【选型】BLDC无刷电机相电流采样推荐国产运算放大器SGM8634，四通道且具有输出轨到轨特性

时间： 2020-11-07 来源：世强

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BLDC电机成本低、扭矩大，应用范围广泛，其可靠的运行需要高性能的驱动器提供功率、算法的支持。在各种电机控制算法中，如FOC控制、前馈控制、弱磁控制等，都必须对电流准确、高速的采样。对于BLDC电机电流采样方案，不考虑通过霍尔直接采样电机三相电流的方案，通常有单电阻母线电流采样，双桥臂电流采样和三桥臂电流采样三种方式。单电阻母线电流采样丢失电机U、V、W相电流信息，不能实现复杂的算法；双桥臂电流采样通过U、V、W相电流间的关系复现另外一相电流信息，成本有所降低，软件代码计算量增大，占用一定的中断带宽；三桥臂电流采样成本有所增加，相电流失真小，中断带宽占用最低，可以进一步提高PWM的中断速率，提高电机的动态性能。

笔者在最近研发的一款24V/350W BLDC电机驱动器中，采用三桥臂电流采样方案，并选用圣邦微电子的运算放大器SGM8634XS14作为采样调理电路运放，经试验验证，满足设计的要求。功率部分原理图如下所示：

图1. BLDC三相桥式驱动电路

如上图所示，考虑到电机堵转可能引起的最大电流引起的电阻功耗以及成本，选用5mΩ/5W的合金电阻。

采样调理电路如下所示：

图2. 电流采样调理电路

如图2所示，左图运放组成的射极跟随器，为电流运放电路提供1.65V的参考电压（当进行FOC控制时，流过桥臂下管的电流有正反方向，所以将电流零点设置在1.65V左右）。右图为差分放大电路结构，放大系数为33K/2K=16倍。（注：上图仅为U相电流采样电路，其余两相采样电路完全一致，故不展示）。

根据上述设计计算，当电流处于过流电流最大保护值时，运放输出电压为：20*0.005*16=1.6V，所以该电路设计可以保证电流正反向运行时采样范围的要求，同时差分运放能有效的降低电路的共模干扰。

从上面的分析可见，该处选择运放时，需要满足如下几点要求：

1. 四通道运放。一通道提供参考电压，另外三个通道用于采样信号调理。

2. 需要具有轨到轨的输入输出特性，满足宽电流采样范围。

3. 高带宽和高压摆率。PWM开关频率为40KHz，高带宽和压摆率满足信号快速采样和低失真的要求。

4. 在成本控制下具有低噪声等较高的指标。

通过以上的分析，4通道的SGM8634XS14十分适合此处的应用。该运放工作范围2.5V~5.5V，满足此处设计的3.3V供电要求，并具有轨到轨的输入输出特性。增益带宽积6MHz（典型值），全功率带宽250KHz（典型值），压摆率3.7V/us（典型值），满足此处高速采样的要求。该运放输入失调电压典型值0.8mV，其共模抑制比高达90dB(典型值)，输入失调电压温度飘逸仅2.4uV/℃（典型值），噪声仅12nV/√Hz（@1kHz，典型值），批量价格成本仅4元左右，具有很高的性价比。

采用SGM8634XS14设计的BLDC驱动PCB如图3所示：

图3. BLDC驱动PCB

在该项目中通过试验验证，采用SGM8634XS14对BLDC驱动的U、V、W三相相电流进行采样，并通过软件定期的进行电流零点校正，可以获得非常高的采样精度，满足设计精度和稳定性要求。

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