甄小勇，任傳波，賈安兵，瞿育文

（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

開關(guān)磁阻電機(jī)控制中電流信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

甄小勇，任傳波，賈安兵，瞿育文

（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制系統(tǒng)中，電流信號(hào)的測(cè)量精度直接關(guān)系到電機(jī)的控制效果，因此設(shè)計(jì)了一種電流信號(hào)采集電路。此電路為高速線性隔離電路，既能通過高頻電壓信號(hào)，又能取得良好的線性效果。同時(shí)，利用“Filter Solutions”軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)低通濾波器，在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中能采集到精度很高的電流波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此電路的應(yīng)用能較大地改善采集到的電流信號(hào)的精度，從而使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

線性隔離；低通濾波器；開關(guān)磁阻電機(jī)；電流

0 引言

在開關(guān)磁阻電機(jī)中的控制過程中，要取得良好的運(yùn)行性能，必須加入電流環(huán)，因此，采集到的電流值的精確性就顯得非常重要［1－2］。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于外圍電路的干擾會(huì)對(duì)主控單元運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生很大的影響，所以采用電氣隔離電路［3］。但是通常的線性隔離電路會(huì)造成電流信號(hào)的失真。例如文獻(xiàn)［4］中提出的電路只能通過低頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過時(shí)實(shí)時(shí)性較差；還有一些集成的隔離放大模塊如ADI公司的AD7400系列，其輸入電壓信號(hào)范圍只能是±250 mV，故使用場(chǎng)合有限。針對(duì)這種情況，本文提出了一種采用高速線性［5－6］隔離電路和低通濾波器組成的硬件電路，既濾除了電流信號(hào)中的諧波，又保證了電流信號(hào)的實(shí)時(shí)性。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)三相電流信號(hào)采集電路

試驗(yàn)電機(jī)為12／8極三相開關(guān)磁阻電機(jī)；額定功率為3 kW；調(diào)速范圍為0～3 500 r／m in；輸入電壓為48 V；額定電流為80 A；額定轉(zhuǎn)速為1 500 r／min；額定轉(zhuǎn)矩為19.1 N·m。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)電機(jī)，選用的電流傳感器為CSM200B。由于CSM200B輸出的是電流值，需要在輸出端串聯(lián)電阻接地，把電流值轉(zhuǎn)化成電壓值，然后再輸入到電流采集電路中。最后把電流采集電路輸出的電壓值接到主控芯片中，實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)電流信號(hào)的采集。原理框圖如圖1所示［7－8］。為滿足DSP對(duì)輸入信號(hào)的要求，電阻R選用33Ω，CSM200B輸出電流最大值為100 mV（對(duì)應(yīng)實(shí)際電流200 A），由此DSP輸入電壓最大值為3.3 V。

圖1中的電流采集電路部分分為線性隔離［9－10］電源電路（見圖2）和低通濾波電路（見圖3）。由于要采集的電流信號(hào)頻率較高，故隔離電路的高線性模擬光耦采用帶寬大于1 MHz的HCNR201，運(yùn)算放大器選用TL082CD，TL082CD導(dǎo)通時(shí)間只有50 ns，而且壓擺率達(dá)到13 V／μs。另外，電路工作原理可查閱文獻(xiàn)［11］。

考慮到本實(shí)驗(yàn)電機(jī)在調(diào)速值2 000 r／m in且使用單脈沖控制策略（此時(shí)電流信號(hào)頻率最大）時(shí)，電流信號(hào)頻率為600 Hz，諧波頻率大于5 000 Hz，因此，使用濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solutions 10.0設(shè)計(jì)了一階低通巴特沃斯濾波器。電路如圖3所示，電路的輸入端Vin2接隔離電源電路的輸出端Vout1。為了彌補(bǔ)相位的損失，在小于諧波頻率的情況下適當(dāng)增大導(dǎo)通頻率，此濾波器的通帶頻率選取2 kHz，幅頻和相頻特性如圖4所示。由圖4可以看出：小于0.6 kHz的信號(hào)幅頻特性都滿足要求，而大于5 kHz的信號(hào)衰減幅度較大，對(duì)濾除諧波起到較大作用。

圖1 電流信號(hào)采集框圖

圖2 線性隔離電源電路

圖3 低通濾波電路

圖4 低通濾波器的頻率特性

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先測(cè)量此電流采集電路輸入信號(hào)的范圍和精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示，通過示波器測(cè)量得到?？梢杂^察到輸入值在0～5 V變化時(shí)，輸出值與輸入值有很好的線性關(guān)系，滿足輸入值0～3.3 V的變化范圍要求。從輸入值和輸出值的比較中可以看到：誤差在20 mV之內(nèi)，即采樣電流誤差在20 mV×（6 A／100 mV）＝1.2 A之內(nèi)，對(duì)電流閉環(huán)控制影響可忽略，采樣精度較高。

圖5 輸入電壓值

圖6 輸出電壓值

在開關(guān)磁阻電機(jī)控制過程中測(cè)量電流信號(hào)，選取低速300 r／m in和高速2 000 r／m in兩種情況觀察電流測(cè)量電路的效果。分別如圖7和圖8所示，其中100 mV對(duì)應(yīng)6 A的電流。

圖7是開關(guān)磁阻電機(jī)在300 r／m in時(shí)的電流信號(hào)采集結(jié)果，比較圖7a和圖7b可知：經(jīng)過隔離部分輸出的電流信號(hào)比電流傳感器直接輸出的信號(hào)已經(jīng)有了明顯的改善，電流波形變得更加平滑。比較圖7b和圖7c可知：經(jīng)過低通濾波器后高頻諧波基本都被濾除，電流精度得到進(jìn)一步的提高。

圖8是開關(guān)磁阻電機(jī)在2 000 r／m in時(shí)的電流信號(hào)采集結(jié)果，比較圖8a、圖8b和圖8c同樣可得出此電路良好的濾波效果。同時(shí)在2 000 r／min的較高轉(zhuǎn)速下，濾波效果仍然非常理想，也驗(yàn)證了此線性隔離濾波電路的可靠性和廣泛性。

本實(shí)驗(yàn)電路的輸入和輸出信號(hào)的電源是相互隔離的，相互之間不會(huì)造成干擾，因此，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的抗干擾能力會(huì)有很大的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中輸入和輸出的線性效果比較好，驗(yàn)證了此電路良好的線性隔離效果。

圖7 300 r／m in時(shí)輸出信號(hào)

另外，在低速300 r／m in和高速2 000 r／m in的電流波形圖中可以看到：最后輸出的電流值相比實(shí)際電流值在相位上沒有明顯的延遲，而導(dǎo)通時(shí)間卻延后了200μs左右。由于在控制策略中設(shè)計(jì)的電流環(huán)執(zhí)行周期是250μs，因此導(dǎo)通時(shí)間的延后最多影響一個(gè)電流采集值，對(duì)電機(jī)的控制基本沒有影響。

3 結(jié)論

本文提出的采用高速隔離電路和低通濾波器組成的硬件電路，既解決了開關(guān)磁阻電機(jī)控制中電流采集的電氣隔離和諧波問題，又克服了相位的損失，從而保證了電流信號(hào)的實(shí)時(shí)性，這能使電機(jī)控制的精度獲得較大提高。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，輸出值精確，可簡(jiǎn)化DSP等主控芯片的濾波程序，在電機(jī)控制中有較大的實(shí)用價(jià)值。

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TM352

A

1672－6871（2014）06－0039－03

山東省科技發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目（2011GGX10505）

甄小勇（1987－），男，山東日照人，碩士生；任傳波（1964－），男，通信作者，山東濰坊人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)與控制技術(shù).

2014－02－18