電機電流檢測電路研究

作者　林子翔1,2 樊璟1,2 賈宏偉1,2　　1.廣東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校(廣東 廣州 510000)　　2.廣東電網(wǎng)有限責任公司教育培訓評價(jià)中心(廣東 廣州 510000)

　　林子翔(1989-)，男，碩士，講師，研究方向：輸配電線(xiàn)路施工與運行;樊璟，女，碩士，講師，研究方向：電力營(yíng)銷(xiāo);賈宏偉，男，碩士，講師，研究方向：電能的變換與控制。

摘要：位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成了伺服電機的三環(huán)控制系統。針對電流環(huán)控制的電流采集環(huán)節，設計了基于AD7403的電流環(huán)電流信號采集電路。其關(guān)鍵優(yōu)勢在于，AD7403芯片可以非常接近實(shí)際交流電流路徑，就近把模擬信號轉化為數字輸出流，再通過(guò)DSP的數字濾波器可重構原始信息。這樣最大程度地降低噪聲拾取，降低EMI/RFI效應，提高系統精度。而且相對于傳統基于光耦合器的解決方案容易受到較長(cháng)的傳播延遲影響，基于隔離式調制器的電流檢測應用ADI的iCoupler?技術(shù)可以使隔離式調制器響應和柵極驅動(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序，通過(guò)快速粗調數字濾波器實(shí)現短路過(guò)流保護。

0 引言

　　控制精度要求較高的伺服電機一般都是采用由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成的三環(huán)控制系統。三環(huán)結構可以使伺服系統獲得較好得動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗干擾性能。其中，電流檢測對于高性能閉環(huán)電機控制而言極為重要，并且不容易在惡劣、充滿(mǎn)電氣噪聲的環(huán)境中實(shí)現高保真測量。在較高功率系統中，使用自身提供隔離功能的隔離電流傳感器(比如電流互感器或霍爾效應傳感器);而在較低功率系統中，趨勢是使用帶有隔離式Σ-Δ型調制器(比如ADI AD7403)的分流電阻。以前的系統通常使用去飽和柵極驅動(dòng)器功能來(lái)實(shí)現短路過(guò)流保護，ADI的iCoupler?技術(shù)可以使基于隔離式調制器的電流檢測通過(guò)快速粗調數字濾波器實(shí)現隔離式調制器響應和柵極驅動(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序，優(yōu)越于傳統基于光耦合器的解決方案。

1 系統總體設計

　　本文設計的采樣電路，將檢測到的電流信號轉換成電壓信號輸入到AD7403器件的電壓測試端，AD7403依據DSP給定的時(shí)鐘信號輸出單路5~20 MHz位流，再由DSP通過(guò)sinc3濾波器計算出相應的16位ADC值，并將數據通過(guò)DMA的方式存入相應的環(huán)形隊列，并可以通過(guò)USB或RS485與上位機進(jìn)行通訊，查看AD7403的采集效果并對數據進(jìn)行相應的分析。

2 電流檢測電路設計

　　先將電流回路的電流經(jīng)過(guò)分流電阻轉換成相應的電壓信號。通過(guò)集成運放將電壓信號進(jìn)行適當的放大調整，在送入調制器轉換成數字流。本文選用的集成運放是AD8639，在進(jìn)行電壓信號調節時(shí)，采用雙同相比較電路，輸入電阻非常大，最大限度降低信號的損失和失真。調制器選用的是AD7403，AD7403是一款高性能的二階Σ-Δ型調制器，本身片上的數字隔離采用ADI公司的iCoupler?技術(shù)，能將模擬輸入信號轉換為高速單比特數據流。AD7403采用5 V(VDD1) 電源供電，可輸入±250 mV的差分信號(滿(mǎn)量程±320 mV)。模擬輸入由高性能模擬調制器進(jìn)行連續采樣，并轉換為數據率最高為20 MHz且密度為1的數字輸出流。通過(guò)適當的數字濾波器可重構原始信息，以在78.1 kSPS時(shí)實(shí)現88 dB的信噪比(SNR)。串行輸入/輸出可采用5 V或3 V電源供電(VDD2)，本文電路采用+5 V_ISO。該差分輸入信號非常適合用于在要求電流隔離的高電壓應用中監控分流電壓。串行接口采用數字式隔離。通過(guò)將高速互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)和單片變壓器技術(shù)結合在一起，較之傳統光耦合器等其它元件來(lái)說(shuō)，片內隔離能提供更加優(yōu)異的工作特性。

　　外部電流回路經(jīng)過(guò)分流電阻轉換成相應的電壓信號。通過(guò)調整RFA/R1和RFB/R1來(lái)調整AD8639的增益，以盡可能發(fā)揮AD7403輸入量程優(yōu)勢。AD8639是雙通道、寬帶寬、自穩零放大器，具有軌到軌輸出擺幅和低噪聲特性。這些放大器具有極低的失調、漂移和偏置電流。采用5 V至16 V單電源供電(或±2.5 V至±8 V雙電源供電)。本文所設計電路采用±2.5 V的隔離電源供電，由R1和RFA、RFB組成兩組同相比例，設置放大器的增益。如果放大器的增益設為10，檢測電阻為1 mΩ， AD7403輸入±300 mV的差分信號，那么該電路最高可以檢測±30 A的峰值電流。為了防止輸入過(guò)電壓對放大器造成傷害,在電流測試端采用兩組肖特基二極管和兩個(gè)10 Ω電阻組成保護環(huán),使其不受瞬態(tài)過(guò)壓和ESD的影響.因為AD8639外接雙電源為±2.5 V，所以保護電路外分別與±2.5 V 電源連接，防止過(guò)電壓。R2、R3和C1構成低通濾波器，用來(lái)降低送入調制器的噪聲。測試信號連接到調制器的VIN+和VIN-端。MDAT口在MCLKIN輸入的上升沿逐位移出串行數據到DSP，并在下一個(gè)MCLKIN上升沿有效。由DSP將主機時(shí)鐘邏輯輸入到MCLKIN腳，工作頻率范圍為5 MHz到20 MHz。VDD1腳是AD7403內部隔離端的電源電壓，為+5V_ISO，參照地為GND1，并將10 μF電容與1 nF電容并聯(lián)，將電源引腳去耦至GND1。VDD2腳為內部非隔離端提供電源電壓，為+5 V，參照地為GND2，并采用100 nF電容將此電源去耦至GND2。

3 電源配置電路

　　在上述的電流檢測電路中AD7403需要+5 V的隔離電源和非隔離電源，AD8639也需要±2.5 V的隔離電源。很多成熟的三端穩壓器都可以提供+5 V的非隔離電源。為了得到+5 V的隔離電源，本電路采用通過(guò)ADuM5000一個(gè)內部625 kHz PWM方式提供跨越隔離柵的5 V直流電源。ADuM5000是一款5 V隔離式DC-DC轉換器，用作隔離端的電源，兩端完全隔離，提供2500 V rms的隔離值(1分鐘，符合UL 1577標準)，且系統僅使用一個(gè)電源。ADuM5000運算放大器AD8639的電源為±2.5 V。其中+2.5 V_ISO可以由低噪聲ADP121-2.5低壓差穩壓器提供，而ADP121-2.5穩壓器的電源由ADuM5000 VISO腳送出的+5 V_ISO提供。為提供-2.5V_ISO的電源，本文采用的是TPS60400電荷泵反相器，TPS60400的輸入電壓范圍為1.6 V至5.5 V，可以將輸入電壓反相為-1.6 V至-5.5 V，即VOUT=-VIN 。最大輸出電流為60 mA，整個(gè)電路只需要3個(gè)濾波電容。將ADP121-2.5的輸出電壓接入TPS60400 IN腳，在OUT腳就可以得到-2.5V_ISO。

4 結論

　　由于在實(shí)際電路設計時(shí)，DSP或FPGA與交流路徑都會(huì )有一定的距離，甚至于不在同一塊電路板上。如果用DSP內部的AD轉換，則采集到的模擬信號經(jīng)過(guò)一段距離后才能被送入DSP，勢必會(huì )影響到信號的進(jìn)而影響到整個(gè)系統的精度。本文所設計的基于A(yíng)D7403信號采集電路是一款完全隔離的電流傳感電路，自帶隔離電源。該電路具有極強的魯棒性，AD7403可以非常接近實(shí)際交流電流路徑，就近把模擬信號轉化為數字輸出流，再通過(guò)DSP的數字濾波器可重構原始信息。這樣，最大程度地降低噪聲拾取，降低EMI/RFI效應，提高系統精度。安全性通過(guò)20 μm聚酰亞胺薄膜隔離柵來(lái)實(shí)現。

　　參考文獻：

　　[1]宋詞.交流永磁同步電機的自適應電流控制硏究[D].北京:冶金自動(dòng)化研究設計院,2013.1-8.

　　[2]王偉超.基于反卷積的無(wú)刷直流電機電流環(huán)跟蹤控制器設計[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2011, 26-35.

　　[3]徐東,王田苗,劉敬猛,等.永磁同步電機電流環(huán)自適應復合控制方法研究[J].系統仿真學(xué)報, 2009,21(22):7199-7204.

　　[4]韋克康,周明磊,鄭瓊林,等.基于復矢量的異步電機電流環(huán)數字控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2011, 26(6):88-94.

　　[5]ADI公司.基于A(yíng)DSP-CM408和AD7403的電機電流檢測系統方案[EB/OL]. http://www.analog.com/cn/design-center/landing-pages/002/reference-design/china/reference-design-epsh-mpc.html#product.

　　[6]陳幼平,張穎,艾武,等.永磁直線(xiàn)同步電機電流檢測系統設計[J].控制系統,2008,24(6):23-25.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第58頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。