三相逆变器电流采样方案总结

当使用三相逆变器进行电机控制时,经常需要获取相电流以进行闭环控制,这就涉及到一个电流采样问题。尽管现在有许多电流检测方法,但低成本、大批量应用中常见的只有三种,其它都是昂贵的实验室系统、新兴技术或很少使用的方法[1]。常用技术包括:采样电阻、霍尔元件与电流互感器。这些技术又可进一步细分,详见下图:

本文将具体介绍这些方案。

霍尔元件

使用霍尔元件进行电流检测最大的优势是霍尔传感器与载流导体之间没有电气接触,导体的电位可偏置几百伏且确保传感器良好运行。因此,使用霍尔元件进行电流检测时都是直接测量相电流的,如图所示[1]

图中的Current Sensor即是霍尔传感器。在此图中,使用了3个霍尔传感器来测量三相电流,但一般情况下,只需使用2个霍尔传感器即可。根据基尔霍夫电流定律,三相电流之和必为0,故可以通过两相的电流来推出第三相电流。

开环霍尔元件与闭环霍尔元件

霍尔传感器从原理上可分为两大类,开环霍尔元件和闭环霍尔元件,其测量原理示意图如下[2]

开环霍尔元件直接检测由待测电流激发出的磁场磁感应强度;闭环霍尔元件则是在磁环上又缠绕了一组线圈,其中电流通过反馈确定,以保证最终磁环中的磁感应强度为0,这样通过测量线圈中电流的大小即可推算出待测电流的大小。
闭环霍尔元件与开环霍尔元件相比,其检测精度较高,并且在响应时间、带宽等指标上也优于开环霍尔元件;不过其缺点在于结构较为复杂,这也就导致了其体积较大且成本较高。目前,开环霍尔元件使用的更多,且随着技术的发展,开环霍尔元件的检测精度也在不断提高,与闭环霍尔元件的差距并不是很大。

传感器IC

一般情况下,直接选用现成的霍尔电流传感器IC进行电流检测。提供这类产品的厂家有很多,其中最为常用的为Allegro公司的产品,下面就对此做一简要介绍。

Allegro公司的产品全部均为开环霍尔传感器,不过根据其宣传资料中的说明,其性能已经可以做到接近闭环霍尔元件的水平。其产品根据检测电流范围分为3个系列:

从上面的传感器原理示意图中可以看到,Allegro公司的整合式导体传感器IC不需要额外的磁环,待测电流从传感器芯片中流过,这在电流不大(<200a)时使用起来很方便。不过这种结构无法承载特别大的电流,故需要测量大电流(>200A)时需要使用其SIP封装的传感器并使用外置的磁环进行测量。
在使用外置磁环时,不同磁环对应的磁感应强度与电流的关系并不相同,故需要进行标定。然而,精确提供一个很大的参考电流来进行标定并不容易,故在这种情况下,一般选用专业厂家使用Allegro传感器配合磁环做出来的模块。

下面简要介绍下上海粲斯电子科技有限公司的QFO12HC系列电流传感器模块。
此模块外形如图所示:

传感器通电后,当被测电流从传感器箭头方向穿过,即可在输出端测得同相电压值。输出电压与待测电流间为线性关系,可使用Vout = (Vcc/5)×(2.5+2×Ip/Ipmax)进行计算,其中Ipmax为原边额定输入电流,Ip为待测电流。厂家已经对模块进行过标定处理,故直接上电即可使用,无需进行任何配置,使用起来极为方便。
对一个Ipmax = 600A的模块进行了测试,测试结果如下:

电流使用电子负载进行设定,输出电压用万用表测得。从测试结果中可以看到,在0~10A这一范围内,模块的线性度很好,回归系数>0.999,线性度为0.0176 %F.S。

电流互感器

电流互感器其实就是一个变压器,它的一次侧绕组匝数很少,串在需要测量的电流的线路中,二次侧绕组匝数比较多,串接在测量仪表和保护回路中,电流互感器在工作时,它的二次侧回路始终是闭合的,因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小,电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量 ,二次侧不可开路。其原理示意图如下[1]

电流互感器一般用于电力电子系统中,而且一般是以一个仪表产品的形态出现。值得一提的是,广泛使用的钳型电流表实质上就是一个电流互感器。

采样电阻

在绝大部分低成本应用中,都是使用采样电阻来进行电流采样的,故此方法可以说是最重要的电流采样方案。采样电阻被称为Sense Resistor或Shunt Resistor,其阻值一般较小,在1mΩ~1Ω之间。
在简单的应用中,使用一般的两触点电阻即可。根据功率不同可选择不同形式的电阻,如贴片电阻、康铜丝、水泥电阻等。然而,在需要进行精确电流采样的场合,使用普通的两触点电阻就不合适了。由于采样电阻本身的阻值很小,焊料的电阻并不能忽略,它们不确定,且随温度变化,会影响测量输出。此时,应该选用4触点的采样电阻。不过在三相逆变器相电流采样的过程中,一般是不需要考虑这个问题的,使用普通的两触点电阻即可。

按照采样电阻放置位置不同,电阻采样方案可分为两大类——高端采样(High-Side Sensing)与低端采样(Low-Side Sensing),其区别见下图[4]

正如图中所示,高端采样中,采样电阻位于负载高端,即一端与电源连接;低端采样中,采样电阻位于负载低端,即一端与地平面连接。下面先介绍高端采样方案,再介绍低端采样方案。

高端采样

对于三相逆变器电路,采样电阻直接置于相电流桥臂上即可,如图所示[5]

根据基尔霍夫电流定律,只需要测量两相的电流即可,另一相电流可通过计算得到。高端采样的优势在于:

  1. 采样得到的电流值在任何时刻都等于相电流值,对于采样时刻无需特别考虑;
  2. 因为使用类似差分输入的形式,可以很好的避免地平面噪声的干扰,检测精度会更高。

高端采样最大的缺陷在于其对后级处理电路的要求很高,后级运放要能承受很高的且急剧变化的共模电压,这样的运放选择起来并不是很容易。
不过目前不少半导体厂商均有专门针对高端电流检测的运放芯片,比如TI有专门的Current Sense Amplifiers系列运放,最大共模电压为80V;ADI的AD8479能承受600V的共模电压;IR的IR2277更是能承受高达1200V的共模电压,其共模抑制比CMRR也达到了100dB。

低端采样

一般来说,高端采样是一种较为昂贵的解决方案,考虑到成本问题,更为普遍使用的是低端采样方案。常用的低端采样方案根据使用电阻数量的不同可分为三种——三电阻采样、双电阻采样与单电阻采样,其电路结构见下图[6]

  • 三电阻采样:

  • 双电阻采样:

  • 单电阻采样:

其中,最为常用的是双电阻采样方案,在某些成本敏感的应用中,也会选用单电阻采样方案。

低端采样的优势在于:

  1. 对运放没有特殊要求,选用常规通用运放即可;
  2. 成本低廉,特别是单电阻采样方案,具有较大的价格优势。

其缺点在于:

  1. 由于开关管的存在,流经采样电阻的电流并不随时等于相电流,对采样时刻有严格的要求;
  2. 地平面噪声会影响采样的准确性。

采样时刻问题是使用低端采样时需要重点考虑的问题,下面将具体分析此问题。开关管的调制方式以SVPWM为例。


从原理图中可以看到,当下桥臂的开关管断开的时候,采样电阻上显然是不会有电流流过的;只有当下桥臂开关管导通的时候,由于负载是感性负载,此时才会有续流电流从下桥臂流过,这个续流电流就等于相电流。
以SVPWM调试波形为例,使用Simulink对此过程进行仿真,结果见下图:

从图中可以看到,相电流是基本连续的,然而下桥臂电流并不连续,当且仅当下桥臂导通时流过下桥臂采样电阻的电流才等于相电流。


所以对于双电阻及三电阻采样方案而言,只需要在SVPWM的零矢量(000)中央处进行采样即可获得正确的相电流。采样时刻示意图见下面这两张图[7, 8]

双电阻采样的情况下,可以通过电流平衡条件推算出第三相的电流,不过此方案有一个问题,在某些情况下(如SVPWM几个扇区的交界处),采样窗口时间会变得很短。三电阻采样则不存在此问题,任何时刻都可丢弃采样窗口时间较短采样电阻的结果,用其他两相的电流值来推出此相的电流,其原理说明见下图[9]


单电阻采样方案中,是通过在一个PWM周期内进行两次AD采样实现相电流检测的,其采样时刻见以下三张图[6, 7, 8]



图中T1与T2阶段就是采样时刻。

采样得到的电流值与相电流的对应关系见下表[6]

与双电阻采样方案一样,单电阻采样方案也存在一些不允许单分流三相重构的特殊情形。在SVPWM中,有些时候会输出两路占空比相等的PWM信号,如下图所示[6],此时T2=0,不能重构得到三相电流信息。除此之外,死区时间等因素也会影响采样窗口,具体可参考文献[6]中的说明。

解决此问题有几种不同的方案,详见文献[6, 10]中的分析。其中最常用的一种方法是:在相邻边界的时候插入固定时间的有效矢量,而在低调制区域的时候,采用轮流插入有效矢量的方法。插入有效矢量会给电流波形带来失真,这种情况下需要通过软件来进行补偿[10]
文献[10]中还比较了双电阻采样与单电阻采样的优劣,可供参考。

最后还有个值得注意的问题,运放的选型与电路的设计也会影响电阻采样的效果,这方面的内容可参考文献[6, 8]中的说明。

总结

对于三相逆变器而言,进行电流检测最稳定方便且精度也较高的检测方法是使用集成霍尔传感器,不过其成本也较高。在大部分情况下,使用采样电阻进行低端检测是最为常用的方法。其中以两电阻检测最为普遍,如需进一步降低成本,可考虑使用单电阻检测的方案。

参考文献

[1] 设备设计者为何应考虑将霍尔效应传感器芯片用于电机控制[R].Allegro MicroSystems LLC.
[2] Wang Y, Liu J, Zhao J, et al. Split core closed loop hall effect current sensors and applications: PCIM EUROPE International Exhibition and Conference for Power, Electronics, Nuremberg, 2012[C].
[3] 百度百科. 电流互感器[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/427702.htm.
[4] Current Shunt Monitors, SLYB194A[R].Texas Instruments Incorporated, 2014.
[5] Sino Henri. 高端电流检测:差动放大器 VS 电流检测放大器[J]. Analog Dialogue, 2008.
[6] Torres Daniel, Zambada Jorge. PMSM无传感器FOC的单分流三相电流重构算法, AN1299[R].Microchip Technology Inc, 2009.
[7] 李飞飞. 基于PSoC4的矢量控制方案:电流采样[R].Cypress.
[8] 马达控制三相变频器中相电流Shunt检测电路设计, ZHCA598[R].Texas Instruments Incorporated, 2014.
[9] TMS320F28026F, TMS320F28027F InstaSPIN™-FOC Software Technical Reference Manual, SPRUHP4[R].Texas Instruments Incorporated, 2013.
[10] 孙桂喜, 唐华标, 张建新, 等. 永磁同步电机矢量控制方案在变频空调风机中的运用[R].STMicroelectronics.

文章目录
  1. 1. 霍尔元件
    1. 1.1. 开环霍尔元件与闭环霍尔元件
    2. 1.2. 传感器IC
  2. 2. 电流互感器
  3. 3. 采样电阻
    1. 3.1. 高端采样
    2. 3.2. 低端采样
  4. 4. 总结
  5. 5. 参考文献
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