原创 [博客大赛]PMSM电机相电流采集电路设计笔记

PMSM电机相电流采集电路设计笔记

设计需求：

    使用FOC控制永磁同步电机，需要采集电机电流，至少需要2路相电流；相电流的电流在电机运转的过程中，电流方向会发生改变，是交流的电流信号，需要在电路上做进一步的处理，然后送到单片机AD进行采集。

电路设计：

    单片机只能采集0-5V之间的电压信号，我们使用闭环的霍尔电流传感器采集电流（0-50A），LEM的LA58-P传感器在50A量程时，副边感应的电流为50mA，选择50ohm的匹配电阻，使得电流信号的幅值在-2.5~+2.5V之间，故需要设计电路使电流信号叠加一直流分量，使结果在0-5V之间，以便于单片机采集，设计电路如下：

1)    电路设计1：

常规的交流信号处理一般采用双电源供电的运放，直接采用运放求和电路使得U₀ = U_i + 2.5V：

参数计算：

(1/2Vcc-U_P)/R₅ + (V_i-U_p)/R₄ = U_p/R₉      (1)

U_N/R₂ = (U₀-U_N)/R₃                       (2)

U_N = U_P                                 (3)

    联立方程组，可求得上述图中的参数值。

该电路需要使用双电源供电，电路和成本较复杂！为了较小误差，最好选择轨对轨的运放，运放的失调电压尽量小。使用Multisim仿真的结果如下：

上述电路进行过实际测试验证！实测的结果和模拟仿真的结果稍有偏差，主要是NE5532不是轨对轨的运放，接近5V时，直接钳位到了4.5V左右，低压时不能输出到0V左右，大约0.6V就钳位了。

    为了减小成本，我们试图省掉给运放提供1/2Vcc偏压（偏压电阻为10K）的片子时，发现：结果异常：

将2.5V偏压电路的分压电阻改成100K，测试结果：

结果变成跟随的效果了，没有叠加上直流分量！

原因分析：应该是2.5V偏压的电压源的输出阻抗过大导致！查找原因：将2.5V的偏压电阻改成10ohm后，模拟的结果如下：

    现在看来，问题明朗了，2.5V偏压源和输入信号源是并行输入的，需要较低的输出阻抗才可以正常工作，在2.5V偏压源高阻抗时，信号直接加在了运放的同相端。

2)    电路设计2：

    在电路1的基础上，为了减小成本和电路的复杂度，我们考虑使用单电源轨对轨的低噪声的运放，设计电路如上。

    参数计算：

              U_P=Vcc * R₁₅/(R₁₄+R₁₅)             (1)

              U_P=U_N                           (2)

              (U_I-U_N)/R₁₂ = (U_N-U₀)/R₁₁           (3)

    假设R12=R11=2K，则R16=R11//R12,联立方程组，求解：

              U₀ = 2 Vcc * R₁₅/(R₁₄+R₁₅) - U_I

    我们需要叠加2.5V的直流分量，所以2 Vcc * R₁₅/(R₁₄+R₁₅) = 2.5V

    故，我们选取：R₁₅=33K，R₁₄=100K

    当然，使用电路1中所示的偏压电路最为理想了。

    使用Multisim仿真，结果如下：

    注意：输入和输出反向了，使用时需要在软件中反相一下！

3)    电路设计3：

    在电路2的基础上，为了减小软件的复杂度，我们打算使得输出和输入的结果完全同相且单位增益输出，设计电路如下：

    参数计算：

              U_N = U₀ * R₁₈/(R₁₈+R₁₉)              (1)

              U_P=U_N                               (2)

              (U_I-U_P)/R₁₀ = (U_P-1/2Vcc)/R₁₃         (3)

    联立方程组，假设R₁₃=R₁₀=1K，可求得上述参数值

              U₀ = 1/2(U_I +1/2Vcc) * (R₁₈+R₁₉)/R₁₈

    若R₁₈=R₁₉ =1K，则U₀ = U_I +1/2Vcc

    使用Multisim仿真，结果如下：