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面向低成本调速电机驱动的电流检测方案 |
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作者：Naresh Shetty |
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简洁有效的需求
消费者和政府对于提高能源利用率的需求日趋紧迫，促使家用电器和小型工业系统等所有领域内的电机驱动技术不断取得进步。调速驱动技术是降低这些电机总体能耗的关键所在，但是，设计人员仍需要一种既能节约成本又能获得宽调速范围和力矩控制带宽的驱动器体系结构，而实现这一要求的关键就在于一种简洁明了的电机电流检测方案。
电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP或MCU的控制信号相结合，可以控制MOSFET或IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。如果要实现过流保护，还必需进行电流监控，不过对于低端应用而言传统的过流保护却显得过于昂贵。
如何处理电机电流信号
选择最佳的电机电流检测位置将在很大程度上影响检测电路的规模和复杂性。
如图1所示，在某些位置采样时，电流信号有可能包含高次谐波成分， 这样一来，就必须采用复杂的信号处理方法以要提取所需的电流成分。例如，在与直流母线正端或负端相串联的位置采样电流信号时，将得到各IGBT桥臂电流的矢量和，如图1所示。该信号中脉宽调制波（固定载波频率）的包络才是可变的电机电流基频成分，因而，必须采用相当复杂的采样保持电路及数字信号处理电路，才能从中提取到具备良好线性度和精度的有用电流信息。
图1：电流检测方法
另外，也可以在每组IGBT桥臂的底部进行电流采样，如图1中所示。此时信号处理要求会有所降低，但是仍不可避免地需要根据载波频率进行采样。
显然，由电机相线引出端可获得最为简单的电流信号，该信号中只包含可变的电机电流基频成分。然而，也会出现一个需要注意的新问题：检测过程需通过一枚串联电阻将电流转化为mV级的微小差分信号，该信号却又浮动于600V到1200V的共模电压之上。而且，该共模电压还会随着IGBT逆变器桥臂的开关切换，以高达10V/ns的 dV/dt变化率，在直流母线的负端和正端之间来回摆动。在过去，该问题曾经是实现低成本电流模式控制的一大障碍。
直接检测电机相电流
目前，国际整流器公司的HVIC技术使得检测这种浮动于巨大共模电压（且包括快速瞬变）之上的差分电压信号成为可能。该技术将一个可以低端接地的CMOS电路与另一个高端浮动CMOS电路预制在一起，并在其间植入一个N沟道或P沟道LDMOS隔离区，LDMOS可以穿越低端和高端电路间的高压势垒实现电平转移，从而传递控制信号。因此，HVIC技术能够以单芯片器件快速而精确地检测电机相线引出端的电流，从而简化硬件设计和信号处理要求。电平转移电路还能够抵御高达50V/ns的快速瞬变，已高于IGBT逆变器产生的10V/ns的典型共模dV/dt噪声。
IR公司已经为高速、单相电流检测推出了两款新型HVIC芯片：IR2277和IR22771，并且都具备电机驱动应用所需的同步采样能力。
图2：IR2277 中的信号处理模块
如图2所示，各芯片的第一级由可抵御PWM谐波并降低电流纹波灵敏度的自动调谐滤波器构成。该滤波器能够从SYNC信号中自动提取PWM频率，并将传输零点置于偶次谐波频点。对PWM的半周期进行积分以获得和单一实极点位于PWM频率时相类似的频率响应特性，因而可以抵御高频噪声。此外，准确放置于PWM偶次谐频的多重传输零点可进而提高衰减比。
芯片的第二级以两倍于SYNC的频率采样第一级的输出结果。如果将SYNC信号相对于三角载波信号边缘（SYNC2）移位90度，则结合该过程，就可以完全去除输入信号中的奇次谐波。
图3：IR2277 的应用电路
IR22771可将微小电压差转化为PWM输出，而IR2277不仅提供PWM信号，也提供模拟输出，如图2 所示。PWM输出信号及重建的模拟信号可以和MCU或DSP的力矩控制环接口互连。
以HVIC进行设计
IR2277的应用电路如图3所示。由于直接检测电机相电流，因而只需处理频率可变的电机电流基波。检测到的电流与流经外部分流电阻的模拟电压成比例，然后IR2277将该模拟电压转化为时间间隔，并通过电平转移为DSP或模拟数字接口提供适宜的数字PWM输出信号，且无需额外的逻辑电路。IR2277也可以提供与被测电流成比例的模拟输出电压，其值域取决于外部参考电压。
芯片的最大吞吐率为每秒40k次采样，适用于高达20kHz的非对称PWM调制，且20kHz时最大延时小于7.5祍。由于采用了可免除噪声的双向电平转移电路，因而可获得高达50V/ns的免出错共模dV/dt噪声承受能力。
面向低成本驱动器的芯片组
IR2277和IR22771还可以产生快速的过电流信号以保护IGBT。结合IR22381Q等同样采用IR公司的HVIC技术构建的IGBT驱动芯片，能够使设计人员实现低成本的IGBT保护，以防范相间短路、对地故障和桥臂贯穿电流。对IGBT而言，由上述故障引起的过流是致命的，只是分立元件保护电路的高成本和复杂性曾使得这类保护特性仅能应用于高端电机驱动。
总之，在实用的低成本调速电机驱动中， HVIC技术已经可以固化过去由光电隔离器或霍耳效应传感器等大量笨重分立元件所完成的功能，并将其整合为单一的电流检测芯片和驱动芯片，且仅需附加少量的外部无源元件，以完成检测、偏置和确定时间常数等基本功能。
Naresh Shetty是 International Rectifier运动控制产品经理。
原载《设计创新》杂志(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/22/2006) |
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