电机控制运放选型基本知识

概述

电机控制中一般使用运放搭配检流电阻实现电流采样。以下几个运放参数作为基本的考量对象。

共模电压和差模电压

共模电压

这个参数表示运放正负输入端分别对地的电压的平均值，即运放两端输入电压的中点电位，超过规格书限制的共模输入电压将损坏运放。这也是为什么一般电流采样都选择低端采样的原因，大多数运放都是低共模输入电压的。

差模电压

这个参数表示运放正负输入端电压的差值，即被放大的电压信号。

带宽增益积

这个参数主表表示运放输入频率和运放增益之间的关系，以50Khz正弦波为例，运放的带宽增益积为500KHz,那么当设计运放放大倍数 > (500 / 50) = 10 时，放大后的信号会失真。

压摆率

这个参数表明运放的响应速度，以正弦波信号为例，正弦波输出为Vo,Vp为幅值，频率f,求导得出其变化率，变化最大值即压摆率。下述公式单位(V/s),转成（V/us）还需除以 1000000。

输入失调电压

这个参数表示运放什么也不干的情况下两个输入端存在的电压差，这个电压也会被运放放大，所以此参数需要考量的是失调电压被放大后是否非常影响到了采集的信号放大结果，选型上就是越小越好。

轨至轨和非轨至轨运放

轨至轨运放表示运放的输出能达到运放供电的两端电压，比如运放供电为+5V和0V，轨至轨则最大能放大到5V输出，最小能达到0V输出。 非轨至轨运放就无法达到。

选型指导

设计条件：低端采样、电流10A、驱动频率20Khz、电机转速3000rpm、极对数7

1. 确定运放输出范围，比如设计电流10A，单片机ADC采样0 ~ 3.3V，运放偏置1.65V，考虑设计余量，运放输出电压选择1.65±1.5V的区间。
2. 评估放大倍数、采样电阻一般地我们选择放大倍数为10~50倍，以此来评估采样电阻取值，放大倍数越大采样电阻越小但更容易引入干扰，因为小电流时电阻两端电压太小了。这里我们选取10倍的增益。取样电阻可以计算出来为15毫欧。
3. 评估增益带宽积，根据电机参数，可以计算出3000转时，电流频率为：350Hz,上述确定增益为10，增益带宽积为3.5Khz,因此运放增益带宽积选择大过3.5Khz数倍以上即可。同时注意到PWM频率为20Khz,当增益带宽积小于200Khz时，对PWM耦合的干扰有抑制作用。
4. 压摆率选择，这个涉及到ADC采样频率，假设采样频率与PWM频率一致(MOS下管导通时采样)，一般期望采样时运放能立即输出对应的电压，所以压摆率计算频率f = 20000Hz,根据上述条件输出最大变化为3V(其实应该是1.5V，留余量)，则可以计算压摆率SR = (2 x 3.14 x 20000 x 3) / 1000000 ≈ 0.38V/us，选择运放时，比这个值大就行。
5. 是否选择轨至轨运放，由条件1，运放供电若为3.3V，则根据运放规格书描述，输出低电压<0.15V,运放输出高电压>3.15V即可。