开关磁阻电机控制中电流信号采集电路的设计

甄小勇，任传波，贾安兵，瞿育文

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255091）

开关磁阻电机控制中电流信号采集电路的设计

甄小勇，任传波，贾安兵，瞿育文

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255091）

在开关磁阻电机的控制系统中，电流信号的测量精度直接关系到电机的控制效果，因此设计了一种电流信号采集电路。此电路为高速线性隔离电路，既能通过高频电压信号，又能取得良好的线性效果。同时，利用“Filter Solutions”软件设计了一个低通滤波器，在开关磁阻电机的控制中能采集到精度很高的电流波形。实验结果表明：此电路的应用能较大地改善采集到的电流信号的精度，从而使电机运行更加平稳。

线性隔离；低通滤波器；开关磁阻电机；电流

0 引言

在开关磁阻电机中的控制过程中，要取得良好的运行性能，必须加入电流环，因此，采集到的电流值的精确性就显得非常重要［1－2］。但是在实际应用中，由于外围电路的干扰会对主控单元运行的可靠性产生很大的影响，所以采用电气隔离电路［3］。但是通常的线性隔离电路会造成电流信号的失真。例如文献［4］中提出的电路只能通过低频信号，高频信号通过时实时性较差；还有一些集成的隔离放大模块如ADI公司的AD7400系列，其输入电压信号范围只能是±250 mV，故使用场合有限。针对这种情况，本文提出了一种采用高速线性［5－6］隔离电路和低通滤波器组成的硬件电路，既滤除了电流信号中的谐波，又保证了电流信号的实时性。

1 开关磁阻电机三相电流信号采集电路

试验电机为12／8极三相开关磁阻电机；额定功率为3 kW；调速范围为0～3 500 r／m in；输入电压为48 V；额定电流为80 A；额定转速为1 500 r／min；额定转矩为19.1 N·m。

结合实验电机，选用的电流传感器为CSM200B。由于CSM200B输出的是电流值，需要在输出端串联电阻接地，把电流值转化成电压值，然后再输入到电流采集电路中。最后把电流采集电路输出的电压值接到主控芯片中，实现DSP对电流信号的采集。原理框图如图1所示［7－8］。为满足DSP对输入信号的要求，电阻R选用33Ω，CSM200B输出电流最大值为100 mV（对应实际电流200 A），由此DSP输入电压最大值为3.3 V。

图1中的电流采集电路部分分为线性隔离［9－10］电源电路（见图2）和低通滤波电路（见图3）。由于要采集的电流信号频率较高，故隔离电路的高线性模拟光耦采用带宽大于1 MHz的HCNR201，运算放大器选用TL082CD，TL082CD导通时间只有50 ns，而且压摆率达到13 V／μs。另外，电路工作原理可查阅文献［11］。

考虑到本实验电机在调速值2 000 r／m in且使用单脉冲控制策略（此时电流信号频率最大）时，电流信号频率为600 Hz，谐波频率大于5 000 Hz，因此，使用滤波器设计软件Filter Solutions 10.0设计了一阶低通巴特沃斯滤波器。电路如图3所示，电路的输入端Vin2接隔离电源电路的输出端Vout1。为了弥补相位的损失，在小于谐波频率的情况下适当增大导通频率，此滤波器的通带频率选取2 kHz，幅频和相频特性如图4所示。由图4可以看出：小于0.6 kHz的信号幅频特性都满足要求，而大于5 kHz的信号衰减幅度较大，对滤除谐波起到较大作用。

图1 电流信号采集框图

图2 线性隔离电源电路

图3 低通滤波电路

图4 低通滤波器的频率特性

2 实验结果

首先测量此电流采集电路输入信号的范围和精度，实验结果如图5和图6所示，通过示波器测量得到。可以观察到输入值在0～5 V变化时，输出值与输入值有很好的线性关系，满足输入值0～3.3 V的变化范围要求。从输入值和输出值的比较中可以看到：误差在20 mV之内，即采样电流误差在20 mV×（6 A／100 mV）＝1.2 A之内，对电流闭环控制影响可忽略，采样精度较高。

图5 输入电压值

图6 输出电压值

在开关磁阻电机控制过程中测量电流信号，选取低速300 r／m in和高速2 000 r／m in两种情况观察电流测量电路的效果。分别如图7和图8所示，其中100 mV对应6 A的电流。

图7是开关磁阻电机在300 r／m in时的电流信号采集结果，比较图7a和图7b可知：经过隔离部分输出的电流信号比电流传感器直接输出的信号已经有了明显的改善，电流波形变得更加平滑。比较图7b和图7c可知：经过低通滤波器后高频谐波基本都被滤除，电流精度得到进一步的提高。

图8是开关磁阻电机在2 000 r／m in时的电流信号采集结果，比较图8a、图8b和图8c同样可得出此电路良好的滤波效果。同时在2 000 r／min的较高转速下，滤波效果仍然非常理想，也验证了此线性隔离滤波电路的可靠性和广泛性。

本实验电路的输入和输出信号的电源是相互隔离的，相互之间不会造成干扰，因此，对整个控制系统的抗干扰能力会有很大的提高。实验结果中输入和输出的线性效果比较好，验证了此电路良好的线性隔离效果。

图7 300 r／m in时输出信号

另外，在低速300 r／m in和高速2 000 r／m in的电流波形图中可以看到：最后输出的电流值相比实际电流值在相位上没有明显的延迟，而导通时间却延后了200μs左右。由于在控制策略中设计的电流环执行周期是250μs，因此导通时间的延后最多影响一个电流采集值，对电机的控制基本没有影响。

3 结论

本文提出的采用高速隔离电路和低通滤波器组成的硬件电路，既解决了开关磁阻电机控制中电流采集的电气隔离和谐波问题，又克服了相位的损失，从而保证了电流信号的实时性，这能使电机控制的精度获得较大提高。该电路结构简单，易于实现，输出值精确，可简化DSP等主控芯片的滤波程序，在电机控制中有较大的实用价值。

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［11］ Hew lett Pa.HCNR201 Datesheet［EB／OL］.http：／／www.alldatasheet.com.

TM352

A

1672－6871（2014）06－0039－03

山东省科技发展计划基金项目（2011GGX10505）

甄小勇（1987－），男，山东日照人，硕士生；任传波（1964－），男，通信作者，山东潍坊人，教授，博士，博士生导师，研究方向为汽车动力学与控制技术.

2014－02－18