电机控制系统中的电流检测技术

电机控制系统中的电流检测技术

郭江宇 陈鹏霖 高星 薛亚楠 高原

北方自动控制技术研究所 山西太原 030006

摘要：电动机的应用有效提高了生产效率，已经成为人们生活和工作中不可或缺的一部分，不仅在办公、家用设备等民用领域发挥越来越重要的作用，在航空、机床及工业控制方面也占据着重要地位。结合电机控制系统的发展现状来看，市场中变频器、调速系统等相关产品不断更新和升级，要想保障电机控制系统功能完全体现，就必须发挥电流检测技术的优势，增强系统稳定性和可靠性。基于此，概述了电路检测技术，介绍了电机控制系统电流信号的采样方式，以及采样电阻和霍尔电流传感器下的电流信号调理电路，明确了电流检测技术在电机控制系统中的具体运用，以期实现电机控制系统的稳定运行。

关键词：电机控制系统；电流检测技术；电流传感器；电流采样

1电机控制系统中电流检测技术应用概述

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。

2电机控制系统中电流信号的采样方法

2.1采样电阻

借助采样电阻开展电流检测工作的基本原理为：在待监测电路回路中，通过串联的方式接入采样电阻，在电流经过电阻时，采样电阻点断会出现压降，完成电流信号向电压信号的有效转换。在此基础上，还可以处理变化电压信号，输入微处理器内的A/D单元，结束电流检测过程。采样电阻检测法具有成本低、简便化的优势，但在电阻值稳定方面却存在一定的不足，最终采样精确程度有待提升，无法最终获得精确电流值。该电流检测方式并未实现对主电路、反馈控制电路二者的独立，电机控制系统内如果出现功率电路高电压，借助反馈电路而连接控制电路的问题，就会导致电机控制系统安全程度降低。所以，针对成本有限且精确性要求较低的电机控制系统的电流检测方面，采样电阻尤为适用。

2.2电流传感器

E.H.霍尔提出的霍尔效应定义了磁场、感应电压间的联系，其和传统的感应效果完全不同。磁场内导体在有电流经过时，导体内电子会在磁场的作用下形成同电子运动方向相垂直的作用力，从而使导体两端出现电压差。应用霍尔电流传感器开展电机控制系统的电流检测工作时，结合霍尔效应，能够针对一次大电流进行转化，形成二次微小电压信号。霍尔电流传感器的两大工作形式为磁平衡式、直检式，即闭环电流传感器以及开环电流传感器，前者传感器的占用空间较小，具有磁场补偿法的优点，使铁心磁通为零，具有较强的电流过载能力，将其在待检测母线中进行套用即可正常运行；而后者的主要缺点是装置自身占用空间较大。当前，霍尔电流传感器产品的模块化程度越来越高，能够对不同的电流信号进行检测，如脉冲、直流以及交流，显著优势即为精准程度相对较高、线性度良好、实现了隔离检测，而且能够在短时间内进行响应。所以，利用霍尔电流传感器检测电机控制系统的电流已经成为普遍的方式，而且还在中高端的伺服产品检测方面也发挥着重要作用。

2.3电流互感器

电流互感器是在变压器原边电流和副边电流二者呈比例相关的特征基础上所研制的，其运行原理以及等值电路与传统变压器相同，区别在于被测电路内串联着原边绕组，匝数不多。其中，原边电流指的是待测量的电流。此外，抵抗组负载同副边绕组相接，包括继电器电流线圈和电流表等，同短路的连接相近。被测线路负载影响着副边电流、原边电流，二者同电流互感器的副边负载没有联系。在电流互感器工作的过程中，副边严禁存在开路。如果出现开路的状况，会使原边电流转变为励磁电流，从而导致磁通、副边电压比标准数值要大，从而影响产品的安全性，甚至还会威胁使用者的安全。检测交变电流的大电流过程中，要想使二次仪表测量更加简便，应对电流进行统一化的转变，同时，因为线路电压相对较高，无法直接测量，这时就需要发挥电流互感器的作用，有效隔离变流、电气。电流互感器能够结合特定比例，对低电流进行转化，能够在一次系统内进行一次侧接，而在继电保护、测量仪表上进行二次侧接。

3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再经过限幅即可输入到微处理器的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图2。

图3参考电压产生电路

3器件选择及注意事项

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1-1.5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。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。

结束语

综上所述，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。

参考文献：

[1]鲁光辉．霍尔电流传感器的性能及应用[J]．四川文理学院学报：自然科学，2007，17(2)：40-42．

[2]陈伟，张英，刘增玉．两种保护用电流采样电路的比较及应用[J]．精密制造与自动化，2007(1)：45-46．