基于PCB銅箔電壓法的無(wú)刷電機(jī)電流采樣研究

李 珂，黃海燕，阮小丁，孫祝兵，朱美臣

(浙江聯(lián)宜電機(jī)有限公司，東陽(yáng) 322118)

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基于PCB銅箔電壓法的無(wú)刷電機(jī)電流采樣研究

李 珂，黃海燕，阮小丁，孫祝兵，朱美臣

(浙江聯(lián)宜電機(jī)有限公司，東陽(yáng) 322118)

在設(shè)計(jì)微特電機(jī)控制器時(shí)，常常通過(guò)檢測(cè)采樣電流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和控制器的保護(hù)。在電流采樣中，康銅絲因其較低的電阻溫度系數(shù)和較寬的溫度范圍得到了廣泛應(yīng)用。文章對(duì)電路板鋪銅電阻進(jìn)行了研究，采用了一種基于溫度補(bǔ)償?shù)腜CB銅箔電壓法進(jìn)行電機(jī)電流采樣，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法對(duì)小功率電機(jī)控制器的有效性。

銅箔電壓法;溫度補(bǔ)償;電流采樣;康銅絲

0 引 言

在設(shè)計(jì)電機(jī)控制電路時(shí)，通常會(huì)設(shè)計(jì)電流采樣電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、控制器和供電線路的保護(hù)。電機(jī)控制器或驅(qū)動(dòng)器作為電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，電流采樣電路是其不可或缺的功能模塊。目前常用的電流采樣方法有電流互感器法、電阻采樣法等。采用電流互感器的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)電流變換和電氣隔離作用，多用于高壓電路中。基于電阻采樣的方法在各種電路中應(yīng)用都比較廣泛，而康銅絲因其良好的溫度系數(shù)得到了廣泛使用。但用康銅絲作為采樣電阻在微特電機(jī)控制器中使用并不方便，特別是在空間高度受到限制時(shí)。本文提出一種基于線路板銅箔電壓降的電流采樣方法，該方法直接使用線路板PCB走線作為采樣電阻，并對(duì)銅箔電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這種方法可以有效地降低線路板高度和發(fā)熱量，并且減少了插件的使用，方便線路板的加工。

1 基于溫度補(bǔ)償?shù)你~箔電阻計(jì)算

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常使用方塊統(tǒng)計(jì)法快速地估算出線路板上一根走線或一塊鋪銅的電阻。方塊統(tǒng)計(jì)法的依據(jù)是：在相同厚度下，同樣尺寸的正方形印刷線路板走線的電阻值相同。正方形方塊的電阻值取決于PCB銅箔的電阻率和厚度。方塊統(tǒng)計(jì)法適用于PCB線路電阻的估算。PCB線路板鋪銅的電阻率具有正溫度系數(shù)，同一塊鋪銅的電阻值隨溫度的升高而升高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或控制器作為電機(jī)控制系統(tǒng)的功率模塊，在工作時(shí)IGBT或MOSFET等功率器件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)而引起整個(gè)線路板的溫度上升，因而并不能使用方塊統(tǒng)計(jì)法精確算出不同溫度下的PCB電阻值。為了得到真實(shí)的電阻值，可使用數(shù)值計(jì)算法計(jì)算PCB銅箔的電阻值。考慮到溫度的變化，使用NTC熱敏電阻測(cè)量銅箔的溫度，并對(duì)銅箔電阻進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)體電阻值Rt和溫度t之間的公式表示如下[1-5]:

(1)

式中:Rt表示導(dǎo)體在溫度為t時(shí)的電阻值，R0為導(dǎo)體在溫度為0℃時(shí)的電阻；t為導(dǎo)體的溫度；a,b,c為常系數(shù)。對(duì)于PCB上確定的導(dǎo)體，假設(shè)線路板電流采樣銅箔的厚度為H,寬度為W,長(zhǎng)度為L(zhǎng)，如圖1所示，其在0℃時(shí)的電阻值為R0,則有：

(2)

圖1 銅箔電阻模型

式中:ρ為線路板銅箔溫度為0℃時(shí)的電阻率。式(1)中，因?yàn)槌?shù)b，c比a小得多，在溫度變化范圍不大時(shí)可以省略b，c。于是式(1)可以寫(xiě)成：

(3)

在設(shè)計(jì)電流采樣電路時(shí)，當(dāng)PCB確定后，式(2)中L，W和H也就確定了。可以根據(jù)PCB制板商提供的銅箔的電阻率求出電阻R0。由式(3)知，銅箔電阻值和溫度可以看作線性關(guān)系。因而可以使用兩點(diǎn)法求出常數(shù)a。假設(shè)在溫度為t1的電阻為R1,在溫度為t2時(shí)的電阻為R2,則有:

(4)

在設(shè)計(jì)中，為了求出線路板銅箔的溫度，在靠近采樣銅箔的位置放置NTC溫度采樣電路。然后，通過(guò)單片機(jī)對(duì)銅箔的溫度進(jìn)行采樣計(jì)算。

2 基于銅箔電壓法的電流采樣電路設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證基于溫度補(bǔ)償?shù)你~箔電流采樣方法的有效性，設(shè)計(jì)了一款小功率無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用STM32F0系列單片機(jī)作為主控芯片，該系列單片機(jī)是基于ARMCortex-M0內(nèi)核的微控制器系列，其運(yùn)行頻率可以達(dá)到48MHz。另外還具有一個(gè)16位定時(shí)器和12位的ADC模擬數(shù)據(jù)采樣通道。該系列單片機(jī)可以滿足小功率無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求。基于銅箔電流采樣的無(wú)刷電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示[6-7]。

圖2 無(wú)刷電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路

在圖2中，V1～V6是6個(gè)MOSFET，U，V，W是全橋電路輸出接點(diǎn)，用于連接無(wú)刷電機(jī)3個(gè)繞組信號(hào)。全橋電路的三個(gè)下橋臂V4,V5和V6通過(guò)RM連接到電源負(fù)端，其中RM表示三個(gè)下橋臂MOSFET源極到電源負(fù)極之間的銅箔等效電阻。信號(hào)ADC_Cur和GND信號(hào)連接到單電源運(yùn)放偏置電路，如圖3所示。

圖3 銅箔電壓放大電路

在圖3中，銅箔電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大電路放大后得到信號(hào)MCU_CUR，該信號(hào)連接到單片機(jī)的AD采樣接口。由圖3可知運(yùn)放輸出電壓VMCU_CUR與銅箔電壓VADC_Cur之間的關(guān)系為：

(5)

式中：R+=R11∥R12∥R13。

為了補(bǔ)償溫度對(duì)銅箔電阻值的影響，設(shè)計(jì)了銅箔溫度采樣電路。在設(shè)計(jì)PCB線路板時(shí)，將溫度傳感器NTC緊靠銅箔放置。銅箔溫度采樣電路如圖4所示。

圖4 銅箔溫度采樣電路

圖4中NTC為熱敏電阻。設(shè)單片機(jī)采集到的熱敏電阻的分壓為VTEMP,則有：

(6)

設(shè)熱敏電阻在某一溫度T時(shí)的電阻為R,則有：

(7)

式中:R1為熱敏電阻在溫度為T(mén)1時(shí)的電阻值，B是熱敏電阻的熱敏指數(shù)。設(shè)計(jì)中選取熱敏電阻參數(shù)為R=47kΩ,熱力學(xué)溫度T=(25+273)K，B=3 850。對(duì)式(7)進(jìn)行變換，則有：

(8)

將式(6)代入式(8)中，則有：

(9)

由式(9)可見(jiàn)，通過(guò)單片機(jī)采集到的熱敏電阻的電壓值和熱敏電阻的溫度并非線性關(guān)系。在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)式(9)進(jìn)行分段線性擬合計(jì)算。然后結(jié)合式(5)和式(3)就可以計(jì)算出當(dāng)前無(wú)刷電機(jī)的電流。

3 實(shí)驗(yàn)研究

研究中利用上面所提到的電路設(shè)計(jì)了一款小功率無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。為了便于監(jiān)控銅箔采樣電流，設(shè)計(jì)了RS-485通訊電路，并使用VisualBasic編寫(xiě)了監(jiān)控軟件，用于顯示電機(jī)電壓、電流等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中將該驅(qū)動(dòng)器連接到LINIX生產(chǎn)的90ZWN24-90-A/90JB15G無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)模擬負(fù)載給無(wú)刷電機(jī)分段加載，進(jìn)而觀察電機(jī)電流采樣的精度。設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖5所示[7-8]。

圖5 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)全橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，全橋電路通過(guò)該段銅箔與電源構(gòu)成回路。當(dāng)電流流經(jīng)該銅箔時(shí)，會(huì)在銅箔上產(chǎn)生電壓，該電壓經(jīng)過(guò)放大電路放大后輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)根據(jù)采集到的電壓和銅箔的溫度，計(jì)算出采集到的電機(jī)電流。基于銅箔電壓法的無(wú)刷電機(jī)電流采樣流程圖如圖6所示。

圖6 銅箔壓降法無(wú)刷電機(jī)電流采集流程圖

在控制器中，定義電機(jī)4種狀態(tài)：電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)自由停車(chē)狀態(tài)、電機(jī)剎車(chē)狀態(tài)和故障狀態(tài)。設(shè)計(jì)中對(duì)無(wú)刷電機(jī)采用三相六步驅(qū)動(dòng)控制方法。在電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，全橋電路的一個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂導(dǎo)通，上下橋臂通過(guò)電機(jī)繞組和銅箔與電源構(gòu)成回路。而當(dāng)電機(jī)處于剎車(chē)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的三個(gè)下橋臂打開(kāi)，上橋臂關(guān)閉，此時(shí)并不構(gòu)成回路,只有當(dāng)上橋臂損壞時(shí)，才會(huì)構(gòu)成回路。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)，圖6中選擇在電機(jī)運(yùn)行和剎車(chē)時(shí)，采集電機(jī)電流。在其他狀態(tài)時(shí)，全橋電路的上下橋臂全部關(guān)閉。為了便于控制器采樣的電機(jī)電流和真實(shí)的電機(jī)電流進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了RS-485電路。使用VisualBasic編寫(xiě)了電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控軟件，用于實(shí)時(shí)顯示采集到的電機(jī)電流。電機(jī)監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 無(wú)刷電機(jī)監(jiān)控平臺(tái)

電機(jī)監(jiān)控平臺(tái)軟件分為兩種工作狀態(tài)：參數(shù)設(shè)置狀態(tài)和電機(jī)監(jiān)控狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置狀態(tài)用于設(shè)定無(wú)刷電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、最大電流、換向方式和極對(duì)數(shù)等參數(shù)。電機(jī)監(jiān)控狀態(tài)用于實(shí)時(shí)讀取控制器電壓、模擬量給定電壓、電機(jī)電流、銅箔溫度和實(shí)際轉(zhuǎn)速等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中使用DH1718E-6穩(wěn)壓直流電源給驅(qū)動(dòng)器供電。該型號(hào)電源可以設(shè)定輸入電壓，并顯示輸入控制器的電流值，便于和控制器采樣電流進(jìn)行比較。為了證明所提方法的有效性，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min，逐步加大負(fù)載。電源輸入電流和控制器采樣電流對(duì)比如表1所示。

表1 采樣電流對(duì)比表

由表1可見(jiàn),當(dāng)電機(jī)電流比較小時(shí)，控制器采樣偏差比較大，這時(shí)候主要是受運(yùn)放電路和單片機(jī)采樣精度的影響。隨著負(fù)載的增加，電機(jī)電流不斷增大。當(dāng)電機(jī)電流增加到2 A以后，實(shí)際采樣電流和控制器輸入電流基本接近。在小功率電路中，因電流一般比較小，負(fù)載的變化對(duì)采樣電路的干擾比較小，可以采用銅箔電壓法進(jìn)行電流采樣。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于銅箔電壓法的無(wú)刷電機(jī)電流采樣方法。該方法通過(guò)測(cè)量流過(guò)PCB上銅箔的電壓降達(dá)到確定電機(jī)電流的目的。考慮到溫度對(duì)銅箔電阻率的影響，設(shè)計(jì)中采用NTC采集銅箔的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅箔電阻的溫度修正。為了證明文中所提方法的有效性，設(shè)計(jì)了一款無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器，并在功率為90 W的無(wú)刷電機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以用于微特電機(jī)電流采樣。設(shè)計(jì)中的不足之處在于，受電路的限制僅在小功率電機(jī)上進(jìn)行了研究。如將該方法應(yīng)用到更大功率的電機(jī)上，還需要對(duì)運(yùn)算放大電路和銅箔電路進(jìn)行調(diào)整。

[1] 羅志高，沈韓，張錦.半導(dǎo)體熱敏電阻和銅電阻的溫度特性研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26(5)：40-43.

[2] 崔光照，鄭安平，趙秀花.一種實(shí)用的銅電阻測(cè)溫的信號(hào)處理方法[J].自動(dòng)化儀表，2000，21(11)：47-49.

[3] 陳新，陳玉華.一種簡(jiǎn)單實(shí)用的熱電阻測(cè)溫方法[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2000(6)：45-46.

[4] 毛玉柱，林鵬，張慶庚，等.低溫銅電阻溫度計(jì)電阻-溫度特性[J].自動(dòng)化儀表，1992(12):11-12.

[5] 柴常,王存蓮.最小二乘法在銅電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008,21(3):86-88.

[6] 張燕妮.STM32F0系列Cortex-M0原理與實(shí)踐[M].1版.北京：電子工業(yè)出版社，2016：150-171.

[7] KRISHNAN R.永磁無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)[M].1版.成都：機(jī)械工業(yè)出版社，2012:100-250.

[8] ROBERTSON C T.印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].1版.北京：電子工業(yè)出版社，2013：3-11.

Current Sampling of Brushless Motor Based on PCB Copper Foil Voltage Method

LIKe,HUANGHai-yan,RUANXiao-ding,SUNZhu-bing,ZHUMei-chen

(Zhejiang LINIX Motor Co., Ltd.,Dongyang 322118,China)

In the design of micromotor controller, the protection of the micromotor and the controller is usually realized by the detection of sampling current. In current sampling, constantan wire is widely used because of its low temperature coefficient of resistance and wide temperature range. After studying the copper resistance of the circuit board, the voltage method of PCB copper foil was proposed to carry out the motor current sampling ,which was based on temperature compensation. The experimental results show that the proposed method is effective for the controller of small power motors.

the voltage method of PCB copper foil; temperature compensation; current sampling; constantan wire

2016-03-21

TM306

A

1004-7018(2016)08-0063-04