电机控制系统中的电流检测技术

摘要：指出了电流检测技术在电机控制系统中的重要性，介绍了常用的儿种电流检测手段及其工作原理。针对采样电阻和霍尔电流传感器，详细给出了电流采样信号调理电路原理图。最后提出了元器件选型原则及使用注意事项。

关键词：电机驱动器；采样电阻；电流传感器；电流采样

一、引言

电动机自诞生之日起，就对人类社会的发展起着极大的推动作用，大大提高了社会的生产力水平。电动机的应用涉及到生活的方方面面，大到军事、航空，小到办公自动化、家用电器、工业过程控制、精密机床以及汽车电子等工业和民用领域，无不活跃着各式各样的电动机。相应地，围绕电动机的驱动控制开发也在飞速发展，各种调速系统、伺服系统、变频器等应用产品层出不穷，在各行各业得到了广泛的应用。

在电机的驱动控制开发中，电流检测是非常重要的环节，精确的电流采样，是电机良好运转的必要条件。电流检测的目的有两个：一是为了确保电机的快速启动性能，对电机电路主电流信号进行监测，让控制器给出确切的PWM控制信号，实现电流闭环控制；二是为了保障电机在实际运行中出现的短路、过流等故障，能够准确及时地将这些故障信息反馈给控制器，控制器给出控制信号使得及时关断开关以便硬件得到保护。

也就是说，一个典型的电机驱动控制系统，应该含有母线电流检测、电机相电流检测电路，还可能为了检测某个功能模块电路是否止常T作而设置特定的电流检测电路。因此，如何精确有效地设计电流检测电路是电机驱动控制系统设计的关键。

二、电流信号的采样

监测某个信号之前，首先需要对该信号进行采样。通常，电流信号的采样有以下几种方法。

（1）采样电阻。采样电阻测电流的原理是这样的：将采样电阻串接在要监测的电路回路里，电流流过时，在采样电阻两端产生压降，这样就把电流信号转化为电压信号。然后，对该电压信号进行处理变换，输入到微处理器的A/D单元，完成检测的目的。

采样电阻的这种检测方法实现简单，成本低，但是很难做到电阻值稳定不变，采样精度不高，不能提供准确的电流值。而且反馈控制电路与主电路没有隔离，在电机驱动控制系统中，万一功率电路的高电压通过反馈电路进入控制电路，将危及到控制系统的安全 。因此，采样电阻一般应用在精度要求不高、成本敏感的应用场合。

（2）电流传感器。霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。霍尔电流传感器就是利用霍尔效应将一次大电流变换为二次微小电压信号的传感器，它有两种工作方式，分别是直测式（开环）电流传感器和磁平衡式（闭环）电流传感器。直测式霍尔电流传感器的不足是检测装置的体积过大；而磁平衡式霍尔电流传感器体积小，其显著长处是磁场补偿法，保持铁心磁通为零，电流过载能力强，套在被测母线上即可工作。

霍尔电流传感器产品已经模块化，可以测量交流、直流、脉冲等多种电流信号，其最大优点是测量精度高、响应快速、隔离检测、线性度好。因此，电机驱动控制系统中采用霍尔电流传感器检测电流的方法是目前应用比较普遍的方法，已经在中高端伺服产品中得到了广泛的应用。

（3）电流互感器。电流互感器是利用变压器原、副边电流成比例的特点制成的。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。

在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外，线路上的电压都比较高，如直接测量是非常危险的，电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它将高电流按比例转换成低电流，一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等测量装置。电流互感器一般体积较大，造价昂贵，因此，一般应用在电力系统中，作为测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器。

综上所述，由于体积和成本的原因，在电机驱动控制系统中，经常采用采样电阻和霍尔电流传感器来进行电流采样。

三、电流信号的处理

下面分别针对采样电阻和霍尔电流传感器的工作特性、使用特点介绍一下相应的信号调理电路。

（1）采样电阻

采样电阻信号调理电路如图1所示，图中R7为采样电阻，应用中将其串接在回路中。以运放为中心构成一个差分放大器，R1～R6设置放大器增益，R5同时用来提升采样后的电压值，使得放大器的输入在合适的范围。R8和C2用来滤除高频噪声。

图1 采样电阻信号调理电路

REF为参考电压，产生电路如图2所示，图中R1和R2用来设置参考电压值，根据不同的需要可以灵活调整这两个电阻的值。

图2 电流传感器输出信号调理电路

经过处理后的电压输出信号Vo再经过限幅即可输人到微处理器的A/D单元。

（2）霍尔电流传感器。霍尔电流传感器输出信号调理电路如图3所示，电路形式和图1类似。区别在于放大器的输入，因为常用的霍尔电流传感器是单输出信号，有电流输出和电压输出两种形式，经常把电流输出形式转换为电压信号进行处理。图3中参考电压的产生可参考图2。

四、器件选择及注意事项

存选用采样电阻的过程中，要考虑自身的阻值、电感和精度，以降低自身的功率损耗和电压尖峰。同时要注意温度系数（TCR），可以参考其温漂曲线。

电流传感器的选择注意测量范围，的需要选择不同量程的传感器。根据不同当原边电流超过传感器额定时，线性度将降低。为保证测量精度，传感器额定测量值为被测信号l-1.5倍较为合适，如果被测信号有较大的波形系数，还需进一步加大量程，确保被测信号峰值不超出传感器测量范同。电流传感器的生产厂家比较有代表性的有LEM公司、IR公司、Honey-well公司等。国内做的较好的有宁波株洲时代电子、南京托肯电子、南京中旭等。

尤其要注意的是运放的选择，因为一般伺服系统中PWM调制频率很高，通常在20kHz左右，因此相电流是一个脉动电流。另外，A/D转换单元采样速度很高。因此，在选择运放时，要选择带宽大、高速的精密运放，只有这样才能满足电流采样的需要。

图3 参考电压产生电路

五、结束语

精确的电流检测在电机驱动控制系统中起着关键作用，它是构成电流闭环的前提条件，同时，监测电流可以防止系统发生短路、过流故障，有效保护系统安全，可以说是电机控制系统中不可缺少的环节。目前在各种自动门系统、安防工程、钳形仪表等设备中都或多或少地应用到电流检测技术，探讨其实现形式有助于推动其应用发展。

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