浅析PWM对单路并联电流检测的影响

即使仅用于限制电流，无刷电动机驱动器中的感应电流也是必不可少的。如果要在整个工作范围内优化性能和稳定性，则必须使电流读数保持一致。开关三相电桥的方法有很多，这使电流检测变得复杂。并非总是很明显，电流会以哪种方式流过电桥，特别是在考虑各种制动和驱动模式时。

低电流驱动器最简单，最常见的格式是在公共负返回线上放置一个分流器，如图1和2所示。

图1：公共负极中的单个分流器


图2：公共负极中的单个分流器，带有电流指示

对于模拟驱动器中的单侧开关，此格式非常不令人满意，因为平均分流电流不是平均电动机电流。桥内有一个不通过分流电阻器的飞轮电流。需要检测峰值电流，但这会立即引入噪声问题。

单侧开关的电桥电流

使用数字驱动器，可以在相关阶段的导通时间内对分流电流进行采样，但这并不是没有问题的。在相之间接近换相时，可用于检测电流的时间非常短，因为低速下的占空比很短。为了进一步加剧该问题，并联电流具有许多高频分量，必须通过一个具有非常高的压摆率的放大器（可能约为20V / µs）来对其进行检测。还必须考虑分流器上的共模电压摆幅（图3）。

图3：接通时间期间的信号布局

PWM对单路并联电流检测的影响

如果采用动态制动，则分流器可能看不到任何电流，因此电桥容易损坏。较低的FET脚将需要周期性地导通，以便可以在分流器中采样电流（图4）。

图4：PWM对单路并联电流检测的影响

动态制动电流

如果需要在没有特定制动模式的情况下对制动进行良好的控制，则可以避免进行双面开关。对于零电压驱动，需要50％PWM。这确实意味着有更多时间在低速而不是高速下测量电流。分流器在每个PWM周期看到电流反向（图5）。

图5：动态制动电流

双面开关

具有低电感电机的双面开关的可能缺点是，纹波电流可能很高，这会增加FET中的开关损耗以及电机和分流器中的I2R损耗。

这次关于正弦换向还有进一步的复杂化。使用梯形换向时，桥的任一时刻都只有两个支路被切换，但是当我们转向正弦换向时，所有三个支路同时被切换。在图6中，我们可以看到单个分流器将看到C相的电流，但该分流器将不会指示A相或B相电流。这仅意味着单个分流器不适用于正弦换向。

图6：正弦换向

仅单并联可准确指示C相电流

为了克服这个问题，可以使用两个分流器，但这仍然不能解决由于PWM比率低而引起的检测误差问题，或者没有检测到动态制动电流或循环电流的问题。为此，我们现在将研究典型无刷驱动器中实际测得的分流电流与电枢电流之间的差异。

所研究的系统是一种改进的梯形驱动器，带有如图3所示的3个分流器的双侧开关。增加了一个霍尔效应电流传感器，以测量实际的电枢电流。

图7：具有3个分流器的双面开关的梯形驱动器

三并联驱动器

然后可以比较来自分流器和电流传感器的电流读数。

图8中的屏幕截图描绘了分流电压（黄色）和电流传感器输出（蓝色）。

图8：分流电压和电流传感器输出

相电流波形

观察结果：

分流电流是电枢电流的整流形式。对于相同的电流，所示的传感器输出幅度比并联输出大50％。

在这种驱动中，分流电流与真实电枢电流之间存在相当大的周期性差异。

在电流最大值时，该关系或多或少是一致的，但是当电流接近零且上升时，一致性很差。电流下降时没有一致性。

出现不一致的原因是，电桥内有循环电流不像正弦换向那样流经分流器或重叠电流。

如果我们放大时基不一致，则会在图9中进一步描述。

图9：相电流波形

同样，在电流上升期间，分流电流与电枢电流之间存在合理的关系，但在换相点，分流电流立即降至零，然后在电枢电流逐渐下降的同时又开始上升。由于存在电感，电枢电流无法立即改变。极有可能是感应电流没有通过特定的分流器，从而导致了差异。

在周期的不同时期，我们可以观察到图10。

图10：相电流波形

电枢电流接近于零，但并联电流却不为零。在换向点，两个电流均为零，这是正确的，但分流电流迅速上升，而电枢电流却不然。

我们可以很明显地得出结论，在负线中使用分流器是测量许多无刷驱动器中电流的一种非常差的方法。三相电桥中的电流显然非常复杂，尤其是当考虑多种操作模式时，包括动态制动，再生制动，正向和反向驱动以及FET支路开关选项。

电流测量不正确的症状可能是电动机振动和/或与负载有关的不稳定性。应对这种不稳定性可能意味着额外的阻尼，这通常会导致较差的瞬态响应。

一种替代方法是使用分流器来测量相电流，但这立即带来了挑战，即在分流器上存在很大的共模电压摆幅，这需要非常精确的电阻分压器网络和精密放大器。同样，当电流大于约30安培时，分流器中的热量也开始成为问题。

逻辑选择是采用电隔离电流传感器来测量真实电枢电流。这些不一定是笨重的或昂贵的。图11显示了Raztec传感器的低成本紧凑型安装示例。

Raztec电流传感器安装在90A电机驱动器中

环形电流传感器仅环绕电动机连接。电流隔离完全消除了共模效应，并且可以精确测量真实的电枢电流。传感器的输出接近轨到轨，因此不需要放大–电流信号可以直接馈送到A / D。Raztec RAZC系列传感器能够在最大外径为10mm的情况下测量最大40A至最大250A的电流。