CN106370912B - 提高mosfet管电流采样精度的方法、系统和电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种提高MOSFET管电流采样精度的方法、系统和电机驱动系统。包括MOSFET管、采样电阻、第一采样电路、第二采样电路、第一计算模块和第二计算模块，第一采样电路采集MOSFET管两端的电压信号；第二采样电路采集采样电阻两端的电压信号；第一计算模块生成MOSFET管内阻值；第二计算模块根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经MOSFET管的电流。本发明在增加很少成本的情况下，大幅提升MOSFET管电流采样的精度，同时无需在挑选温度特性稳定一致的MOSFET管器件上耗费太多时间和人力成本，提高了电流采样效率的同时，从总体上降低了成本；与采用3电阻进行电流采样的方案相比，还提高了电机驱动系统的效率，缩小了驱动系统的体积。

Description

提高MOSFET管电流采样精度的方法、系统和电机驱动系统
技术领域
本发明涉及模拟硬件电路与数字信号处理领域，特别涉及一种提高MOSFET管电流采样精度的方法、系统和电机驱动系统。
背景技术
在电机控制领域，电流闭环是最基本的控制模式，所有的其它闭环都是建立在电流闭环基础上的，所以电流采样的精确度会直接影响电机控制的准确度。之前的方法，是采用每个半桥分别接电流采样电阻(电流传感器，俗称三电阻电流采样模式)方法实现各相线电流直接采样的方式，如图1所示，这样的方法最直接，也最有效，但是因为有三个电流采样电阻，成本相对较高。随着技术的发展，为了简化电路降低成本，从MOSFET管内阻上直接进行电流采样已经成为一种趋势，相应的硬件电路示意图如图2所示，目的就是为了降低三个电流采样电阻的成本。所有的相电流采样都通过下MOSFET管导通电阻上的电压降来取得。在电机三相半桥时序逻辑控制下，可以准确地从三个下MOSFET管两端取得三组电压值，除以它们的内阻后就得到了通过这个MOSFET管的电流Ia/Ib/Ic(MOSFET管内阻在数据手册中已经标定)，而这个电流就可以通过一定的关系对应到相应的相线上。上述方法是建立在MOSFET管内阻恒定不变的基础上的，实际情况是MOSFET管的内阻与本身的温度成正温度系数的关系，如图3所示，这个变化不是很大，所以一般比较粗糙的控制可以忽略不计这部分变化。但是对于一些精确控制的系统就必须考虑这个温度变化带来的内阻变化而引起采样电流的变化，特别是对于一些电流动态范围比较大的系统，不进行电流纠偏，就会引起电机震动、抖动、效率降低、噪声提高等不稳定现象。
普通的电流纠偏方法中，可以在MOSFET管附近增加一个温度传感器，然后把Datasheet中的如图3的温度与内阻关系的表格写入到程序中，由软件用查表法进行纠偏。这种方法可以提高一定的电流采样精度，但是由于温度传感器反映的不一定是MOSFET管本身的温度，因而会产生一些误差，而且生产中可能由于批次不同引起内阻一致性的不同。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高MOSFET管电流采样精度的方法、系统和电机驱动系统，解决了以上所述的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
依据本发明的一个方面，提供了一种提高MOSFET管电流采样精度的系统，包括MOSFET管、采样电阻、第一采样电路、第二采样电路、第一计算模块和第二计算模块，所述采样电阻一端接地，另一端连接MOSFET管的源级，
所述第一采样电路用于采集MOSFET管两端的电压信号；
所述第二采样电路用于采集采样电阻两端的电压信号；
所述第一计算模块用于根据MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成MOSFET管内阻值；
所述第二计算模块用于根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经所述MOSFET管的电流。
依据本发明的另一个方面，提供了一种提高MOSFET管电流采样精度的方法，包括以下步骤：
步骤1，采集MOSFET管两端的电压信号和与所述MOSFET管串联的采样电阻两端的电压信号；
步骤2，根据MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成MOSFET管内阻值；
步骤3，根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经所述MOSFET管的电流。
为解决本发明的技术问题，还提供了一种电机驱动系统，包括采样电阻、第二采样电路、第一计算模块、第二计算模块、多个半桥和与半桥数量相同的第一采样电路，每个半桥分别设置上MOSFET管和下MOSFET管，上MOSFET管源极和下MOSFET管漏极串联；所述采样电阻设置在半桥的回流母线上，采样电阻一端接地，另一端分别连接所有下MOSFET管的源级，
所述第一采样电路用于采集已导通的下MOSFET管两端的电压信号；
所述第二采样电路用于采集采样电阻两端的电压信号；
所述第一计算模块用于根据下MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成对应的下MOSFET管内阻值；
所述第二计算模块用于根据下MOSFET管两端的电压信号和下MOSFET管内阻值生成流经所述下MOSFET管的电流。
本发明可以在系统工作过程中通过采样与计算，得到精确的MOSFET管内阻值。所述电机驱动系统通过在半桥的回流母线上串入一个精密功率的采样电阻(类似于单电阻采样架构)，软件上增加对这个电阻上的电压信号进行采样处理，通过电流转换公式来计算出相关的MOSFET管的内阻值。为了保证电流采样的精度，本发明的的采样电阻不仅电阻精度要高，而且必须保证温度特性是恒定的，基本不随温度变化而变化(微小变化可以忽略不计)，因此可以作为一个基准用来计算相关的MOSFET管的内阻值。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的技术方案只需采用一个采样电阻，比三电阻电流采样方案节约了两个精密电阻的成本；
(2)本发明的技术方案具有三电阻采样的全部优点，电流采样盲区很小；
(3)本发明采用了校正方法，可以对MOSFET管内阻进行漂移纠偏，提高了电流采样的精度；
(4)本发明的技术方案相比采用温度传感器进行固定温度补偿的方式更加精密可靠；
(5)本发明还可以通过采样电阻为电机驱动系统进行过流保护，反映快且精度高。
附图说明
图1为现有技术三电阻电流采样的三相电机驱动电路拓扑架构图；
图2为现有技术MOSFET管内阻电流采样的三相电机驱动电路拓扑架构图；
图3为MOSFET管内阻值与温度的对应关系图；
图4为实施例1提高MOSFET管电流采样精度的系统的结构示意图；
图5为实施例2提高MOSFET管电流采样精度的方法的流程示意图；
图6为实施例3电机驱动系统的电路拓扑架构图；
图7为实施例3中电机驱动系统的三相控制时序逻辑图；
图8为实施例3中简化的电机驱动系统的电路拓扑架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图4所述，为本实施例1一种提高MOSFET管电流采样精度的系统，包括MOSFET管、采样电阻、第一采样电路、第二采样电路、第一计算模块和第二计算模块，所述采样电阻一端接地，另一端连接MOSFET管的源级，
所述第一采样电路用于采集MOSFET管两端的电压信号；
所述第二采样电路用于采集采样电阻两端的电压信号；
所述第一计算模块用于根据MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成MOSFET管内阻值；
所述第二计算模块用于根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经所述MOSFET管的电流。
本实施例中，所述第一采样电路包括第一运算放大电路和第一模数转换电路，所述第一运算放大电路用于采集MOSFET管两端的第一模拟电压信号，所述第一模数转换电路用于将所述第一模拟电压信号转换为第一数字电压信号；所述第二采样电路包括第二运算放大电路和第二模数转换电路，所述第二运算放大电路用于采集采样电阻两端的第二模拟电压信号，所述第二模数转换电路用于将所述第二模拟电压信号转换为第二数字电压信号。本实施例中，根据选用的运算放大器的特性以及模数转换器的特性，选择合适的采样电阻的阻值及功率，在流经最大电流时，保证：
(1)采样电阻本身的消耗功率小于额定功率；
(2)采样电阻上的压降经过运算放大器处理后的幅度要小于模数转换器的最大允许输入幅度。
本实施例中，还包括分别与第一计算模块连接的第一校正模块和第二校正模块，所述第一校正模块用于通过低通滤波器对所述第一数字电压信号和第二数字电压信号进行滤波，并采用迭代的方法使生成的MOSFET管内阻值逼近所述MOSFET管的实际内阻值。所述第二校正模块用于每间隔预设时间控制第一采样电路采集MOSFET管两端的电压信号，以及控制第二采样电路采集采样电阻两端的电压信号，并采用第一计算模块生成的新的MOSFET管内阻值对当前MOSFET管内阻值进行更新，从而保证MOSFET管内阻值的准确性和电流采样的精度。
如图5所示，为实施例2提高MOSFET管电流采样精度的方法的流程示意图，包括以下步骤：
步骤1，采集MOSFET管两端的电压信号和与所述MOSFET管串联的采样电阻两端的电压信号；
步骤2，根据MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成MOSFET管内阻值；
步骤3，根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经所述MOSFET管的电流。
本实施例中，电流先流过MOSFET管，再流过与MOSFET管串联的采样电阻R0，因此可以同时得到从MOSFET管内阻上采样到的电压值Vb，以及从采样电阻R0上采样到的电压值Vt，换算成电流：I＝Vt/R0，由于流经这两个部分的电流值是相等的，因而就可以直接计算出这时的MOSFET管内阻值：
Rds＝Vb/I＝(Vb/Vt)*R0
把这个内阻值作为在这个温度下的固定值，在下次更新之前的所有电流采样过程中都是用这个内阻值Rds，因而软件就可以计算出在这段区间里每次的电流采样值I’＝V’/Rds。由于不同的工作环境，MOSFET管上的温度是在不断地变化的，但是这个温度也不会出现瞬变，所以可以定时地校正MOSFET管内阻值，具体为：每间隔预设时间采集MOSFET管两端的电压信号和采样电阻两端的电压信号，并利用生成的新的MOSFET管内阻值对当前MOSFET管内阻值进行更新。本实施例中，所述预设时间的取值范围为1ms～5min，例如1ms，10ms，100ms，1秒，1分，或更长，由不同的应用环境来决定，时间间隔越短，MOSFET管内阻的误差就越小。由于每次检验MOSFET管内阻工作都要采用一定的滤波算法，会占用处理器的大量时间，所以校正间隔不能设置得太频繁。通过这样的硬件和软件的结合处理，可以确保从MOSFET管内阻上采样到的电流信号精确度比现有技术的两种方案都有大幅度的提高，使系统运行更加稳定，性能更好。在实际的应用过程中，采样到的Vb和Vt都有可能不是真实的信号，所以需要通过必要的滤波计算对获取的MOSFET管内阻值进行校正，因为MOSFET管内阻值变化缓慢，频率很低，所以采用低通数字滤波器方法比较合理，对MOSFET管内阻值不停地迭代，从而使迭代结果慢慢逼近真实的内阻数值。具体的方法为：
通过低通滤波器对MOSFET管两端的电压信号和采样电阻两端的电压信号进行滤波，并采用迭代的方法使生成的MOSFET管内阻值逼近所述MOSFET管的实际内阻值，低通滤波器的迭代方程式为：
Yn＝a*Rdsn+(1-a)*Yn-1
式中Rdsn为本次计算出的MOSFET管的内阻值；
Yn-1为上次的滤波输出值；
a为滤波系数；
Yn为本次滤波的输出值；
Y0为预先设定的导通内阻值。
上述迭代方程中，a的取值远小于1，因此滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值，本次采样值对滤波输出的贡献是比较小的，但多少有些修正作用，因此可以模拟具有较大惯性的低通滤波器的功能。本实施例中为保证得到较准确的电流采样结果，同时保证电流采样的效率，所述低通滤波器的滤波系数取值范围为0.2～0.3，比如0.2，截止频率小于1KHz。
如图6所述，为实施例3电机驱动系统的电路拓扑架构图，包括三个半桥，每个半桥分别设置上MOSFET管和下MOSFET管，上MOSFET管源极和下MOSFET管漏极串联，上MOSFET管的栅极和下MOSFET管的栅极分别接收电机控制单元输出的PWM高低平信号(PWMaH、PWMbH、PWMcH、PWMaL、PWMbL、PWMcL)，同时上MOSFET管和下MOSFET管的串联端用于接收电机控制信号MA、MB和MC。通过所述PWM高低平信号和电机控制信号MA、MB和MC，可以分别控制每个MOSFET管的通断，从而对所述图6的电路拓扑架构图进行简化，计算流经每个MOSFET管的电流。具体的，本实施例中，根据电机控制的基本时序控制各个下MOSFET管的导通，从而计算各个下MOSFET管的内阻值。本实施例的三相电机控制时序真值表如下表1所示：
PWMaH PWMbH PWMcH PWMaL PWMbL PWMcL Ibus 注释 时间状态
1 0 0 0 1 1 +Ia -(Ib+Ic) T1
0 1 0 1 0 1 +Ib -(Ia+Ic) T2
0 0 1 1 1 0 +Ic -(Ia+Ib) T3
0 1 1 1 0 0 -Ia T4
1 0 1 0 1 0 -Ib T5
1 1 0 0 0 1 -Ic T6
三相控制时序逻辑图如图7所示，通过六个时间状态后就可以分别检测到三相的各个电流值+Ia、+Ib、+Ic、-Ia、-Ib、-Ic(在PWMaL/PWMbL/PWMcL全开或则全关的状态下电流为0，这里不列入)。在时间状态为T4、T5、T6三个状态时，下管都只有一路在导通，这样就可以把图6的电机驱动系统的电路拓扑架构图简化为图8的单个半桥电路。本实施例中，采样电阻R0设置在半桥的回流母线上，采样电阻R0一端接地，另一端分别连接所有下MOSFET管的源级。本实施例的电机驱动系统还包括第二采样电路AMPt、第一计算模块(图中未示出)、第二计算模块(图中未示出)、和三个第一采样电路(AMPa、AMPb、AMPc)，第一采样电路用于采集已导通的下MOSFET管两端的电压信号(分别为Va、Vb和Vc)，第二采样电路采集采样电阻R0两端的电压信号，第一计算模块根据下MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成对应的下MOSFET管内阻值；第二计算模块根据下MOSFET管两端的电压信号和下MOSFET管内阻值生成流经所述下MOSFET管的电流。具体的，假设只有B相的下MOSFET管导通时，B相上的电流先流过下MOSFET管，再流过这个采样电阻R0，因此可以同时得到从MOSFET管内阻上采样到的电压值Vb，以及从采样电阻R0上采样到的电压值Vt，换算成电流：I＝Vt/R0，由于流经这两个部分的电流值是相等的，因而就可以直接计算出这时的MOSFET管内阻值：
Rds＝Vb/I＝(Vb/Vt)*R0
把这个内阻值作为在这个温度下的固定值，在下次更新之前的所有电流采样过程中都是用这个内阻值Rds，因而软件就可以计算出在这段区间里每次的电流采样值I’＝V’/Rds，这个I’可以直接被电流闭环算法所采用。由于不同的工作环境，MOSFET管上的温度是在不断地变化的，但是这个温度也不会出现瞬变，所以可以定时地校正MOSFET管内阻的工作，时间间隔为1ms～5min，例如1ms，10ms，100ms，1秒，1分，或更长，由不同的应用环境来决定，时间间隔越短，MOSFET管内阻的误差就越小。由于每次检验MOSFET管内阻工作都要采用一定的滤波算法，会占用处理器的大量时间，所以校正间隔不能设置得太频繁。通过这样的硬件和软件的结合处理，可以确保从MOSFET管内阻上采样到的电流信号精确度比现有技术的两种方案都有大幅度的提高，使系统运行更加稳定，性能更好。在实际的应用过程中，由于电机控制电路中干扰信号特别多，特别强，因而采样到的Vb和Vt都有可能不是真实的信号，所以需要通过必要的滤波计算对获取的MOSFET管内阻值进行校正，具体的校正过程在实施例2的方法中进行了描述，此处不再进行详细说明。
本发明大幅提升MOSFET管内阻直接电流采样的精度，同时无需在挑选温度特性稳定一致的MOSFET管器件上耗费太多时间和人力成本，提高了电流采样效率和精度的同时，从总体上降低了成本。与3电阻采样方案相比，还提高了电机驱动系统的效率，缩小了驱动系统的体积。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种提高MOSFET管电流采样精度的系统，其特征在于，包括MOSFET管、采样电阻、第一采样电路、第二采样电路、第一计算模块和第二计算模块，所述采样电阻一端接地，另一端连接MOSFET管的源级，
所述第一采样电路用于采集MOSFET管两端的电压信号；
所述第二采样电路用于采集采样电阻两端的电压信号；
所述第一计算模块用于根据MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成MOSFET管内阻值；
所述第二计算模块用于根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经所述MOSFET管的电流；
所述第一采样电路包括第一运算放大电路和第一模数转换电路，所述第一运算放大电路用于采集MOSFET管两端的第一模拟电压信号，所述第一模数转换电路用于将所述第一模拟电压信号转换为第一数字电压信号；所述第二采样电路包括第二运算放大电路和第二模数转换电路，所述第二运算放大电路用于采集采样电阻两端的第二模拟电压信号，所述第二模数转换电路用于将所述第二模拟电压信号转换为第二数字电压信号；
还包括分别与所述第一计算模块连接的第一校正模块和第二校正模块；
所述第一校正模块用于通过低通滤波器对所述第一数字电压信号和第二数字电压信号进行滤波，并采用迭代的方法使生成的MOSFET管内阻值逼近所述MOSFET管的实际内阻值；
所述第二校正模块用于每间隔预设时间控制第一采样电路采集MOSFET管两端的电压信号，以及控制第二采样电路采集采样电阻两端的电压信号，并采用第一计算模块生成的新的MOSFET管内阻值对当前MOSFET管内阻值进行更新，所述预设时间的取值范围为1ms～5min。
2.一种提高MOSFET管电流采样精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集MOSFET管两端的电压信号和与所述MOSFET管串联的采样电阻两端的电压信号；
步骤2，根据MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成MOSFET管内阻值；
步骤3，根据MOSFET管两端的电压信号和MOSFET管内阻值生成流经所述MOSFET管的电流；
还包括第一校正步骤，具体为：通过低通滤波器对MOSFET管两端的电压信号和采样电阻两端的电压信号进行滤波，并采用迭代的方法使生成的MOSFET管内阻值逼近所述MOSFET管的实际内阻值，低通滤波器的迭代方程式为：
Yn＝a*Rdsn+(1-a)*Yn-1
式中Rdsn为本次计算出的MOSFET管的内阻值；
Yn-1为上次的滤波输出值；
a为滤波系数；
Yn为本次滤波的输出值；
Y0为预先设定的导通内阻值；
还包括第二校正步骤，具体为：每间隔预设时间采集MOSFET管两端的电压信号和采样电阻两端的电压信号，并利用生成的新的MOSFET管内阻值对当前MOSFET管内阻值进行更新，所述预设时间的取值范围为1ms～5min。
3.根据权利要求2所述的提高MOSFET管电流采样精度的方法，其特征在于，所述低通滤波器的滤波系数的取值范围为0.2～0.3，截止频率小于1KHz。
4.一种电机驱动系统，其特征在于，包括采样电阻、第二采样电路、第一计算模块、第二计算模块、多个半桥和与半桥数量相同的第一采样电路，每个半桥分别设置上MOSFET管和下MOSFET管，上MOSFET管源极和下MOSFET管漏极串联；所述采样电阻设置在半桥的回流母线上，采样电阻一端接地，另一端分别连接所有下MOSFET管的源级，
所述第一采样电路用于采集已导通的下MOSFET管两端的电压信号；
所述第二采样电路用于采集采样电阻两端的电压信号；
所述第一计算模块用于根据下MOSFET管两端的电压信号、采样电阻两端的电压信号以及采样电阻的阻值生成对应的下MOSFET管内阻值；
所述第二计算模块用于根据下MOSFET管两端的电压信号和下MOSFET管内阻值生成流经所述下MOSFET管的电流；
所述第一采样电路包括第一运算放大电路和第一模数转换电路，所述第一运算放大电路用于采集MOSFET管两端的第一模拟电压信号，所述第一模数转换电路用于将所述第一模拟电压信号转换为第一数字电压信号；所述第二采样电路包括第二运算放大电路和第二模数转换电路，所述第二运算放大电路用于采集采样电阻两端的第二模拟电压信号，所述第二模数转换电路用于将所述第二模拟电压信号转换为第二数字电压信号；
还包括分别与所述第一计算模块连接的第一校正模块和第二校正模块；
所述第一校正模块用于通过低通滤波器对所述第一数字电压信号和第二数字电压信号进行滤波，并采用迭代的方法使生成的MOSFET管内阻值逼近所述MOSFET管的实际内阻值；
所述第二校正模块用于每间隔预设时间控制第一采样电路采集MOSFET管两端的电压信号，以及控制第二采样电路采集采样电阻两端的电压信号，并采用第一计算模块生成的新的MOSFET管内阻值对当前MOSFET管内阻值进行更新，所述预设时间的取值范围为1ms～5min。
5.根据权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于，上MOSFET管的栅极和下MOSFET管的栅极分别用于接收电机控制单元输出的PWM高低平信号。
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