current transducer is indispensable. For the different topologies of stepping motor, brushless dc motor brushless ac motor and induction motor, the positions and types of the current transducers are also different. In this paper, above all are detailed.
Keywords: Current transducer, IC transducer, Isolation amplifier, HALL effect transducer.
1、前言
傳感器和電機、驅動器、控制器構成運動控制系統(tǒng)或傳動系統(tǒng)[1]。電流傳感器是電機驅動和控制中最常用的傳感器,其輸出信號用作保護、反饋等功能,在電機的無傳感器控制中,電流傳感器更是必不可少的元件,電流信號用來計算磁場位置、磁鏈、轉矩等物理量。在不同種類的電機甚至同一種類但不同相數(shù)電機的驅動器中,傳感器的種類和所處位置也是不同的。
上世紀八十年代中期,三相反應式步進電機在我國開始得到應用,其各種驅動電路中,斬波恒流型最為理想。每相通過一個電阻進行電流采樣,與給定電流值比較,產生斬波信號。十年后,兩相混合式步進電機微步驅動趨于成熟,每相繞組采用H橋拓撲結構,每相電流仍然通過一個電阻進行采樣。進入九十年代,無刷直流電機得到迅速發(fā)展,由于采用120° 通電方式,只須在直流側負端串入一個采樣電阻,就可實現(xiàn)對無刷直流電機的電流控制。近十年,無刷交流電機即永磁同步電機和異步電機的磁場定向控制越來越多,相電流反饋信號是轉矩控制和磁場定向的主要變量,對Y接法的三相繞組,需要兩個電流傳感器采樣任何兩相電流,采用信號通常需要和相電流隔離,因此常選用有隔離作用的電流傳感器,如電流采樣集成電路、隔離光耦傳感器、霍爾效應傳感器。
本文在總結電流傳感器在不同電機驅動器中的作用和要求后,分別說明電流傳感器在不同驅動器拓撲結構中所處的位置,扼要說明其工作原理,然后給出不同種類傳感器的基本工作原理和使用方法,最后加以簡單的比較。
2 、 不同拓撲結構中的電流傳感器
圖1所示為三相反應式步進電機的一相斬波恒流驅動電路。A相繞組電流 流經電流采樣電阻 ,所得采樣電壓與給定電流對應電壓 比較產生開關信號,與相控信號合成后得到斬波信號,控制功率開關P1,使 維持在 給定的電流。圖2為兩相混合式步進電機的一相繞組驅動電路,H橋結構使每相繞組能以雙極性驅動,但采樣電阻 上的電壓卻是單極性的。由于一般的微控制器的電源都是單極性的,采樣電壓不用極性轉換,經處理就可由模數(shù)轉換部分轉換。
對三相無刷直流電機,電流傳感器則放在直流側的負端,如圖3所示?瓷先チ鬟^電阻 的電流是三相電流之和,但無刷直流電機的繞組工作在120° 通電方式,即每個瞬間只有兩相繞組通電, 上的電流就是相電流。對永磁同步電機和異步電機的控制特別是磁場定向控制,三相繞組同時通電,采用圖3的傳感器位置,根據(jù)程序中的通電狀態(tài)和測得的電流,可計算出每相電流。但用PWM開關算法,有時導通寬度較窄,使測量和計算變得復雜,影響實時性,故通常采用圖4的傳感器放置方法。Y型連接需要兩個傳感器才能獲得每相相電流。由于繞組和控制部分的電路需要隔離,圖中的傳感器 和 只能采用有隔離功能的電流傳感器。
圖1. 反應式步進電機的斬波恒流驅動電路
圖2. 混合式步進電機H橋驅動電路
圖3. 無刷直流電機驅動結構中的電流傳感器
圖4. 無刷交流電機和異步電機驅動結構中的電流傳感器
3 .需采樣電阻的隔離電流傳感器
電流采樣集成電路IR2171/2172是IR公司生產的,引腳及應用電路如圖5所示。它是8腳DIP封裝的集成電路,輸入信號是模擬形式的采樣電壓,輸出信號是數(shù)字形式的PWM波,另外還有過流輸出信號。圖中的采樣電阻 串在每相回路中,相電流在 兩端的電壓降被轉換成PWM輸出,輸出波形如圖6所示,周期為25us,占空比隨電流大小和方向而變。當電流為零即 兩端的電壓為零時,引腳 輸出的PWM占空比為50%。當電流正向流動導致引腳 與 之間的電壓為正時,占空比大于50%,當兩腳之間的電壓達到260mV時,占空比達到最大值93%。當電流反向流動導致引腳 與 之間的電壓為負時,占空比小于50%,當兩腳之間的電壓達到–260mV時,占空比達到最小值7%。這種集成電路和高壓浮動MOS柵極集成電路如IR2136共同使用在小功率驅動電路中非常方便,上橋臂共用一組15V電源,輸出信號與下橋臂共地,可直接與控制部分連接,也可經過光耦隔離再與控制部分連接[2]。
圖5. IR2172與功率部分的連接
圖6. IR2172的PWM輸出波形
線性隔離采樣光耦HCPL–7520系列和HCPL–7860系列由Agilent公司生產,其引腳和內部結構如圖7所示[3][4]。兩者的推薦輸入電壓范圍為±200mV,前者的輸出腳 為模擬電壓信號,如圖8所示。后者內部的調制器則將輸入的模擬信號轉變成高速(10MHz)的數(shù)字信號流,每位數(shù)字信號的時間平均值正比于輸入信號,從輸出腳 輸出,引腳 輸出10MHz的時鐘。它們在電機驅動中的使用如圖9所示。由于光耦需要兩個隔離的5V電源,輸入側的5V電源可從上橋臂的浮地正電源通過78L05獲得,如圖9(a)所示,也可通過穩(wěn)壓二極管獲得,如圖9(b)中的 。圖9(a)中,光耦的輸出可直接送到微處理器的模數(shù)轉換器輸入端,或通過運算放大器進行適當變換再到其輸入端。圖9(b)中,數(shù)字接口芯片HCPL–0872將光耦的每一位數(shù)字信號轉換成15位的輸出字,正最大輸入(320mV)對應的輸出字為7FFFH,零輸入對應的輸出字為4000H,負最大輸入(-320mV)對應的輸出字為0,并提供串行輸出接口,適用于SPI、QSPI、Microwire等協(xié)議。一片HCPL–0872可與兩片HCPL–7860連接,通過HCPL–0872內部的寄存器,可設置5種轉換模式、3種預觸發(fā)模式、偏移量標定、過流檢測和電流閾值設定[5]。HCPL–7520的帶寬為100KHz,0.06%的非線型,HCPL–7860的帶寬隨轉換模式而不同,典型值為22KHz。這兩個系列的光耦檢測電流的范圍可從小于1A到100A。
正確選擇圖1、圖2、圖3、圖5、圖9中與電機相繞組串聯(lián)的采樣電阻至關重要。采樣電阻的阻值必須小,以降低自身的功率損耗。電阻的電感必須小,以減小 導致的電壓尖峰。電阻的精度適當,以保持整體電路的精度。阻值大小的選取需同時考慮減小自身功耗和提高精度兩個方面,因為阻值越小,功耗越小,阻值越大,所得電壓越接近傳感器或接口電路的最大量程,幅值固定的偏移量及噪音所占的百分比變小。確定阻值時,首先考慮流過電阻的電流,電流可根據(jù)電機的功率、驅動器的輸出電壓、電流波形、過載倍數(shù)確定,然后根據(jù)傳感器的電壓量程,就可計算出阻值。例如3KW的永磁同步電動機,驅動器的輸入交流電壓為220V,采用磁場定向和空間矢量PWM控制,電機相電壓的最大基波為126.5V,對應的相電流為7.9A,峰值為11A,若過載倍數(shù)為2,最大峰值為22A。設傳感器的最大輸入電壓為200mV,電阻阻值為9.1m&# 8486;,額定功率時電阻的功耗為0.57W,因此可選用靠近該阻值的標準阻值的電阻。另外要注意的是,當采樣電阻的功耗較大時,必須選用低溫度系數(shù)的電阻,或用增加散熱器面積、減小印刷電路板電流回路的電阻等方法來降低電阻的熱阻。當選用的采樣電阻阻值較小時,兩端電阻引腳彎曲的長度、如何彎曲、如何焊接、引腳材料的溫度系數(shù)會引入誤差,這時可采用4端電阻,額外的兩個引腳采用Kelvin連接,這兩個引腳之間的電壓為采樣電壓,電流從另外兩個引腳流人流出,避免兩端引腳帶來的誤差。
(a). HCPL–7520
(b). HCPL–7860
圖7. 兩種線性光耦的引腳和結構
圖8. HCPL–7520的輸入輸出特性
圖9. 兩種光耦的應用電路
4 .霍爾電流傳感器 [6]
以上兩種傳感器是將被測電流轉換成電壓,再隔離放大,輸出線性電壓信號;诨魻栃碾娏鱾鞲衅鲃t不同,它以被測電流產生的磁場為媒介,處于磁場中的霍爾發(fā)生器輸出相應的電信號。圖10所示的是霍爾效應原理示意圖,一片厚度為 的導電材料處于磁密為 的磁場中(磁場方向與導體表面垂直),縱向流過的控制電流為 ,則在橫向兩表面間產生電勢差 ,其大小為:
(1)式中是霍爾常數(shù),與導電材料有關, 是電壓偏移量,即磁場不存在時霍爾發(fā)生器的輸出電壓。乘積 稱為霍爾發(fā)生器的靈敏度,電壓偏移量和靈敏度隨溫度都會發(fā)生變化。
圖10. 霍爾效應原理示意圖
LEM公司依據(jù)霍爾效應原理生產了三大類型的電流傳感器,分別如圖11、圖12和圖13所示。圖11所示的是開環(huán)霍爾效應電流傳感器原理,載有被測電流 的導體從磁芯中間穿過,其產生的磁場沿磁芯最強,磁密為 ,霍爾發(fā)生器放置在磁芯的切口里,控制電流 由內部電路提供。當磁芯工作在其磁滯回線的線性區(qū)時,磁密 與 成比例,而霍爾電壓與 成比例,因此霍爾發(fā)生器的輸出與 成比例,再加上偏移量 。內部的測量電路移去 ,加以溫度補償,放大后輸出。當被測電流小于50A時,為避免內部磁密較弱,將載流導體饒成多匝,維持在50安匝的磁勢,產生合適大小的輸出電壓。
圖11. 開環(huán)霍爾效應電流傳感器原理
圖12則用霍爾電壓在副邊線圈里產生電流 ,由它產生的磁勢與被測電流(又稱原邊電流)產生的磁勢幅值相等、方向相反,使霍爾發(fā)生器工作在零磁通狀態(tài),因此這種閉環(huán)傳感器又叫霍爾補償或零磁通傳感器。零磁通運行狀態(tài)帶來性能的顯著改善,如消除了伴隨溫度變化的增益漂移、擴展了測量帶寬、降低了響應時間。當兩部分電流產生的磁勢相等時:
(2)
可進一步寫成:
(3)
式中 、 分別為原邊和副邊的匝數(shù)。串聯(lián)在副邊回路的外接電阻 將電流信號轉換成電壓輸出。
第三類霍爾傳感器如圖13所示,Eta表示代表效率的希臘字母“ ”的發(fā)音,因為和閉環(huán)傳感器比,副邊線圈所需的功率較少。從性能來看,介于開環(huán)和閉環(huán)之間。在低頻段(不超過2到10KHz),工作在開環(huán)傳感器狀態(tài),霍爾發(fā)生器的輸出信號與原邊電流成比例。高頻段工作在電流變壓器方式,輸出電流正比于原邊交流電流。兩部分信號經電子合成而輸出。
圖12. 閉環(huán)霍爾效應電流傳感器原理
圖13. Eta技術霍爾效應電流傳感器原理
與以上三類技術相對應,LEM公司都有相應的產品系列,它們的主要特點如表1所示。另外,傳感器輸出信號是電壓型的還是電流型的,對接口電路的設計也不一樣。如圖12的電流輸出,需串接一定范圍內的電阻,將電流轉換成電壓。有的類型傳感器用雙極性電源,轉換后的電壓也是雙極性的。有的類型是如圖14所示的電壓型輸出。送到微控制器前,需進行電平提升和放大。
表1. 三類霍爾效應電流傳感器主要性能比較
霍爾效應技術
開環(huán)
閉環(huán)
Eta
測量范圍IP
0到15KA
0到15KA
25到150A
帶寬
0到25KHz
0到200KHz
0到100KHz
響應時間td
<3-7us
<1us
<1us
精度(25ºC,IPN 百分比)
±1.5%
±0.5%
±1.5%(DC)
±0.5%(AC)
線性度
±0.5%
±0.1%
±0.5%(DC)
±0.1%(AC)
主要特點
功耗小,體積小,成本低
精度高
響應快
功耗小,響應快,電源電壓低(5V)
圖14. 霍爾效應電流傳感器的電壓輸出特性
5 、結論
本文針對不同電機的驅動器拓撲結構,探討了電流傳感器的采樣位置、用電阻采樣還是隔離采樣,介紹了需采樣電阻的隔離電流傳感器和霍爾效應電流傳感器。具體結論如下:
繞組電流經采樣電阻直接流入直流側的拓撲結構,可選用電阻進行采樣,如圖1、圖2和圖3。對每相電流需經其它兩相回路流過的拓撲結構,如圖4的三相導通的控制策略,需用隔離采樣的電流傳感器;
集成電路IR2171/2172的帶寬較窄,典型值為15KHz。PWM輸出,與微控制器連接導致頻繁的中斷。在小功率驅動電路中,和高壓浮動MOS柵極集成電路共同使用性價比較高;
線性隔離光耦有較高的線性度、共模電壓抑制比(CMR)、較低的溫度漂移。隨被測電流增大,采樣電阻的選擇、電路板的布線愈影響測量精度;
霍爾效應電流傳感器實現(xiàn)了完全隔離的測量方法,測量的電流范圍很大,品種多,使用方便,隨著價格的降低,應用更普及。
參考文獻
[1]. 姜淑忠,“交流伺服運動系統(tǒng)的開發(fā)”,中小型電機,2005,No. 1,第49-52頁。
[2]. International Rectifier, Date sheet: IR2172-Linear current sensing IC, Date sheet no.: PD60176–C.
[3]. Agilent Technologies Inc., Data sheet: HCPL-7520 isolated linear sensing IC.
[4]. Agilent Technologies Inc., Data sheet: HCPL-7860/HCPL-786J optically isolated sigma-delta (∑-&# 8710;) modulator.
[5]. Agilent Technologies Inc., Data sheet: HCPL-0872 digital interface IC.
[6]. LEM, Isolated current and voltage transducers ― characteristics, applications and calculations, 3rd Edition.
作者簡介
1967年生,博士,畢業(yè)于香港大學電機電子工程學系。現(xiàn)為上海交通大學電氣工程系副教授,近期從事永磁電機、驅動和控制系統(tǒng)的研究和應用。
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