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.廣東省電力工業職業技術學校(廣東 廣州 510000)　　2.廣東電網有限責任公司教育培訓評價中心(廣東 廣州 510000)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201802/376170.htm

　　林子翔(1989-)，男，碩士，講師，研究方向：輸配電線路施工與運行;樊璟，女，碩士，講師，研究方向：電力營銷;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、速度環和電流環組成了伺服電機的三環控制系統。針對電流環控制的電流採集環節，設計了基於AD7403的電流環電流信號採集電路。其關鍵優勢在於，AD7403晶片可以非常接近實際交流電流路徑，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。而且相對於傳統基於光耦合器的解決方案容易受到較長的傳播延遲影響，基於隔離式調製器的電流檢測應用ADI的iCoupler®技術可以使隔離式調製器響應和柵極驅動器的低傳播延遲同時具備精確時序，通過快速粗調數字濾波器實現短路過流保護。

0 引言

　　控制精度要求較高的伺服電機一般都是採用由位置環、速度環和電流環組成的三環控制系統。三環結構可以使伺服系統獲得較好得動態跟隨性能和抗幹擾性能。其中，電流檢測對於高性能閉環電機控制而言極為重要，並且不容易在惡劣、充滿電氣噪聲的環境中實現高保真測量。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型調製器(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器功能來實現短路過流保護，ADI的iCoupler®技術可以使基於隔離式調製器的電流檢測通過快速粗調數字濾波器實現隔離式調製器響應和柵極驅動器的低傳播延遲同時具備精確時序，優越於傳統基於光耦合器的解決方案。

1 系統總體設計

　　本文設計的採樣電路，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給定的時鐘信號輸出單路5~20 MHz位流，再由DSP通過sinc3濾波器計算出相應的16位ADC值，並將數據通過DMA的方式存入相應的環形隊列，並可以通過USB或RS485與上位機進行通訊，查看AD7403的採集效果並對數據進行相應的分析。

2 電流檢測電路設計

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

　　外部電流迴路經過分流電阻轉換成相應的電壓信號。通過調整RFA/R1和RFB/R1來調整AD8639的增益，以儘可能發揮AD7403輸入量程優勢。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。採用5 V至16 V單電源供電(或±2.5 V至±8 V雙電源供電)。本文所設計電路採用±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，那麼該電路最高可以檢測±30 A的峰值電流。為了防止輸入過電壓對放大器造成傷害,在電流測試端採用兩組肖特基二極體和兩個10 Ω電阻組成保護環,使其不受瞬態過壓和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，防止過電壓。R2、R3和C1構成低通濾波器，用來降低送入調製器的噪聲。測試信號連接到調製器的VIN+和VIN-端。MDAT口在MCLKIN輸入的上升沿逐位移出串行數據到DSP，並在下一個MCLKIN上升沿有效。由DSP將主機時鐘邏輯輸入到MCLKIN腳，工作頻率範圍為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，並將10 µF電容與1 nF電容並聯，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，並採用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，本電路採用通過ADuM5000一個內部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，本文採用的是TPS60400電荷泵反相器，TPS60400的輸入電壓範圍為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，整個電路只需要3個濾波電容。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

　　由於在實際電路設計時，DSP或FPGA與交流路徑都會有一定的距離，甚至於不在同一塊電路板上。如果用DSP內部的A\D轉換，則採集到的模擬信號經過一段距離後才能被送入DSP，勢必會影響到信號的進而影響到整個系統的精度。本文所設計的基於AD7403信號採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20 µm聚醯亞胺薄膜隔離柵來實現。

　　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:冶金自動化研究設計院,2013.1-8.

　　[2]王偉超.基於反卷積的無刷直流電機電流環跟蹤控制器設計[D].廣州:廣東工業大學,2011, 26-35.

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

　　[4]韋克康,周明磊,鄭瓊林,等.基於復矢量的異步電機電流環數字控制[J].電工技術學報,2011, 26(6):88-94.

　　[5]ADI公司.基於ADSP-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.

　　本文來源於《電子產品世界》2018年第3期第58頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。