BLDC开发笔记8.过流保护与电流采样要点

过流保护#

正常运转之后，理论上电机反电动势等于电源电压，电机绕组上的电压等于电源电压减去反电动势等于零，但是由于存在铁损，铜损和摩擦等，反电动势不等于电源电压，所以绕组上的电压不等于零，有压降。

相电流状态：

1. 初始起步时候，磁场没有切割，没有有反电动势，电机相当于一个电感，相电流大，一般为额定电流的3-5倍。
2. 正常运转后，磁场被切割，有反电动势，相电流小

电机电流不能太大，类比电感饱和后，在磁滞回线上磁导率变小，电感变小，电流突然增大，可能烧毁元器件；而电机电枢励磁太大，转子的磁钢就会退磁，甚至永久消磁，电机就不能用了。

电机退磁，电机输出功率下降（一部分转换为热量），电机效率变小，在相同的负载下，就需要更大的输入功率。而输入功率增加，导致退磁和发热更加严重，最终电机损坏。

因此我们需要监控电机的电流，主要是一个过流保护作用。

单电阻电流采样#

电流采集分为高端采样和低端采样。

高端采样：对电压有要求，在高压场合需要隔离，成本高

低端采样：无需隔离，成本低，但注意不能破坏原来的系统阻抗

三相逆变电路中，在60°电周期内，只有一个下管导通，另外两个不通电流为零。因此我们可以把三个下桥的电流采样回路进行一个合并。

采用需要注意的是，采样电阻阻值不能太大，因为采样电阻阻值太大，压降大，影响了下桥驱动，并且功耗大，成本高。

那么什么时候有电流？

上桥载波为例，在下管开通时候，以M1-M6开通为例，又分为

1. PWM-on时，源是电源，电流流向为M1->U->W->M6->检流电阻->地
2. PWM-off时，源是绕组，电流流向为W->M6->M2体二极管->U

可见，只有PWM-on时，检流电阻上才有电流，但是相电流在PWM-off时并不为零，只是在减小。所以此时检流电阻并不能完全反应相电流。

例如：

检流电阻上电压和电流成线性关系。

BLDC的方波驱动，程序上不需要设置死区。因为死区是防止上下桥直通，但是两两导通星型三相六状态导通方式，每两个导通相都存在悬空相，悬空相是下一状态的导通相之一，因此有天然的死区。

当存在死区时，由于6个mosfet全部关断，所以绕组向电源充电，以U-W为例，电流流向W->M5体二极管->电源->地->检流电阻->M2体二极管->U。但是一般死区时间很短，可以忽略。

所以，我们只需要在PWM-ON期间对电流进行采样，也只能在PWM-ON期间采样。

单电阻检测的缺点就是无法全时检测电机电流，但是可以做过流保护，因为只关心上升电流有多大，会不会超限。

但是后面做FOC控制的话，就需要全时监控电流波形。我们需要清楚。

开关干扰#

上面分析是理想情况，但是由于mosfet的寄生电容（米勒效应）与回路中电感成分存在，栅极电阻取值问题，波形更加复杂，在检流电阻上升沿或下降沿可能存在振荡现象。

例如：

经验：

一般要求mosfet的平台时间小于500ns（加大驱动电流和减小栅极电阻），否则管子容易发热。但不要小于100ns，否则GS波形上会产生振铃现象。

这就对ADC采样时间做出要求。我们在测量电流需要避开这个干扰区，需要知道干扰区的时间和MCU输出PWM驱动信号到mosfet的延时。

系统延时是PWM输入上升沿到mosfet的GS的平台电压的时间。大多数电机控制系统在2-3us。

这包含了运放延时，所以也对运放的压摆率做出要求。

考虑占空比小的情况：三电阻采样#

单电阻采样弊端，因为只能在PWM-on期间采样，不能实时反应相电流，也决定了这种方式不能用于占空比小的情况：干扰区和高电平时间可以相提并论的时候，因为只能在PWM-on期间采样，在系统延时下，PWM-on期间我们就避不开干扰区采样，甚至采不到检流电阻上波形。
如果占空比太小需要采集电流，解决方法就是在每个桥臂加上检流电阻，单独采集每相电流。
例如：

为什么只加入两个桥臂检流电阻？
因为根据基尔霍夫电流定律，每个时刻都存在
I_U+I_V+I_W=0
所以只要知道其中两个桥臂电流就能知道另外一个桥臂电流。
以上桥载波，U-V相导通为例：

1. 上桥PWM-on期间，电流流向为M1->U->V->M4->R38->R40->地，R38和R40串联电流大小和方向一样
2. 上桥PWM-off期间，电流流向为M4->R38->R37->M2体二极管->U，R37和R38串联电流大小一样，电压方向相反，R38上正下负，R37下正上负。
   

这样就可以全时反应相电流。
当然这里只是按照理论画出来表明意思，实际波形没这么漂亮。