過流保護
正常運轉之后,理論上電機反電動勢等於電源電壓,電機繞組上的電壓等於電源電壓減去反電動勢等於零,但是由於存在鐵損,銅損和摩擦等,反電動勢不等於電源電壓,所以繞組上的電壓不等於零,有壓降。
相電流狀態:
- 初始起步時候,磁場沒有切割,沒有有反電動勢,電機相當於一個電感,相電流大,一般為額定電流的3-5倍。
- 正常運轉后,磁場被切割,有反電動勢,相電流小
電機電流不能太大,類比電感飽和后,在磁滯回線上磁導率變小,電感變小,電流突然增大,可能燒毀元器件;而電機電樞勵磁太大,轉子的磁鋼就會退磁,甚至永久消磁,電機就不能用了。
電機退磁,電機輸出功率下降(一部分轉換為熱量),電機效率變小,在相同的負載下,就需要更大的輸入功率。而輸入功率增加,導致退磁和發熱更加嚴重,最終電機損壞。
因此我們需要監控電機的電流,主要是一個過流保護作用。
單電阻電流采樣
電流采集分為高端采樣和低端采樣。
高端采樣:對電壓有要求,在高壓場合需要隔離,成本高
低端采樣:無需隔離,成本低,但注意不能破壞原來的系統阻抗
三相逆變電路中,在60°電周期內,只有一個下管導通,另外兩個不通電流為零。因此我們可以把三個下橋的電流采樣回路進行一個合並。
采用需要注意的是,采樣電阻阻值不能太大,因為采樣電阻阻值太大,壓降大,影響了下橋驅動,並且功耗大,成本高。
那么什么時候有電流?
上橋載波為例,在下管開通時候,以M1-M6開通為例,又分為
- PWM-on時,源是電源,電流流向為M1->U->W->M6->檢流電阻->地
- PWM-off時,源是繞組,電流流向為W->M6->M2體二極管->U
可見,只有PWM-on時,檢流電阻上才有電流,但是相電流在PWM-off時並不為零,只是在減小。所以此時檢流電阻並不能完全反應相電流。
例如:
檢流電阻上電壓和電流成線性關系。
BLDC的方波驅動,程序上不需要設置死區。因為死區是防止上下橋直通,但是兩兩導通星型三相六狀態導通方式,每兩個導通相都存在懸空相,懸空相是下一狀態的導通相之一,因此有天然的死區。
當存在死區時,由於6個mosfet全部關斷,所以繞組向電源充電,以U-W為例,電流流向W->M5體二極管->電源->地->檢流電阻->M2體二極管->U。但是一般死區時間很短,可以忽略。
所以,我們只需要在PWM-ON期間對電流進行采樣,也只能在PWM-ON期間采樣。
單電阻檢測的缺點就是無法全時檢測電機電流,但是可以做過流保護,因為只關心上升電流有多大,會不會超限。
但是后面做FOC控制的話,就需要全時監控電流波形。我們需要清楚。
開關干擾
上面分析是理想情況,但是由於mosfet的寄生電容(米勒效應)與回路中電感成分存在,柵極電阻取值問題,波形更加復雜,在檢流電阻上升沿或下降沿可能存在振盪現象。
例如:
經驗:
一般要求mosfet的平台時間小於500ns(加大驅動電流和減小柵極電阻),否則管子容易發熱。但不要小於100ns,否則GS波形上會產生振鈴現象。
這就對ADC采樣時間做出要求。我們在測量電流需要避開這個干擾區,需要知道干擾區的時間和MCU輸出PWM驅動信號到mosfet的延時。
系統延時是PWM輸入上升沿到mosfet的GS的平台電壓的時間。大多數電機控制系統在2-3us。
這包含了運放延時,所以也對運放的壓擺率做出要求。
考慮占空比小的情況:三電阻采樣
單電阻采樣弊端,因為只能在PWM-on期間采樣,不能實時反應相電流,也決定了這種方式不能用於占空比小的情況:干擾區和高電平時間可以相提並論的時候,因為只能在PWM-on期間采樣,在系統延時下,PWM-on期間我們就避不開干擾區采樣,甚至采不到檢流電阻上波形。
如果占空比太小需要采集電流,解決方法就是在每個橋臂加上檢流電阻,單獨采集每相電流。
例如:
為什么只加入兩個橋臂檢流電阻?
因為根據基爾霍夫電流定律,每個時刻都存在
I_U+I_V+I_W=0
所以只要知道其中兩個橋臂電流就能知道另外一個橋臂電流。
以上橋載波,U-V相導通為例:
- 上橋PWM-on期間,電流流向為M1->U->V->M4->R38->R40->地,R38和R40串聯電流大小和方向一樣
- 上橋PWM-off期間,電流流向為M4->R38->R37->M2體二極管->U,R37和R38串聯電流大小一樣,電壓方向相反,R38上正下負,R37下正上負。
這樣就可以全時反應相電流。
當然這里只是按照理論畫出來表明意思,實際波形沒這么漂亮。