圖文并茂解析馬達驅動電流環設計

電源研發精英圈 2021-09-11 20:00

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馬達驅動電流環的設計，作為驅動器領域技術上的一個重點和難點一直困擾著很多工程師，今天讓我們一起來揭開他的面紗。

對于一個馬達來說，如果電流變大的話，可能造成的危害有兩個：

1.電機本體本身會發熱，會損壞；

2.我們驅動器的MOSFET會由于電流過大導致發熱，甚至損壞。另外，我們這套系統使用電源或者電池供電的，電流變大的話，也就是功率變大了，這個時候提供能量的電源或者電池就會出現問題，或者出現異常保護。

因此，為了我們這樣一個系統能夠穩定的工作，我們就需要對電機的電流進行監控。

一般的，監控電流之后的保護措施有兩種：

1.當檢測到電流過大之后，我們就實行一個關斷保護；

2.有的情況下，我們是不能關斷保護的，比如說無人機，由于某種原因導致過流了，過流了之后如果進行關斷的話，它就會摔下來，因此這個時候是不能進行關斷的，還要繼續保持一定功率去工作。當然也不能過大功率去工作，這個時候就需要我們對它進行一個限功率輸出，也叫恒功率輸出。

那么恒功率的目的，也就是恒電流輸出，也就是我們所說的“電流環”。對于一個電機來說，實際上它的“環”是有很多的，比如說有:電壓環、轉速環、位置環、電流環。我們這次和大家談的主要是電流環，那么談這個電流環的話，首先我們要和大家談的是電機的電流如何進行一個采樣。

電機電流的采樣一般我們分兩種形式：一種方式是我們直接從電源端采樣，對于電源端采樣，比如說像這個橋式電路，+15V是給電池供電的電壓，我們把這樣的一個電壓叫做Vbus電壓（如下圖）。

這個Vbus電壓實際上是由電源供過來的，我們可以在這個電壓前面，我們串接一個很小的電阻，當然了，這個電路的網絡就需要改動一下（如下圖），而且R3如果做采樣電阻的話，所以說它的電阻的就不能大，大的話，它會影響功率的輸出，比如說我們可以用一個10Ω這樣的電阻。當它流過電流之后，由于它有阻值，那么它兩端就有一個電勢差，我們測量這個電勢差，然后它的電流等效成電勢差除以一個10Ω的阻值，而R3兩端的電壓我們就可以通過一個運放進行采集。這種方式輸出來的話，采集的是一個平均電流。

如果Vbus電壓是高壓的話，比如說幾十伏以上。而我們的運放，它的輸入

電壓是不可能很高的，這樣的話，運放就不能直接進行采集，就需要進行分壓，或者進行一個隔離，比如說用一個高速光耦進行隔離，再進行采樣，這樣的話，也是一個比較不錯的方法，但是它的成本會比較高。

我們還有一個方法：由于R3是放在Vbus端，它是屬于電源端，它的電壓比較高的話，運放它的成本就比較高，這樣我們可以把檢流電阻放在地端（如下圖）。放在地端的話，它過來的就是一個低的電壓。低的電壓對于一個正常的運放來說，是在它的電氣參數范圍之內的，所以說這樣就沒有什么問題了。因此，通過一個這樣的方式，我們可以進行一個采樣。

理想情況下，我們是進行差分輸入的，運放的兩端一定要緊挨著這個檢流電阻。而不能把這個地方直接接到地上，甚至在layout的時候把這個“地”接到其他地方去了，這樣的話就會把干擾采集進來（如下圖）。

因為在布局的時候，“1”點的地和“2”點的地其實是不同的（如下圖）。理論上這兩點的電位是相同的，但事實上，它是不相同的。原因很簡單，這個電路是接馬達的相線的，電流會很大，這樣的一個大電流下來的話，在到達這個地上之后，這個地上必然會發生震蕩。為什么有了大電流之后，“1”點和“2”點之間的地會不一致呢？我們可以設想一下，假設這是一個廣大的湖面，在湖面很平靜的情況下，這兩點的水位是一樣高的，我們在“2”點扔一個石頭的話，這樣的話，水面的就會產生漣漪，由于水面在高、低不斷地晃動，那么這兩點就不是同樣的水位了。所以，我們需要在靠近檢流電阻的地方進行采集，這樣的話，即使存在高低波動的話，檢流電阻的兩端會同時變高或變地，但是檢流電阻兩端的電壓差是不變的，這樣的話，就由通過的電流決定了。當然，由于M6是高速開關的，所以R61需要是低ESL的電阻，一般是貼片電阻，一定要是低ESL的，如果感量太大的話，由于di/dt比較大，那么就會產生感抗，R61兩端電壓量出來就會比較高，但是事實上電壓是沒有那么高的，所以說這個地方對電阻的選型是有要求的。

如下圖，R61采集過來的電壓需要進行放大，為什么需要進行放大呢？首先，第一，這個檢流電阻的阻值不能太大，如果阻值太大的話，假設有30A的電流流過，如果電阻為1Ω，那么電阻的功率為：30*30*1=90W，一般沒有這樣的電阻，即使有，成本也很貴。

所以說這個地方需要選擇小電阻，當然了，這個地方需要根據電機和電流來進行選擇。最好這個電阻的功率是正常的，比如說1206、1210、1811、2510、2512，最多到2512，其實2512就已經很貴了，要一塊錢以上了。

由于電阻值取值比較小，所以流過電流之后電阻兩端的電壓差比較小，這個時候需要我們設計一個運算放大電路來進行放大。這個時候放大多少倍呢，實際上放大了1+51K/1K=52倍，其中R51和R54是用來進行阻抗匹配的。所以我原先一直說“源”、“ 回路”、“阻抗”，這個地方阻抗的作用是比較大的，如果阻抗不一樣的話，這個地方放大之后的電壓是飄的，不是真正想要的值。

如下圖所示，R61兩端的電壓經過簡單的差分放大之后進行輸出，我們對R62后面的點進行分析，這個點得到的是放大的信號，那么放大多少呢？放大的這個信號是給我們的單片機的，對應的是單片機的AD采樣口，單片機的采樣口一般是3.3V居多，現在5V用的已經不多了，所以說最大電流放大之后對應的電壓不能超過3.3V，因為超過3.3V的話，對于AD采樣來說，已經超過它的最上限值了，所以就沒有意義了。這樣的話，要提前算好這個電機上的最大的電流是多少，這個電阻要選好，放大后不要超過3.3V，最好不要超過3V，這樣測量出來后就比較準。

第二，我們要考慮運放，我們輸入端的檢流電阻R61，它的沿是比較陡的，如下圖所示。

一般的運放，我們分高帶寬和低帶寬。如下圖所示，運放的帶寬比較高的話，它的輸出沿是比較陡的，我們也將它稱之為壓擺率，如果壓擺率比較小的話，它的輸出是比較緩的，我們規定1s內上升的電壓值為壓擺率。很明顯第1條紅線1s內上升的電壓值是比較高的，而第二條紅線是比較低的。理想情況下，運放輸出的斜率和前面R61上的斜率是相等的，所以運放的壓擺率比較低的話，在對輸入值進行采樣的話，采樣的值不是真正的值，而是被運放放慢了，所以我們要關注運放的壓擺率問題。當然，如果你的信號是周期比較長的信號，你可以忽略，但是在馬達控制的這個項目里，這個周期是不能忽略的，所以說壓擺率是越高越好，這個就是我們對運放提出的要求。

在檢流電阻這個地方還有一個問題：由于這里的地上會產生干擾，所以這個地方的干擾會耦合進運放里面，干擾耦合進來之后，進入運放之后就會放大，所以說測量出來的信號里面就會帶有很多的干擾，這個干擾是我們不希望看到的。之前有說過，內阻越小，也就預示著電流越大，電流越大，周圍的磁場也就越大，抗外在的干擾能力就越大，所以電流要偏大。運放目前有兩種，一種是DMOS工藝，一種相當于是晶體管工藝。

如果前面的干擾比較大，你可以選擇晶體管工藝的運放，因為晶體管工藝的運放，它的抗干擾能力要強一些，因為它有電流，屬于流控流型。如果前面的干擾比較小的話，你可以選擇DMOS工藝的運放，它的功耗比較低，功耗低的原因是MOSFET的內阻比較大，所以說它的抗干擾能力比較弱，這個也是運放本身我們需要注意的。

另外，運放定好了以后，我們還要注意R69的取值，我們不能取的很大，因為取的越大，電阻網絡的阻值就比較大，電流就比較小，它就比較容易受到干擾，就容易把干擾耦合進來，然后會放大輸出。實驗證明，R69的取值最大不要超過300K，我們要求最大不要超過200K，否則在有干擾的情況下，它的輸出就會帶著干擾，所以不要大于200K，如果說放大一級后還是不夠大怎么辦，那就再加一級，甚至三級放大，也不要在一級上放大到無窮大。

經過放大之后的信號就送給MCU了，MCU根據放大后的電壓值就可以判斷目前的的電流是多大，一旦判斷出這里的電流大了，它就要做一些保護措施，比如說關掉，這個是我們電機電流保護里面最常用的一種方法，直接把電流關掉。還有一種叫限功率，它不能關斷，它只能限功率，例如之前說過的無人機。

對于限功率，在這里先定義一個值，比如說10A，這個10A是限制的了，不能超過10A，如果超過10A的話，就把它關掉，低于10A，就不管，這個叫削幅。如下圖，如果電流在10A以下，就不管，但是一旦超過了，就把它削平。

這種方式去做的話，我們就需要對電流實時進行采樣，我們看下面，對于三個橋臂來說，只有兩個MOSFET導通。

當MOSFET導通時，電阻上才會有電流流過，當管子不導通時，就沒有電流流過。所以，當有時候其中一路MOSFET不導通時，就采集不到值，因此需要對其它路進行采樣。采集之后，就需要對它進行處理，如下圖所示，這里是用硬件的方式進行設計的，實際上，更多的人是用軟件進行處理的，我們視頻里也會和大家詳細講解軟件怎么樣去做電流環、硬件如何去搭一個電流環，那么這里是用硬件去搭的。

實際上，基本的原理很簡單，在我的PFC視頻的第11部至第13部已經詳細講到，就是采用電流跟蹤法，比它高了，就把它削掉，類似于一個比較器一樣。我們可以用一個比較器，比較器的一端是把那3路電流合并之后送過來。

下面這幅圖是整流，因為采集到的信號有些時候是正，有些時候是負，為什么會出現負呢，是因為有的時候會續流，由于電感的作用，電流會從下往上流，這個時候采集到的就是負壓，對于一個運放來說，要想采集到負壓，必須采用雙電源供電。而我們這里是單電源供電，所以負壓是采集不到的，那么該怎么做呢?我們就需要將其抬升，這里是采用偏置電阻，通過分壓之后的7.5V進行抬升。

如下圖所示，這里大致畫一下它的意思，對于一個正常的信號來說，它只能看到0V以上的電壓，0V以下的電壓是看不到的。但是這里確實是有負壓，而且續流過程中也有可能存在過流，那么如何將0V以下的進行處理呢?實際上將其抬升就可以，比如說原先存在0V以下的負壓是被截止的，為0V，但是經過7.5V的抬升后，相對于7.5V來看為負壓，但是相對于0V坐標軸來看，電壓是正壓，這樣的話，負壓也可以被采集進來。

抬升電壓的好處是什么呢？可以方便的使用單電源供電的運放，因為現在單電源供電的運放是比較多的，雙電源只在過去用的比較多。采用雙電源運放是一個比較麻煩的事，因為需要去做負壓電源，這樣電路比較復雜，成本也比較高，所以說我們采用單電源這樣的方案去做。

這樣整流后的波形如下圖，這樣比較后的電壓就可以進行處理了，用它進行比較，當它大于某個電壓值的時候，就關閉，當它小于某個電壓的時候，就不管。

如下圖，合成之后的電壓送到比較器的“+”端，這個電壓反應的就是電流，這里是采用硬件電路來做的。剛才提到的為7.5V，具體情況需要自己來確定。假設現在限制的為2A，其中VR1和R83分壓后的電壓值等效為2A，那么合成之后的電壓就和等效成2A的電壓進行比較，如果它超過2A，那么比較器就輸出為高，否則輸出為低。那么輸出高或者低時，如何進行一個電流的控制呢？

對于電機的電流的控制，實際上是用PWM來進行調速的，也就是PWM的占空比寬了或者窄了來反應速度的高和低。這樣的話，我們分成前一個周期和下一個周期來看，如果前一個周期開的時間小了（占空比?。磻碾娏饕簿托×耍娏餍〉脑挘覀儾还?，但如果做電流精確控制的話，電流小的話，我們是需要管的，在下一個周期將占空比調大些，就是實時監控電流，但是我們這里關注的是“高”，如果上一個周期的電流超過了我的設定值，那么我們就將它關掉，等到下一個周期到來時，我們再做一次電流判斷。

如果判斷電流低了，沒有超過的話，我們再繼續去開通，但是如果判斷電流依舊是超過的話，那么我就繼續關斷，也就是通過丟占空比的方式來實現。那么對于比較器的電路就比較容易理解了，通過比較器U4將采集到的電流（實際上是電壓）和設定的電流（實際上是電壓）進行比較，如果比它大，那么比較器輸出高，對于CD4013來說，CLK為上升沿，把D處的電壓送到Q端并進行鎖存，而此時D端通過上拉電阻到+15V，所以Q端為高，當Q端為高時，通過MOS管的驅動電路將MOS管關斷，電流就會下降，采用這種方式進行保護。

對于恒功率輸出，需要對電路進行修改，如下圖，RST接比較器輸出，CLK接正常的PWM波，接輸出，一旦過流了，比較器輸出為高，RST輸入為高，Q輸出就為低，就為高。如果過流狀態持續，下一個周期來臨時，RST還是為高，那么Q還是為低，還是為高，除非RST為0（不過流），那么Q才為高，才為低，這樣就實現了保護。

上面所說的電路方案是通過有位置搭建的，采用霍爾的方式，如下圖，霍爾的信號通過多路選擇開關，將三路霍爾信號轉換成六路輸出，六路信號通過與或門電路輸出再送到CD4053模擬開關，再經過CD4081輸出控制M1、M4、M3，進而控制MOS管的開通和關斷，以上所說的是有位置的方波電路，當然還有其他的方案電路，比如有位置正弦波、無位置方波、無位置正弦波。