图文并茂解析马达驱动电流环设计

电源研发精英圈 2021-09-11 20:00

【有奖直播】深入学习Microchip时钟和全新单片机方案 【有奖直播】提升毫米波信号测试精度

（长按上方二维码，即可加入会员）

马达驱动电流环的设计，作为驱动器领域技术上的一个重点和难点一直困扰着很多工程师，今天让我们一起来揭开他的面纱。

对于一个马达来说，如果电流变大的话，可能造成的危害有两个：

1.电机本体本身会发热，会损坏；

2.我们驱动器的MOSFET会由于电流过大导致发热，甚至损坏。另外，我们这套系统使用电源或者电池供电的，电流变大的话，也就是功率变大了，这个时候提供能量的电源或者电池就会出现问题，或者出现异常保护。

因此，为了我们这样一个系统能够稳定的工作，我们就需要对电机的电流进行监控。

一般的，监控电流之后的保护措施有两种：

1.当检测到电流过大之后，我们就实行一个关断保护；

2.有的情况下，我们是不能关断保护的，比如说无人机，由于某种原因导致过流了，过流了之后如果进行关断的话，它就会摔下来，因此这个时候是不能进行关断的，还要继续保持一定功率去工作。当然也不能过大功率去工作，这个时候就需要我们对它进行一个限功率输出，也叫恒功率输出。

那么恒功率的目的，也就是恒电流输出，也就是我们所说的“电流环”。对于一个电机来说，实际上它的“环”是有很多的，比如说有:电压环、转速环、位置环、电流环。我们这次和大家谈的主要是电流环，那么谈这个电流环的话，首先我们要和大家谈的是电机的电流如何进行一个采样。

电机电流的采样一般我们分两种形式：一种方式是我们直接从电源端采样，对于电源端采样，比如说像这个桥式电路，+15V是给电池供电的电压，我们把这样的一个电压叫做Vbus电压（如下图）。

这个Vbus电压实际上是由电源供过来的，我们可以在这个电压前面，我们串接一个很小的电阻，当然了，这个电路的网络就需要改动一下（如下图），而且R3如果做采样电阻的话，所以说它的电阻的就不能大，大的话，它会影响功率的输出，比如说我们可以用一个10Ω这样的电阻。当它流过电流之后，由于它有阻值，那么它两端就有一个电势差，我们测量这个电势差，然后它的电流等效成电势差除以一个10Ω的阻值，而R3两端的电压我们就可以通过一个运放进行采集。这种方式输出来的话，采集的是一个平均电流。

如果Vbus电压是高压的话，比如说几十伏以上。而我们的运放，它的输入

电压是不可能很高的，这样的话，运放就不能直接进行采集，就需要进行分压，或者进行一个隔离，比如说用一个高速光耦进行隔离，再进行采样，这样的话，也是一个比较不错的方法，但是它的成本会比较高。

我们还有一个方法：由于R3是放在Vbus端，它是属于电源端，它的电压比较高的话，运放它的成本就比较高，这样我们可以把检流电阻放在地端（如下图）。放在地端的话，它过来的就是一个低的电压。低的电压对于一个正常的运放来说，是在它的电气参数范围之内的，所以说这样就没有什么问题了。因此，通过一个这样的方式，我们可以进行一个采样。

理想情况下，我们是进行差分输入的，运放的两端一定要紧挨着这个检流电阻。而不能把这个地方直接接到地上，甚至在layout的时候把这个“地”接到其他地方去了，这样的话就会把干扰采集进来（如下图）。

因为在布局的时候，“1”点的地和“2”点的地其实是不同的（如下图）。理论上这两点的电位是相同的，但事实上，它是不相同的。原因很简单，这个电路是接马达的相线的，电流会很大，这样的一个大电流下来的话，在到达这个地上之后，这个地上必然会发生震荡。为什么有了大电流之后，“1”点和“2”点之间的地会不一致呢？我们可以设想一下，假设这是一个广大的湖面，在湖面很平静的情况下，这两点的水位是一样高的，我们在“2”点扔一个石头的话，这样的话，水面的就会产生涟漪，由于水面在高、低不断地晃动，那么这两点就不是同样的水位了。所以，我们需要在靠近检流电阻的地方进行采集，这样的话，即使存在高低波动的话，检流电阻的两端会同时变高或变地，但是检流电阻两端的电压差是不变的，这样的话，就由通过的电流决定了。当然，由于M6是高速开关的，所以R61需要是低ESL的电阻，一般是贴片电阻，一定要是低ESL的，如果感量太大的话，由于di/dt比较大，那么就会产生感抗，R61两端电压量出来就会比较高，但是事实上电压是没有那么高的，所以说这个地方对电阻的选型是有要求的。

如下图，R61采集过来的电压需要进行放大，为什么需要进行放大呢？首先，第一，这个检流电阻的阻值不能太大，如果阻值太大的话，假设有30A的电流流过，如果电阻为1Ω，那么电阻的功率为：30*30*1=90W，一般没有这样的电阻，即使有，成本也很贵。

所以说这个地方需要选择小电阻，当然了，这个地方需要根据电机和电流来进行选择。最好这个电阻的功率是正常的，比如说1206、1210、1811、2510、2512，最多到2512，其实2512就已经很贵了，要一块钱以上了。

由于电阻值取值比较小，所以流过电流之后电阻两端的电压差比较小，这个时候需要我们设计一个运算放大电路来进行放大。这个时候放大多少倍呢，实际上放大了1+51K/1K=52倍，其中R51和R54是用来进行阻抗匹配的。所以我原先一直说“源”、“ 回路”、“阻抗”，这个地方阻抗的作用是比较大的，如果阻抗不一样的话，这个地方放大之后的电压是飘的，不是真正想要的值。

如下图所示，R61两端的电压经过简单的差分放大之后进行输出，我们对R62后面的点进行分析，这个点得到的是放大的信号，那么放大多少呢？放大的这个信号是给我们的单片机的，对应的是单片机的AD采样口，单片机的采样口一般是3.3V居多，现在5V用的已经不多了，所以说最大电流放大之后对应的电压不能超过3.3V，因为超过3.3V的话，对于AD采样来说，已经超过它的最上限值了，所以就没有意义了。这样的话，要提前算好这个电机上的最大的电流是多少，这个电阻要选好，放大后不要超过3.3V，最好不要超过3V，这样测量出来后就比较准。

第二，我们要考虑运放，我们输入端的检流电阻R61，它的沿是比较陡的，如下图所示。

一般的运放，我们分高带宽和低带宽。如下图所示，运放的带宽比较高的话，它的输出沿是比较陡的，我们也将它称之为压摆率，如果压摆率比较小的话，它的输出是比较缓的，我们规定1s内上升的电压值为压摆率。很明显第1条红线1s内上升的电压值是比较高的，而第二条红线是比较低的。理想情况下，运放输出的斜率和前面R61上的斜率是相等的，所以运放的压摆率比较低的话，在对输入值进行采样的话，采样的值不是真正的值，而是被运放放慢了，所以我们要关注运放的压摆率问题。当然，如果你的信号是周期比较长的信号，你可以忽略，但是在马达控制的这个项目里，这个周期是不能忽略的，所以说压摆率是越高越好，这个就是我们对运放提出的要求。

在检流电阻这个地方还有一个问题：由于这里的地上会产生干扰，所以这个地方的干扰会耦合进运放里面，干扰耦合进来之后，进入运放之后就会放大，所以说测量出来的信号里面就会带有很多的干扰，这个干扰是我们不希望看到的。之前有说过，内阻越小，也就预示着电流越大，电流越大，周围的磁场也就越大，抗外在的干扰能力就越大，所以电流要偏大。运放目前有两种，一种是DMOS工艺，一种相当于是晶体管工艺。

如果前面的干扰比较大，你可以选择晶体管工艺的运放，因为晶体管工艺的运放，它的抗干扰能力要强一些，因为它有电流，属于流控流型。如果前面的干扰比较小的话，你可以选择DMOS工艺的运放，它的功耗比较低，功耗低的原因是MOSFET的内阻比较大，所以说它的抗干扰能力比较弱，这个也是运放本身我们需要注意的。

另外，运放定好了以后，我们还要注意R69的取值，我们不能取的很大，因为取的越大，电阻网络的阻值就比较大，电流就比较小，它就比较容易受到干扰，就容易把干扰耦合进来，然后会放大输出。实验证明，R69的取值最大不要超过300K，我们要求最大不要超过200K，否则在有干扰的情况下，它的输出就会带着干扰，所以不要大于200K，如果说放大一级后还是不够大怎么办，那就再加一级，甚至三级放大，也不要在一级上放大到无穷大。

经过放大之后的信号就送给MCU了，MCU根据放大后的电压值就可以判断目前的的电流是多大，一旦判断出这里的电流大了，它就要做一些保护措施，比如说关掉，这个是我们电机电流保护里面最常用的一种方法，直接把电流关掉。还有一种叫限功率，它不能关断，它只能限功率，例如之前说过的无人机。

对于限功率，在这里先定义一个值，比如说10A，这个10A是限制的了，不能超过10A，如果超过10A的话，就把它关掉，低于10A，就不管，这个叫削幅。如下图，如果电流在10A以下，就不管，但是一旦超过了，就把它削平。

这种方式去做的话，我们就需要对电流实时进行采样，我们看下面，对于三个桥臂来说，只有两个MOSFET导通。

当MOSFET导通时，电阻上才会有电流流过，当管子不导通时，就没有电流流过。所以，当有时候其中一路MOSFET不导通时，就采集不到值，因此需要对其它路进行采样。采集之后，就需要对它进行处理，如下图所示，这里是用硬件的方式进行设计的，实际上，更多的人是用软件进行处理的，我们视频里也会和大家详细讲解软件怎么样去做电流环、硬件如何去搭一个电流环，那么这里是用硬件去搭的。

实际上，基本的原理很简单，在我的PFC视频的第11部至第13部已经详细讲到，就是采用电流跟踪法，比它高了，就把它削掉，类似于一个比较器一样。我们可以用一个比较器，比较器的一端是把那3路电流合并之后送过来。

下面这幅图是整流，因为采集到的信号有些时候是正，有些时候是负，为什么会出现负呢，是因为有的时候会续流，由于电感的作用，电流会从下往上流，这个时候采集到的就是负压，对于一个运放来说，要想采集到负压，必须采用双电源供电。而我们这里是单电源供电，所以负压是采集不到的，那么该怎么做呢?我们就需要将其抬升，这里是采用偏置电阻，通过分压之后的7.5V进行抬升。

如下图所示，这里大致画一下它的意思，对于一个正常的信号来说，它只能看到0V以上的电压，0V以下的电压是看不到的。但是这里确实是有负压，而且续流过程中也有可能存在过流，那么如何将0V以下的进行处理呢?实际上将其抬升就可以，比如说原先存在0V以下的负压是被截止的，为0V，但是经过7.5V的抬升后，相对于7.5V来看为负压，但是相对于0V坐标轴来看，电压是正压，这样的话，负压也可以被采集进来。

抬升电压的好处是什么呢？可以方便的使用单电源供电的运放，因为现在单电源供电的运放是比较多的，双电源只在过去用的比较多。采用双电源运放是一个比较麻烦的事，因为需要去做负压电源，这样电路比较复杂，成本也比较高，所以说我们采用单电源这样的方案去做。

这样整流后的波形如下图，这样比较后的电压就可以进行处理了，用它进行比较，当它大于某个电压值的时候，就关闭，当它小于某个电压的时候，就不管。

如下图，合成之后的电压送到比较器的“+”端，这个电压反应的就是电流，这里是采用硬件电路来做的。刚才提到的为7.5V，具体情况需要自己来确定。假设现在限制的为2A，其中VR1和R83分压后的电压值等效为2A，那么合成之后的电压就和等效成2A的电压进行比较，如果它超过2A，那么比较器就输出为高，否则输出为低。那么输出高或者低时，如何进行一个电流的控制呢？

对于电机的电流的控制，实际上是用PWM来进行调速的，也就是PWM的占空比宽了或者窄了来反应速度的高和低。这样的话，我们分成前一个周期和下一个周期来看，如果前一个周期开的时间小了（占空比小），反应的电流也就小了，电流小的话，我们不管，但如果做电流精确控制的话，电流小的话，我们是需要管的，在下一个周期将占空比调大些，就是实时监控电流，但是我们这里关注的是“高”，如果上一个周期的电流超过了我的设定值，那么我们就将它关掉，等到下一个周期到来时，我们再做一次电流判断。

如果判断电流低了，没有超过的话，我们再继续去开通，但是如果判断电流依旧是超过的话，那么我就继续关断，也就是通过丢占空比的方式来实现。那么对于比较器的电路就比较容易理解了，通过比较器U4将采集到的电流（实际上是电压）和设定的电流（实际上是电压）进行比较，如果比它大，那么比较器输出高，对于CD4013来说，CLK为上升沿，把D处的电压送到Q端并进行锁存，而此时D端通过上拉电阻到+15V，所以Q端为高，当Q端为高时，通过MOS管的驱动电路将MOS管关断，电流就会下降，采用这种方式进行保护。

对于恒功率输出，需要对电路进行修改，如下图，RST接比较器输出，CLK接正常的PWM波，接输出，一旦过流了，比较器输出为高，RST输入为高，Q输出就为低，就为高。如果过流状态持续，下一个周期来临时，RST还是为高，那么Q还是为低，还是为高，除非RST为0（不过流），那么Q才为高，才为低，这样就实现了保护。

上面所说的电路方案是通过有位置搭建的，采用霍尔的方式，如下图，霍尔的信号通过多路选择开关，将三路霍尔信号转换成六路输出，六路信号通过与或门电路输出再送到CD4053模拟开关，再经过CD4081输出控制M1、M4、M3，进而控制MOS管的开通和关断，以上所说的是有位置的方波电路，当然还有其他的方案电路，比如有位置正弦波、无位置方波、无位置正弦波。