李 珂，黄海燕，阮小丁，孙祝兵，朱美臣

(浙江联宜电机有限公司，东阳 322118)



基于PCB铜箔电压法的无刷电机电流采样研究

李 珂，黄海燕，阮小丁，孙祝兵，朱美臣

(浙江联宜电机有限公司，东阳 322118)

在设计微特电机控制器时，常常通过检测采样电流的方法来实现对电机和控制器的保护。在电流采样中，康铜丝因其较低的电阻温度系数和较宽的温度范围得到了广泛应用。文章对电路板铺铜电阻进行了研究，采用了一种基于温度补偿的PCB铜箔电压法进行电机电流采样，并通过实验证明了该方法对小功率电机控制器的有效性。

铜箔电压法;温度补偿;电流采样;康铜丝

0 引 言

在设计电机控制电路时，通常会设计电流采样电路，从而实现对电机、控制器和供电线路的保护。电机控制器或驱动器作为电机控制系统的重要组成部分，电流采样电路是其不可或缺的功能模块。目前常用的电流采样方法有电流互感器法、电阻采样法等。采用电流互感器的方法可以很好地实现电流变换和电气隔离作用，多用于高压电路中。基于电阻采样的方法在各种电路中应用都比较广泛，而康铜丝因其良好的温度系数得到了广泛使用。但用康铜丝作为采样电阻在微特电机控制器中使用并不方便，特别是在空间高度受到限制时。本文提出一种基于线路板铜箔电压降的电流采样方法，该方法直接使用线路板PCB走线作为采样电阻，并对铜箔电阻进行温度补偿。这种方法可以有效地降低线路板高度和发热量，并且减少了插件的使用，方便线路板的加工。

1 基于温度补偿的铜箔电阻计算

在进行PCB设计时，经常使用方块统计法快速地估算出线路板上一根走线或一块铺铜的电阻。方块统计法的依据是：在相同厚度下，同样尺寸的正方形印刷线路板走线的电阻值相同。正方形方块的电阻值取决于PCB铜箔的电阻率和厚度。方块统计法适用于PCB线路电阻的估算。PCB线路板铺铜的电阻率具有正温度系数，同一块铺铜的电阻值随温度的升高而升高。电机驱动器或控制器作为电机控制系统的功率模块，在工作时IGBT或MOSFET等功率器件会产生大量热量，进而引起整个线路板的温度上升，因而并不能使用方块统计法精确算出不同温度下的PCB电阻值。为了得到真实的电阻值，可使用数值计算法计算PCB铜箔的电阻值。考虑到温度的变化，使用NTC热敏电阻测量铜箔的温度，并对铜箔电阻进行计算。导体电阻值Rt和温度t之间的公式表示如下[1-5]:

(1)

式中:Rt表示导体在温度为t时的电阻值，R0为导体在温度为0℃时的电阻；t为导体的温度；a,b,c为常系数。对于PCB上确定的导体，假设线路板电流采样铜箔的厚度为H,宽度为W,长度为L，如图1所示，其在0℃时的电阻值为R0,则有：

(2)

图1 铜箔电阻模型

式中:ρ为线路板铜箔温度为0℃时的电阻率。式(1)中，因为常数b，c比a小得多，在温度变化范围不大时可以省略b，c。于是式(1)可以写成：

(3)

在设计电流采样电路时，当PCB确定后，式(2)中L，W和H也就确定了。可以根据PCB制板商提供的铜箔的电阻率求出电阻R0。由式(3)知，铜箔电阻值和温度可以看作线性关系。因而可以使用两点法求出常数a。假设在温度为t1的电阻为R1,在温度为t2时的电阻为R2,则有:

(4)

在设计中，为了求出线路板铜箔的温度，在靠近采样铜箔的位置放置NTC温度采样电路。然后，通过单片机对铜箔的温度进行采样计算。

2 基于铜箔电压法的电流采样电路设计

为了验证基于温度补偿的铜箔电流采样方法的有效性，设计了一款小功率无刷电机驱动器。该无刷电机驱动器采用STM32F0系列单片机作为主控芯片，该系列单片机是基于ARMCortex-M0内核的微控制器系列，其运行频率可以达到48MHz。另外还具有一个16位定时器和12位的ADC模拟数据采样通道。该系列单片机可以满足小功率无刷驱动器的设计要求。基于铜箔电流采样的无刷电机全桥驱动电路如图2所示[6-7]。

图2 无刷电机全桥驱动电路

在图2中，V1～V6是6个MOSFET，U，V，W是全桥电路输出接点，用于连接无刷电机3个绕组信号。全桥电路的三个下桥臂V4,V5和V6通过RM连接到电源负端，其中RM表示三个下桥臂MOSFET源极到电源负极之间的铜箔等效电阻。信号ADC_Cur和GND信号连接到单电源运放偏置电路，如图3所示。

图3 铜箔电压放大电路

在图3中，铜箔电压信号经过集成运算放大电路放大后得到信号MCU_CUR，该信号连接到单片机的AD采样接口。由图3可知运放输出电压VMCU_CUR与铜箔电压VADC_Cur之间的关系为：

(5)

式中：R+=R11∥R12∥R13。

为了补偿温度对铜箔电阻值的影响，设计了铜箔温度采样电路。在设计PCB线路板时，将温度传感器NTC紧靠铜箔放置。铜箔温度采样电路如图4所示。

图4 铜箔温度采样电路

图4中NTC为热敏电阻。设单片机采集到的热敏电阻的分压为VTEMP,则有：

(6)

设热敏电阻在某一温度T时的电阻为R,则有：

(7)

式中:R1为热敏电阻在温度为T1时的电阻值，B是热敏电阻的热敏指数。设计中选取热敏电阻参数为R=47kΩ,热力学温度T=(25+273)K，B=3 850。对式(7)进行变换，则有：

(8)

将式(6)代入式(8)中，则有：

(9)

由式(9)可见，通过单片机采集到的热敏电阻的电压值和热敏电阻的温度并非线性关系。在单片机程序设计时，为了降低计算复杂度，对式(9)进行分段线性拟合计算。然后结合式(5)和式(3)就可以计算出当前无刷电机的电流。

3 实验研究

研究中利用上面所提到的电路设计了一款小功率无刷电机驱动器。为了便于监控铜箔采样电流，设计了RS-485通讯电路，并使用VisualBasic编写了监控软件，用于显示电机电压、电流等参数。实验中将该驱动器连接到LINIX生产的90ZWN24-90-A/90JB15G无刷电机进行实验。通过模拟负载给无刷电机分段加载，进而观察电机电流采样的精度。设计的无刷电机驱动器如图5所示[7-8]。

图5 无刷电机驱动器

当全桥电路驱动电机运行时，全桥电路通过该段铜箔与电源构成回路。当电流流经该铜箔时，会在铜箔上产生电压，该电压经过放大电路放大后输入到单片机中。单片机根据采集到的电压和铜箔的温度，计算出采集到的电机电流。基于铜箔电压法的无刷电机电流采样流程图如图6所示。

图6 铜箔压降法无刷电机电流采集流程图

在控制器中，定义电机4种状态：电机运行状态、电机自由停车状态、电机刹车状态和故障状态。设计中对无刷电机采用三相六步驱动控制方法。在电机处于运行状态时，全桥电路的一个上桥臂和一个下桥臂导通，上下桥臂通过电机绕组和铜箔与电源构成回路。而当电机处于刹车状态时，电机的三个下桥臂打开，上桥臂关闭，此时并不构成回路,只有当上桥臂损坏时，才会构成回路。为了及时发现这种状态，图6中选择在电机运行和刹车时，采集电机电流。在其他状态时，全桥电路的上下桥臂全部关闭。为了便于控制器采样的电机电流和真实的电机电流进行对比，设计了RS-485电路。使用VisualBasic编写了电机状态监控软件，用于实时显示采集到的电机电流。电机监控界面如图7所示。

图7 无刷电机监控平台

电机监控平台软件分为两种工作状态：参数设置状态和电机监控状态。参数设置状态用于设定无刷电机额定转速、最大电流、换向方式和极对数等参数。电机监控状态用于实时读取控制器电压、模拟量给定电压、电机电流、铜箔温度和实际转速等参数。实验中使用DH1718E-6稳压直流电源给驱动器供电。该型号电源可以设定输入电压，并显示输入控制器的电流值，便于和控制器采样电流进行比较。为了证明所提方法的有效性，设计中采用闭环控制电机转速为1 000r/min，逐步加大负载。电源输入电流和控制器采样电流对比如表1所示。

表1 采样电流对比表

由表1可见,当电机电流比较小时，控制器采样偏差比较大，这时候主要是受运放电路和单片机采样精度的影响。随着负载的增加，电机电流不断增大。当电机电流增加到2 A以后，实际采样电流和控制器输入电流基本接近。在小功率电路中，因电流一般比较小，负载的变化对采样电路的干扰比较小，可以采用铜箔电压法进行电流采样。

4 结 语

本文提出了一种基于铜箔电压法的无刷电机电流采样方法。该方法通过测量流过PCB上铜箔的电压降达到确定电机电流的目的。考虑到温度对铜箔电阻率的影响，设计中采用NTC采集铜箔的温度，实现对铜箔电阻的温度修正。为了证明文中所提方法的有效性，设计了一款无刷驱动器，并在功率为90 W的无刷电机上进行了实验。实验结果表明，该方法可以用于微特电机电流采样。设计中的不足之处在于，受电路的限制仅在小功率电机上进行了研究。如将该方法应用到更大功率的电机上，还需要对运算放大电路和铜箔电路进行调整。

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Current Sampling of Brushless Motor Based on PCB Copper Foil Voltage Method

LIKe,HUANGHai-yan,RUANXiao-ding,SUNZhu-bing,ZHUMei-chen

(Zhejiang LINIX Motor Co., Ltd.,Dongyang 322118,China)

In the design of micromotor controller, the protection of the micromotor and the controller is usually realized by the detection of sampling current. In current sampling, constantan wire is widely used because of its low temperature coefficient of resistance and wide temperature range. After studying the copper resistance of the circuit board, the voltage method of PCB copper foil was proposed to carry out the motor current sampling ,which was based on temperature compensation. The experimental results show that the proposed method is effective for the controller of small power motors.

the voltage method of PCB copper foil; temperature compensation; current sampling; constantan wire

2016-03-21

TM306

A

1004-7018(2016)08-0063-04