直流無刷電機電流檢測電路設計

文/李曉麗

1 引言

直流無刷電機的驅動器主要由功率管和集成電路組成，用于接收啟動，停止，保護等信號，從而實現電機的控制。精確的電流檢測在電機驅動系統中起著重要的作用，是實現系統閉環控制的重要前提。電流檢測用于系統發生短路，過流時進行安全保護，是電機控制系統中不可缺少的環節。在實際運行中如果出現短路，過流等故障，電機控制系統能及時準確地將這些信號反饋給控制器，進而執行單元及時進行調整關斷開關，保護硬件。

目前檢測電路電流的方法主要有檢流電阻、晶體管、電流互感器、羅氏線圈、霍爾效應器件、比率式等方法。檢流電阻配合AD采樣方式進行電流檢測，可實現成本低，電路簡單，精度高等制作要求。本文采用低阻值電阻進行電流采樣，經過LM358運放構成的電路進行整流及運算后，送入功率管，通過ADC采樣，DSP做出相應的控制處理信號。

2 電流檢測電路設計

圖1：檢流運放放大電路

圖2：電機檢流保護電路功能框圖

直流無刷電機控制系統中，電流檢測電路主要用來采集電機運行時的電流，經處理后用于控制系統作出相應的控制和保護動作。在該系統中，電機運行電壓和控制信號電壓分屬于不同的性質和大小級別，因此，電流檢測電路中的采樣和保護電路還須整流等功能。普通二極管可以實現各類整流，但由于其非線性的特性，會使小信號發生失真，甚至使嚴重的畸變。考慮利用集成運放加入深度負反饋來設計一種可靠的高性能檢測電路。該電路通過二極管引入深度負反饋，保證在小信號時，uo與ui保持良好的比例關系，相較于普通的整流電路，大大地提高了電流精度。如圖1所示。

采用LM358高速雙運算放大器，內部包含兩個獨立運算放大器，高增益、內部頻率補償。電源電壓很寬，可實現單雙電源工作模式。使用LM358構成高精度半波整流電路和加法器，可節省控制板空間，使電路設計更加簡潔和精巧。

直流無刷電機電流檢測始端是將A相、C相中-100A～100A大電流轉化為-4V～4V的小電壓信號。考慮到霍爾傳感器體積較大，成本較高，該檢流電路由檢流電阻和運算放大電路組成。根據無刷直流電機IA+IB+IC=0,可得，IB=-(IA+IC)。B相電流可由反相求和得到。，得到A、B、C相電流后，分別對A、B、C使用LM358構成的高精度半波整流模塊進行半波整流，再將整流過的A、B、C三相電壓信號求和反相，得到進入功率管電流的瞬時值對應的電壓值。

在電機運行過程中，該電路實時測量電機電流，并發出兩路信號。一路輸入到DSP的ADC采樣模塊中，采樣電機電流的數字值，進行DSP的閉環PID調節。另一路送到比較器中。DSP采用了兩種方式對電機進行保護，一種是限流保護，當電流增大超過限流電流（對應電壓）時，保護電路像CPLD發出限流信號，進而使控制芯片DSP啟動相應的限流程序進行操作，調節PWM的占空比，來改變實際加載到電機兩端的電壓，改變電流大小。另一種停機保護，如果由于某些原因電流增加到停機電流（對應電壓）時，DSP會啟動停機程序，立刻關斷所有功率管，電機馬上停止運行。如圖2所示。

3 結束語

直流無刷電機由于其較好的調速性能，目前已廣泛應用于家用電器、辦公自動化、精密機床、汽車電子等工業和民用領域。典型電機控制系統中，電機相電流檢測電路是非常重要的部分。由于電機控制系統采樣的相電流含有不規則的高次諧波和隨機干擾，伺服系統中的PWM調制頻率和AD采樣速率都較高，因此選擇運放時要考慮運放的增益，帶寬以及高速性。LM358作為高速雙運放滿足電流采樣的需要。該電流檢測電路成本低，體積小，精度高，具有一定的實際意義。