直流无刷电机电流检测电路设计

文/李晓丽

1 引言

直流无刷电机的驱动器主要由功率管和集成电路组成，用于接收启动，停止，保护等信号，从而实现电机的控制。精确的电流检测在电机驱动系统中起着重要的作用，是实现系统闭环控制的重要前提。电流检测用于系统发生短路，过流时进行安全保护，是电机控制系统中不可缺少的环节。在实际运行中如果出现短路，过流等故障，电机控制系统能及时准确地将这些信号反馈给控制器，进而执行单元及时进行调整关断开关，保护硬件。

目前检测电路电流的方法主要有检流电阻、晶体管、电流互感器、罗氏线圈、霍尔效应器件、比率式等方法。检流电阻配合AD采样方式进行电流检测，可实现成本低，电路简单，精度高等制作要求。本文采用低阻值电阻进行电流采样，经过LM358运放构成的电路进行整流及运算后，送入功率管，通过ADC采样，DSP做出相应的控制处理信号。

2 电流检测电路设计

图1：检流运放放大电路

图2：电机检流保护电路功能框图

直流无刷电机控制系统中，电流检测电路主要用来采集电机运行时的电流，经处理后用于控制系统作出相应的控制和保护动作。在该系统中，电机运行电压和控制信号电压分属于不同的性质和大小级别，因此，电流检测电路中的采样和保护电路还须整流等功能。普通二极管可以实现各类整流，但由于其非线性的特性，会使小信号发生失真，甚至使严重的畸变。考虑利用集成运放加入深度负反馈来设计一种可靠的高性能检测电路。该电路通过二极管引入深度负反馈，保证在小信号时，uo与ui保持良好的比例关系，相较于普通的整流电路，大大地提高了电流精度。如图1所示。

采用LM358高速双运算放大器，内部包含两个独立运算放大器，高增益、内部频率补偿。电源电压很宽，可实现单双电源工作模式。使用LM358构成高精度半波整流电路和加法器，可节省控制板空间，使电路设计更加简洁和精巧。

直流无刷电机电流检测始端是将A相、C相中-100A～100A大电流转化为-4V～4V的小电压信号。考虑到霍尔传感器体积较大，成本较高，该检流电路由检流电阻和运算放大电路组成。根据无刷直流电机IA+IB+IC=0,可得，IB=-(IA+IC)。B相电流可由反相求和得到。，得到A、B、C相电流后，分别对A、B、C使用LM358构成的高精度半波整流模块进行半波整流，再将整流过的A、B、C三相电压信号求和反相，得到进入功率管电流的瞬时值对应的电压值。

在电机运行过程中，该电路实时测量电机电流，并发出两路信号。一路输入到DSP的ADC采样模块中，采样电机电流的数字值，进行DSP的闭环PID调节。另一路送到比较器中。DSP采用了两种方式对电机进行保护，一种是限流保护，当电流增大超过限流电流（对应电压）时，保护电路像CPLD发出限流信号，进而使控制芯片DSP启动相应的限流程序进行操作，调节PWM的占空比，来改变实际加载到电机两端的电压，改变电流大小。另一种停机保护，如果由于某些原因电流增加到停机电流（对应电压）时，DSP会启动停机程序，立刻关断所有功率管，电机马上停止运行。如图2所示。

3 结束语

直流无刷电机由于其较好的调速性能，目前已广泛应用于家用电器、办公自动化、精密机床、汽车电子等工业和民用领域。典型电机控制系统中，电机相电流检测电路是非常重要的部分。由于电机控制系统采样的相电流含有不规则的高次谐波和随机干扰，伺服系统中的PWM调制频率和AD采样速率都较高，因此选择运放时要考虑运放的增益，带宽以及高速性。LM358作为高速双运放满足电流采样的需要。该电流检测电路成本低，体积小，精度高，具有一定的实际意义。