姜淑忠
上海交通大學(xué)電氣工程系(上海200030)
摘要： 電流傳感器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中最常用的傳感器，其輸出信號(hào)用作保護(hù)、反饋等功能，在電機(jī)的無傳感器控制中，電流傳感器更是必不可少的元件。本文針對(duì)步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、無刷交流電機(jī)、異步電機(jī)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)電流傳感器采樣位置、采用的傳感器的種類，進(jìn)行了詳盡地描述。
關(guān)鍵詞： 電流傳感器 電流采樣集成電路 隔離光耦傳感器 霍爾效應(yīng)傳感器
Current Transducer in Motor Driver
Jiang Shu-zhong
Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University
(Shanghai 200030)
Abstract: The current transducer is the commonest one in motor driver. Its output signal is used for protection and feedback. In sensorless control of the motor, the current transducer is indispensable. For the different topologies of stepping motor, brushless dc motor brushless ac motor and induction motor, the positions and types of the current transducers are also different. In this paper, above all are detailed.
Keywords: Current transducer, IC transducer, Isolation amplifier, HALL effect transducer.
1、前言
傳感器和電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)或傳動(dòng)系統(tǒng)[1]。電流傳感器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制中最常用的傳感器，其輸出信號(hào)用作保護(hù)、反饋等功能，在電機(jī)的無傳感器控制中，電流傳感器更是必不可少的元件，電流信號(hào)用來計(jì)算磁場(chǎng)位置、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等物理量。在不同種類的電機(jī)甚至同一種類但不同相數(shù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器中，傳感器的種類和所處位置也是不同的。
上世紀(jì)八十年代中期，三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)開始得到應(yīng)用，其各種驅(qū)動(dòng)電路中，斬波恒流型最為理想。每相通過一個(gè)電阻進(jìn)行電流采樣，與給定電流值比較，產(chǎn)生斬波信號(hào)。十年后，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)趨于成熟，每相繞組采用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相電流仍然通過一個(gè)電阻進(jìn)行采樣。進(jìn)入九十年代，無刷直流電機(jī)得到迅速發(fā)展，由于采用120° 通電方式，只須在直流側(cè)負(fù)端串入一個(gè)采樣電阻，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的電流控制。近十年，無刷交流電機(jī)即永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制越來越多，相電流反饋信號(hào)是轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向的主要變量，對(duì)Y接法的三相繞組，需要兩個(gè)電流傳感器采樣任何兩相電流，采用信號(hào)通常需要和相電流隔離，因此常選用有隔離作用的電流傳感器，如電流采樣集成電路、隔離光耦傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器。
本文在總結(jié)電流傳感器在不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的作用和要求后，分別說明電流傳感器在不同驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所處的位置，扼要說明其工作原理，然后給出不同種類傳感器的基本工作原理和使用方法，最后加以簡(jiǎn)單的比較。
2 、 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電流傳感器
圖1所示為三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的一相斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路。A相繞組電流 流經(jīng)電流采樣電阻 ，所得采樣電壓與給定電流對(duì)應(yīng)電壓 比較產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，與相控信號(hào)合成后得到斬波信號(hào)，控制功率開關(guān)P1，使 維持在 給定的電流。圖2為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的一相繞組驅(qū)動(dòng)電路，H橋結(jié)構(gòu)使每相繞組能以雙極性驅(qū)動(dòng)，但采樣電阻 上的電壓卻是單極性的。由于一般的微控制器的電源都是單極性的，采樣電壓不用極性轉(zhuǎn)換，經(jīng)處理就可由模數(shù)轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換。
對(duì)三相無刷直流電機(jī)，電流傳感器則放在直流側(cè)的負(fù)端，如圖3所示�？瓷先チ鬟^電阻 的電流是三相電流之和，但無刷直流電機(jī)的繞組工作在120° 通電方式，即每個(gè)瞬間只有兩相繞組通電， 上的電流就是相電流。對(duì)永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)的控制特別是磁場(chǎng)定向控制，三相繞組同時(shí)通電，采用圖3的傳感器位置，根據(jù)程序中的通電狀態(tài)和測(cè)得的電流，可計(jì)算出每相電流。但用PWM開關(guān)算法，有時(shí)導(dǎo)通寬度較窄，使測(cè)量和計(jì)算變得復(fù)雜，影響實(shí)時(shí)性，故通常采用圖4的傳感器放置方法。Y型連接需要兩個(gè)傳感器才能獲得每相相電流。由于繞組和控制部分的電路需要隔離，圖中的傳感器 和 只能采用有隔離功能的電流傳感器。
圖1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路
圖2. 混合式步進(jìn)電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路
圖3. 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的電流傳感器
圖4. 無刷交流電機(jī)和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的電流傳感器
3 ．需采樣電阻的隔離電流傳感器
電流采樣集成電路IR2171/2172是IR公司生產(chǎn)的，引腳及應(yīng)用電路如圖5所示。它是8腳DIP封裝的集成電路，輸入信號(hào)是模擬形式的采樣電壓，輸出信號(hào)是數(shù)字形式的PWM波，另外還有過流輸出信號(hào)。圖中的采樣電阻 串在每相回路中，相電流在 兩端的電壓降被轉(zhuǎn)換成PWM輸出，輸出波形如圖6所示，周期為25us，占空比隨電流大小和方向而變。當(dāng)電流為零即 兩端的電壓為零時(shí)，引腳 輸出的PWM占空比為50%。當(dāng)電流正向流動(dòng)導(dǎo)致引腳 與 之間的電壓為正時(shí)，占空比大于50%，當(dāng)兩腳之間的電壓達(dá)到260mV時(shí)，占空比達(dá)到最大值93%。當(dāng)電流反向流動(dòng)導(dǎo)致引腳 與 之間的電壓為負(fù)時(shí)，占空比小于50%，當(dāng)兩腳之間的電壓達(dá)到–260mV時(shí)，占空比達(dá)到最小值7%。這種集成電路和高壓浮動(dòng)MOS柵極集成電路如IR2136共同使用在小功率驅(qū)動(dòng)電路中非常方便，上橋臂共用一組15V電源，輸出信號(hào)與下橋臂共地，可直接與控制部分連接，也可經(jīng)過光耦隔離再與控制部分連接[2]。
圖5. IR2172與功率部分的連接
圖6. IR2172的PWM輸出波形
線性隔離采樣光耦HCPL–7520系列和HCPL–7860系列由Agilent公司生產(chǎn)，其引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示[3][4]。兩者的推薦輸入電壓范圍為±200mV，前者的輸出腳 為模擬電壓信號(hào)，如圖8所示。后者內(nèi)部的調(diào)制器則將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成高速（10MHz）的數(shù)字信號(hào)流，每位數(shù)字信號(hào)的時(shí)間平均值正比于輸入信號(hào)，從輸出腳 輸出，引腳 輸出10MHz的時(shí)鐘。它們?cè)陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)中的使用如圖9所示。由于光耦需要兩個(gè)隔離的5V電源，輸入側(cè)的5V電源可從上橋臂的浮地正電源通過78L05獲得，如圖9（a）所示，也可通過穩(wěn)壓二極管獲得，如圖9（b）中的 。圖9（a）中，光耦的輸出可直接送到微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端，或通過運(yùn)算放大器進(jìn)行適當(dāng)變換再到其輸入端。圖9（b）中，數(shù)字接口芯片HCPL–0872將光耦的每一位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成15位的輸出字，正最大輸入（320mV）對(duì)應(yīng)的輸出字為7FFFH，零輸入對(duì)應(yīng)的輸出字為4000H，負(fù)最大輸入（-320mV）對(duì)應(yīng)的輸出字為0，并提供串行輸出接口，適用于SPI、QSPI、Microwire等協(xié)議。一片HCPL–0872可與兩片HCPL–7860連接，通過HCPL–0872內(nèi)部的寄存器，可設(shè)置5種轉(zhuǎn)換模式、3種預(yù)觸發(fā)模式、偏移量標(biāo)定、過流檢測(cè)和電流閾值設(shè)定[5]。HCPL–7520的帶寬為100KHz，0.06%的非線型，HCPL–7860的帶寬隨轉(zhuǎn)換模式而不同，典型值為22KHz。這兩個(gè)系列的光耦檢測(cè)電流的范圍可從小于1A到100A。
正確選擇圖1、圖2、圖3、圖5、圖9中與電機(jī)相繞組串聯(lián)的采樣電阻至關(guān)重要。采樣電阻的阻值必須小，以降低自身的功率損耗。電阻的電感必須小，以減小 導(dǎo)致的電壓尖峰。電阻的精度適當(dāng)，以保持整體電路的精度。阻值大小的選取需同時(shí)考慮減小自身功耗和提高精度兩個(gè)方面，因?yàn)樽柚翟叫。脑叫�，阻值越大，所得電壓越接近傳感器或接口電路的最大量程，幅值固定的偏移量及噪音所占的百分比變小。確定阻值時(shí)，首先考慮流過電阻的電流，電流可根據(jù)電機(jī)的功率、驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓、電流波形、過載倍數(shù)確定，然后根據(jù)傳感器的電壓量程，就可計(jì)算出阻值。例如3KW的永磁同步電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器的輸入交流電壓為220V，采用磁場(chǎng)定向和空間矢量PWM控制，電機(jī)相電壓的最大基波為126.5V，對(duì)應(yīng)的相電流為7.9A，峰值為11A，若過載倍數(shù)為2，最大峰值為22A。設(shè)傳感器的最大輸入電壓為200mV，電阻阻值為9.1m&# 8486;，額定功率時(shí)電阻的功耗為0.57W，因此可選用靠近該阻值的標(biāo)準(zhǔn)阻值的電阻。另外要注意的是，當(dāng)采樣電阻的功耗較大時(shí)，必須選用低溫度系數(shù)的電阻，或用增加散熱器面積、減小印刷電路板電流回路的電阻等方法來降低電阻的熱阻。當(dāng)選用的采樣電阻阻值較小時(shí)，兩端電阻引腳彎曲的長(zhǎng)度、如何彎曲、如何焊接、引腳材料的溫度系數(shù)會(huì)引入誤差，這時(shí)可采用4端電阻，額外的兩個(gè)引腳采用Kelvin連接，這兩個(gè)引腳之間的電壓為采樣電壓，電流從另外兩個(gè)引腳流人流出，避免兩端引腳帶來的誤差。
(a). HCPL–7520
(b). HCPL–7860
圖7. 兩種線性光耦的引腳和結(jié)構(gòu)
圖8. HCPL–7520的輸入輸出特性
圖9. 兩種光耦的應(yīng)用電路
4 ．霍爾電流傳感器 [6]
以上兩種傳感器是將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓，再隔離放大，輸出線性電壓信號(hào)。基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器則不同，它以被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)為媒介，處于磁場(chǎng)中的霍爾發(fā)生器輸出相應(yīng)的電信號(hào)。圖10所示的是霍爾效應(yīng)原理示意圖，一片厚度為 的導(dǎo)電材料處于磁密為 的磁場(chǎng)中（磁場(chǎng)方向與導(dǎo)體表面垂直），縱向流過的控制電流為 ，則在橫向兩表面間產(chǎn)生電勢(shì)差 ，其大小為：
(1)式中是霍爾常數(shù)，與導(dǎo)電材料有關(guān)， 是電壓偏移量，即磁場(chǎng)不存在時(shí)霍爾發(fā)生器的輸出電壓。乘積 稱為霍爾發(fā)生器的靈敏度，電壓偏移量和靈敏度隨溫度都會(huì)發(fā)生變化。
圖10. 霍爾效應(yīng)原理示意圖
LEM公司依據(jù)霍爾效應(yīng)原理生產(chǎn)了三大類型的電流傳感器，分別如圖11、圖12和圖13所示。圖11所示的是開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器原理，載有被測(cè)電流 的導(dǎo)體從磁芯中間穿過，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿磁芯最強(qiáng)，磁密為 ，霍爾發(fā)生器放置在磁芯的切口里，控制電流 由內(nèi)部電路提供。當(dāng)磁芯工作在其磁滯回線的線性區(qū)時(shí)，磁密 與 成比例，而霍爾電壓與 成比例，因此霍爾發(fā)生器的輸出與 成比例，再加上偏移量 。內(nèi)部的測(cè)量電路移去 ，加以溫度補(bǔ)償，放大后輸出。當(dāng)被測(cè)電流小于50A時(shí)，為避免內(nèi)部磁密較弱，將載流導(dǎo)體饒成多匝，維持在50安匝的磁勢(shì)，產(chǎn)生合適大小的輸出電壓。
圖11. 開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器原理
圖12則用霍爾電壓在副邊線圈里產(chǎn)生電流 ，由它產(chǎn)生的磁勢(shì)與被測(cè)電流（又稱原邊電流）產(chǎn)生的磁勢(shì)幅值相等、方向相反，使霍爾發(fā)生器工作在零磁通狀態(tài)，因此這種閉環(huán)傳感器又叫霍爾補(bǔ)償或零磁通傳感器。零磁通運(yùn)行狀態(tài)帶來性能的顯著改善，如消除了伴隨溫度變化的增益漂移、擴(kuò)展了測(cè)量帶寬、降低了響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)兩部分電流產(chǎn)生的磁勢(shì)相等時(shí)：
可進(jìn)一步寫成：
(3)
式中 、 分別為原邊和副邊的匝數(shù)。串聯(lián)在副邊回路的外接電阻 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
第三類霍爾傳感器如圖13所示，Eta表示代表效率的希臘字母“ ”的發(fā)音，因?yàn)楹烷]環(huán)傳感器比，副邊線圈所需的功率較少。從性能來看，介于開環(huán)和閉環(huán)之間。在低頻段（不超過2到10KHz），工作在開環(huán)傳感器狀態(tài)，霍爾發(fā)生器的輸出信號(hào)與原邊電流成比例。高頻段工作在電流變壓器方式，輸出電流正比于原邊交流電流。兩部分信號(hào)經(jīng)電子合成而輸出。
圖12. 閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器原理
圖13. Eta技術(shù)霍爾效應(yīng)電流傳感器原理
與以上三類技術(shù)相對(duì)應(yīng)，LEM公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品系列，它們的主要特點(diǎn)如表1所示。另外，傳感器輸出信號(hào)是電壓型的還是電流型的，對(duì)接口電路的設(shè)計(jì)也不一樣。如圖12的電流輸出，需串接一定范圍內(nèi)的電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓。有的類型傳感器用雙極性電源，轉(zhuǎn)換后的電壓也是雙極性的。有的類型是如圖14所示的電壓型輸出。送到微控制器前，需進(jìn)行電平提升和放大。
表1. 三類霍爾效應(yīng)電流傳感器主要性能比較
霍爾效應(yīng)技術(shù)
開環(huán)
閉環(huán)
Eta
測(cè)量范圍IP
0到15KA
0到15KA
25到150A
帶寬
0到25KHz
0到200KHz
0到100KHz
響應(yīng)時(shí)間td
<3-7us
<1us
<1us
精度（25ºC，IPN 百分比）
±1.5%
±0.5%
±1.5%(DC)
±0.5%(AC)
線性度
±0.5%
±0.1%
±0.5%(DC)
±0.1%(AC)
主要特點(diǎn)
功耗小，體積小，成本低
精度高
響應(yīng)快
功耗小，響應(yīng)快，電源電壓低（5V）
圖14. 霍爾效應(yīng)電流傳感器的電壓輸出特性
5 、結(jié)論
本文針對(duì)不同電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探討了電流傳感器的采樣位置、用電阻采樣還是隔離采樣，介紹了需采樣電阻的隔離電流傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器。具體結(jié)論如下：
繞組電流經(jīng)采樣電阻直接流入直流側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可選用電阻進(jìn)行采樣，如圖1、圖2和圖3。對(duì)每相電流需經(jīng)其它兩相回路流過的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4的三相導(dǎo)通的控制策略，需用隔離采樣的電流傳感器；
集成電路IR2171/2172的帶寬較窄，典型值為15KHz。PWM輸出，與微控制器連接導(dǎo)致頻繁的中斷。在小功率驅(qū)動(dòng)電路中，和高壓浮動(dòng)MOS柵極集成電路共同使用性價(jià)比較高；
線性隔離光耦有較高的線性度、共模電壓抑制比（CMR）、較低的溫度漂移。隨被測(cè)電流增大，采樣電阻的選擇、電路板的布線愈影響測(cè)量精度；
霍爾效應(yīng)電流傳感器實(shí)現(xiàn)了完全隔離的測(cè)量方法，測(cè)量的電流范圍很大，品種多，使用方便，隨著價(jià)格的降低，應(yīng)用更普及。
參考文獻(xiàn)
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[6]. LEM, Isolated current and voltage transducers ― characteristics, applications and calculations, 3rd Edition.
作者簡(jiǎn)介
1967年生，博士，畢業(yè)于香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系�，F(xiàn)為上海交通大學(xué)電氣工程系副教授，近期從事永磁電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。
通訊地址：上海市本溪路168弄2號(hào)303室
郵編：200092
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