馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電流環(huán)的設(shè)計(jì)，作為驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域技術(shù)上的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)一直困擾著很多工程師，今天讓我們一起來揭開他的面紗。

對(duì)于一個(gè)馬達(dá)來說，如果電流變大的話，可能造成的危害有兩個(gè)：

1.電機(jī)本體本身會(huì)發(fā)熱，會(huì)損壞；

2.我們驅(qū)動(dòng)器的MOSFET會(huì)由于電流過大導(dǎo)致發(fā)熱，甚至損壞。另外，我們這套系統(tǒng)使用電源或者電池供電的，電流變大的話，也就是功率變大了，這個(gè)時(shí)候提供能量的電源或者電池就會(huì)出現(xiàn)問題，或者出現(xiàn)異常保護(hù)。

因此，為了我們這樣一個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，我們就需要對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行監(jiān)控。

一般的，監(jiān)控電流之后的保護(hù)措施有兩種：

1.當(dāng)檢測(cè)到電流過大之后，我們就實(shí)行一個(gè)關(guān)斷保護(hù)；

2.有的情況下，我們是不能關(guān)斷保護(hù)的，比如說無人機(jī)，由于某種原因?qū)е逻^流了，過流了之后如果進(jìn)行關(guān)斷的話，它就會(huì)摔下來，因此這個(gè)時(shí)候是不能進(jìn)行關(guān)斷的， 還要繼續(xù)保持一定功率去工作。當(dāng)然也不能過大功率去工作，這個(gè)時(shí)候就需要我們對(duì)它進(jìn)行一個(gè)限功率輸出，也叫恒功率輸出。

那么恒功率的目的，也就是恒電流輸出，也就是我們所說的“電流環(huán)”。對(duì)于一個(gè)電機(jī)來說，實(shí)際上它的“環(huán)”是有很多的，比如說有:電壓環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)。我們這次和大家談的主要是電流環(huán)，那么談這個(gè)電流環(huán)的話，首先我們要和大家談的是電機(jī)的電流如何進(jìn)行一個(gè)采樣。

電機(jī)電流的采樣一般我們分兩種形式：一種方式是我們直接從電源端采樣，對(duì)于電源端采樣，比如說像這個(gè)橋式電路，+15V是給電池供電的電壓，我們把這樣的一個(gè)電壓叫做Vbus電壓（如下圖）。

這個(gè)Vbus電壓實(shí)際上是由電源供過來的，我們可以在這個(gè)電壓前面，我們串接一個(gè)很小的電阻，當(dāng)然了，這個(gè)電路的網(wǎng)絡(luò)就需要改動(dòng)一下（如下圖），而且R3如果做采樣電阻的話，所以說它的電阻的就不能大，大的話，它會(huì)影響功率的輸出，比如說我們可以用一個(gè)10Ω這樣的電阻。當(dāng)它流過電流之后，由于它有阻值，那么它兩端就有一個(gè)電勢(shì)差，我們測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差，然后它的電流等效成電勢(shì)差除以一個(gè)10Ω的阻值，而R3兩端的電壓我們就可以通過一個(gè)運(yùn)放進(jìn)行采集。這種方式輸出來的話，采集的是一個(gè)平均電流。

如果Vbus電壓是高壓的話，比如說幾十伏以上。而我們的運(yùn)放，它的輸入

電壓是不可能很高的，這樣的話，運(yùn)放就不能直接進(jìn)行采集，就需要進(jìn)行分壓，或者進(jìn)行一個(gè)隔離，比如說用一個(gè)高速光耦進(jìn)行隔離，再進(jìn)行采樣，這樣的話，也是一個(gè)比較不錯(cuò)的方法，但是它的成本會(huì)比較高。

我們還有一個(gè)方法：由于R3是放在Vbus端，它是屬于電源端，它的電壓比較高的話，運(yùn)放它的成本就比較高，這樣我們可以把檢流電阻放在地端（如下圖）。放在地端的話，它過來的就是一個(gè)低的電壓。低的電壓對(duì)于一個(gè)正常的運(yùn)放來說，是在它的電氣參數(shù)范圍之內(nèi)的，所以說這樣就沒有什么問題了。因此，通過一個(gè)這樣的方式，我們可以進(jìn)行一個(gè)采樣。

理想情況下，我們是進(jìn)行差分輸入的，運(yùn)放的兩端一定要緊挨著這個(gè)檢流電阻。而不能把這個(gè)地方直接接到地上，甚至在layout的時(shí)候把這個(gè)“地”接到其他地方去了，這樣的話就會(huì)把干擾采集進(jìn)來（如下圖）。

因?yàn)樵诓季值臅r(shí)候，“1”點(diǎn)的地和“2”點(diǎn)的地其實(shí)是不同的（如下圖）。理論上這兩點(diǎn)的電位是相同的，但事實(shí)上，它是不相同的。原因很簡(jiǎn)單，這個(gè)電路是接馬達(dá)的相線的，電流會(huì)很大，這樣的一個(gè)大電流下來的話，在到達(dá)這個(gè)地上之后，這個(gè)地上必然會(huì)發(fā)生震蕩。為什么有了大電流之后，“1”點(diǎn)和“2”點(diǎn)之間的地會(huì)不一致呢？我們可以設(shè)想一下，假設(shè)這是一個(gè)廣大的湖面，在湖面很平靜的情況下，這兩點(diǎn)的水位是一樣高的，我們?cè)凇?”點(diǎn)扔一個(gè)石頭的話，這樣的話，水面的就會(huì)產(chǎn)生漣漪，由于水面在高、低不斷地晃動(dòng)，那么這兩點(diǎn)就不是同樣的水位了。所以，我們需要在靠近檢流電阻的地方進(jìn)行采集，這樣的話，即使存在高低波動(dòng)的話，檢流電阻的兩端會(huì)同時(shí)變高或變地，但是檢流電阻兩端的電壓差是不變的，這樣的話，就由通過的電流決定了。當(dāng)然，由于M6是高速開關(guān)的，所以R61需要是低ESL的電阻，一般是貼片電阻，一定要是低ESL的，如果感量太大的話，由于di/dt比較大，那么就會(huì)產(chǎn)生感抗，R61兩端電壓量出來就會(huì)比較高，但是事實(shí)上電壓是沒有那么高的，所以說這個(gè)地方對(duì)電阻的選型是有要求的。

如下圖，R61采集過來的電壓需要進(jìn)行放大，為什么需要進(jìn)行放大呢？首先，第一，這個(gè)檢流電阻的阻值不能太大，如果阻值太大的話，假設(shè)有30A的電流流過，如果電阻為1Ω，那么電阻的功率為：30*30*1=90W，一般沒有這樣的電阻，即使有，成本也很貴。

所以說這個(gè)地方需要選擇小電阻，當(dāng)然了，這個(gè)地方需要根據(jù)電機(jī)和電流來進(jìn)行選擇。最好這個(gè)電阻的功率是正常的，比如說1206、1210、1811、2510、2512，最多到2512，其實(shí)2512就已經(jīng)很貴了，要一塊錢以上了。

由于電阻值取值比較小，所以流過電流之后電阻兩端的電壓差比較小，這個(gè)時(shí)候需要我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算放大電路來進(jìn)行放大。這個(gè)時(shí)候放大多少倍呢，實(shí)際上放大了1+51K/1K=52倍，其中R51和R54是用來進(jìn)行阻抗匹配的。所以我原先一直說“源”、“ 回路”、“阻抗”，這個(gè)地方阻抗的作用是比較大的，如果阻抗不一樣的話，這個(gè)地方放大之后的電壓是飄的，不是真正想要的值。

如下圖所示，R61兩端的電壓經(jīng)過簡(jiǎn)單的差分放大之后進(jìn)行輸出，我們對(duì)R62后面的點(diǎn)進(jìn)行分析，這個(gè)點(diǎn)得到的是放大的信號(hào)，那么放大多少呢？放大的這個(gè)信號(hào)是給我們的單片機(jī)的，對(duì)應(yīng)的是單片機(jī)的AD采樣口，單片機(jī)的采樣口一般是3.3V居多，現(xiàn)在5V用的已經(jīng)不多了，所以說最大電流放大之后對(duì)應(yīng)的電壓不能超過3.3V，因?yàn)槌^3.3V的話，對(duì)于AD采樣來說，已經(jīng)超過它的最上限值了，所以就沒有意義了。這樣的話，要提前算好這個(gè)電機(jī)上的最大的電流是多少，這個(gè)電阻要選好，放大后不要超過3.3V，最好不要超過3V，這樣測(cè)量出來后就比較準(zhǔn)。

第二，我們要考慮運(yùn)放，我們輸入端的檢流電阻R61，它的沿是比較陡的，如下圖所示。

一般的運(yùn)放，我們分高帶寬和低帶寬。如下圖所示，運(yùn)放的帶寬比較高的話，它的輸出沿是比較陡的，我們也將它稱之為壓擺率，如果壓擺率比較小的話，它的輸出是比較緩的，我們規(guī)定1s內(nèi)上升的電壓值為壓擺率。很明顯第1條紅線1s內(nèi)上升的電壓值是比較高的，而第二條紅線是比較低的。理想情況下，運(yùn)放輸出的斜率和前面R61上的斜率是相等的，所以運(yùn)放的壓擺率比較低的話，在對(duì)輸入值進(jìn)行采樣的話，采樣的值不是真正的值，而是被運(yùn)放放慢了，所以我們要關(guān)注運(yùn)放的壓擺率問題。當(dāng)然，如果你的信號(hào)是周期比較長(zhǎng)的信號(hào)，你可以忽略，但是在馬達(dá)控制的這個(gè)項(xiàng)目里，這個(gè)周期是不能忽略的，所以說壓擺率是越高越好，這個(gè)就是我們對(duì)運(yùn)放提出的要求。

在檢流電阻這個(gè)地方還有一個(gè)問題：由于這里的地上會(huì)產(chǎn)生干擾，所以這個(gè)地方的干擾會(huì)耦合進(jìn)運(yùn)放里面，干擾耦合進(jìn)來之后，進(jìn)入運(yùn)放之后就會(huì)放大，所以說測(cè)量出來的信號(hào)里面就會(huì)帶有很多的干擾，這個(gè)干擾是我們不希望看到的。之前有說過，內(nèi)阻越小，也就預(yù)示著電流越大，電流越大，周圍的磁場(chǎng)也就越大，抗外在的干擾能力就越大，所以電流要偏大。運(yùn)放目前有兩種，一種是DMOS工藝，一種相當(dāng)于是晶體管工藝。

如果前面的干擾比較大，你可以選擇晶體管工藝的運(yùn)放，因?yàn)榫w管工藝的運(yùn)放，它的抗干擾能力要強(qiáng)一些，因?yàn)樗须娏?，屬于流控流型。如果前面的干擾比較小的話，你可以選擇DMOS工藝的運(yùn)放，它的功耗比較低，功耗低的原因是MOSFET的內(nèi)阻比較大，所以說它的抗干擾能力比較弱，這個(gè)也是運(yùn)放本身我們需要注意的。

另外，運(yùn)放定好了以后，我們還要注意R69的取值，我們不能取的很大，因?yàn)槿〉脑酱?，電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值就比較大，電流就比較小，它就比較容易受到干擾，就容易把干擾耦合進(jìn)來，然后會(huì)放大輸出。實(shí)驗(yàn)證明，R69的取值最大不要超過300K，我們要求最大不要超過200K，否則在有干擾的情況下，它的輸出就會(huì)帶著干擾，所以不要大于200K，如果說放大一級(jí)后還是不夠大怎么辦，那就再加一級(jí)，甚至三級(jí)放大，也不要在一級(jí)上放大到無窮大。

經(jīng)過放大之后的信號(hào)就送給MCU了，MCU根據(jù)放大后的電壓值就可以判斷目前的的電流是多大，一旦判斷出這里的電流大了，它就要做一些保護(hù)措施，比如說關(guān)掉，這個(gè)是我們電機(jī)電流保護(hù)里面最常用的一種方法，直接把電流關(guān)掉。還有一種叫限功率，它不能關(guān)斷，它只能限功率，例如之前說過的無人機(jī)。

對(duì)于限功率，在這里先定義一個(gè)值，比如說10A，這個(gè)10A是限制的了，不能超過10A，如果超過10A的話，就把它關(guān)掉，低于10A，就不管，這個(gè)叫削幅。如下圖，如果電流在10A以下，就不管，但是一旦超過了，就把它削平。

這種方式去做的話，我們就需要對(duì)電流實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣，我們看下面，對(duì)于三個(gè)橋臂來說，只有兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通。

當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電阻上才會(huì)有電流流過，當(dāng)管子不導(dǎo)通時(shí)，就沒有電流流過。所以，當(dāng)有時(shí)候其中一路MOSFET不導(dǎo)通時(shí)，就采集不到值，因此需要對(duì)其它路進(jìn)行采樣。采集之后，就需要對(duì)它進(jìn)行處理，如下圖所示，這里是用硬件的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，實(shí)際上，更多的人是用軟件進(jìn)行處理的，我們視頻里也會(huì)和大家詳細(xì)講解軟件怎么樣去做電流環(huán)、硬件如何去搭一個(gè)電流環(huán)，那么這里是用硬件去搭的。

實(shí)際上，基本的原理很簡(jiǎn)單，在我的PFC視頻的第11部至第13部已經(jīng)詳細(xì)講到，就是采用電流跟蹤法，比它高了，就把它削掉，類似于一個(gè)比較器一樣。我們可以用一個(gè)比較器，比較器的一端是把那3路電流合并之后送過來。

下面這幅圖是整流，因?yàn)椴杉降男盘?hào)有些時(shí)候是正，有些時(shí)候是負(fù)，為什么會(huì)出現(xiàn)負(fù)呢，是因?yàn)橛械臅r(shí)候會(huì)續(xù)流，由于電感的作用，電流會(huì)從下往上流，這個(gè)時(shí)候采集到的就是負(fù)壓，對(duì)于一個(gè)運(yùn)放來說，要想采集到負(fù)壓，必須采用雙電源供電。而我們這里是單電源供電，所以負(fù)壓是采集不到的，那么該怎么做呢?我們就需要將其抬升，這里是采用偏置電阻，通過分壓之后的7.5V進(jìn)行抬升。

如下圖所示，這里大致畫一下它的意思，對(duì)于一個(gè)正常的信號(hào)來說，它只能看到0V以上的電壓，0V以下的電壓是看不到的。但是這里確實(shí)是有負(fù)壓，而且續(xù)流過程中也有可能存在過流，那么如何將0V以下的進(jìn)行處理呢?實(shí)際上將其抬升就可以，比如說原先存在0V以下的負(fù)壓是被截止的，為0V，但是經(jīng)過7.5V的抬升后，相對(duì)于7.5V來看為負(fù)壓，但是相對(duì)于0V坐標(biāo)軸來看，電壓是正壓，這樣的話，負(fù)壓也可以被采集進(jìn)來。

抬升電壓的好處是什么呢？可以方便的使用單電源供電的運(yùn)放，因?yàn)楝F(xiàn)在單電源供電的運(yùn)放是比較多的，雙電源只在過去用的比較多。采用雙電源運(yùn)放是一個(gè)比較麻煩的事，因?yàn)樾枰プ鲐?fù)壓電源，這樣電路比較復(fù)雜，成本也比較高，所以說我們采用單電源這樣的方案去做。

這樣整流后的波形如下圖，這樣比較后的電壓就可以進(jìn)行處理了，用它進(jìn)行比較，當(dāng)它大于某個(gè)電壓值的時(shí)候，就關(guān)閉，當(dāng)它小于某個(gè)電壓的時(shí)候，就不管。

如下圖，合成之后的電壓送到比較器的“+”端，這個(gè)電壓反應(yīng)的就是電流，這里是采用硬件電路來做的。剛才提到的為7.5V，具體情況需要自己來確定。假設(shè)現(xiàn)在限制的為2A，其中VR1和R83分壓后的電壓值等效為2A，那么合成之后的電壓就和等效成2A的電壓進(jìn)行比較，如果它超過2A，那么比較器就輸出為高，否則輸出為低。那么輸出高或者低時(shí)，如何進(jìn)行一個(gè)電流的控制呢？

對(duì)于電機(jī)的電流的控制，實(shí)際上是用PWM來進(jìn)行調(diào)速的，也就是PWM的占空比寬了或者窄了來反應(yīng)速度的高和低。這樣的話，我們分成前一個(gè)周期和下一個(gè)周期來看，如果前一個(gè)周期開的時(shí)間小了（占空比?。磻?yīng)的電流也就小了，電流小的話，我們不管，但如果做電流精確控制的話，電流小的話，我們是需要管的，在下一個(gè)周期將占空比調(diào)大些，就是實(shí)時(shí)監(jiān)控電流，但是我們這里關(guān)注的是“高”，如果上一個(gè)周期的電流超過了我的設(shè)定值，那么我們就將它關(guān)掉，等到下一個(gè)周期到來時(shí)，我們?cè)僮鲆淮坞娏髋袛唷?/p>

如果判斷電流低了，沒有超過的話，我們?cè)倮^續(xù)去開通，但是如果判斷電流依舊是超過的話，那么我就繼續(xù)關(guān)斷，也就是通過丟占空比的方式來實(shí)現(xiàn)。那么對(duì)于比較器的電路就比較容易理解了，通過比較器U4將采集到的電流（實(shí)際上是電壓）和設(shè)定的電流（實(shí)際上是電壓）進(jìn)行比較，如果比它大，那么比較器輸出高，對(duì)于CD4013來說，CLK為上升沿，把D處的電壓送到Q端并進(jìn)行鎖存，而此時(shí)D端通過上拉電阻到+15V，所以Q端為高，當(dāng)Q端為高時(shí)，通過MOS管的驅(qū)動(dòng)電路將MOS管關(guān)斷，電流就會(huì)下降，采用這種方式進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)于恒功率輸出，需要對(duì)電路進(jìn)行修改，如下圖，RST接比較器輸出，CLK接正常的PWM波，接輸出，一旦過流了，比較器輸出為高，RST輸入為高，Q輸出就為低，就為高。如果過流狀態(tài)持續(xù)，下一個(gè)周期來臨時(shí)，RST還是為高，那么Q還是為低，還是為高，除非RST為0（不過流），那么Q才為高，才為低，這樣就實(shí)現(xiàn)了保護(hù)。

上面所說的電路方案是通過有位置搭建的，采用霍爾的方式，如下圖，霍爾的信號(hào)通過多路選擇開關(guān)，將三路霍爾信號(hào)轉(zhuǎn)換成六路輸出，六路信號(hào)通過與或門電路輸出再送到CD4053模擬開關(guān)，再經(jīng)過CD4081輸出控制M1、M4、M3，進(jìn)而控制MOS管的開通和關(guān)斷，以上所說的是有位置的方波電路，當(dāng)然還有其他的方案電路，比如有位置正弦波、無位置方波、無位置正弦波。

下面再給大家簡(jiǎn)單介紹一下無位置的三相馬達(dá)電路，這個(gè)電路就復(fù)雜了些。

如下圖所示，這是一個(gè)譯碼電路，馬達(dá)轉(zhuǎn)起來之后，需要將無霍爾轉(zhuǎn)換成有霍爾，虛擬出一個(gè)霍爾，進(jìn)而判斷出它的位置，以及到下一項(xiàng)如何導(dǎo)通，根據(jù)當(dāng)前的導(dǎo)通相序推出下一個(gè)導(dǎo)通相序。

下圖的這個(gè)電路是抓取當(dāng)前相線的反電動(dòng)勢(shì)，低轉(zhuǎn)速時(shí)采用電流檢測(cè)法來做，高轉(zhuǎn)速時(shí)，則采用電壓檢測(cè)法來做。最后再將高速、低速這兩項(xiàng)進(jìn)行合成，合成之后進(jìn)行鎖相環(huán)跟蹤，跟蹤后面需要進(jìn)行換向和位置的儲(chǔ)存。

下面的這個(gè)電路是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的強(qiáng)拖，拖到一定程度之后需要替換。

下面這個(gè)電路是實(shí)現(xiàn)負(fù)壓，在低轉(zhuǎn)速時(shí)需要用到負(fù)壓。

下面的這個(gè)電路是實(shí)現(xiàn)的消隱，馬達(dá)在每次換向之后都需要進(jìn)行消隱，是不能采集的。

下面的電路是三相橋電路。

這個(gè)方案就是把軟件做的工作給換成硬件搭建實(shí)現(xiàn)，所以說軟硬件是不分家的