用于電機(jī)控制、電池壽命的精確電流檢測(cè)

當(dāng)今的汽車(chē)——不僅是混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)，還有那些只使用汽油或柴油燃料的汽車(chē)——越來(lái)越依賴(lài)于電子設(shè)備。在這些汽車(chē)系統(tǒng)中，電流監(jiān)控對(duì)于確保長(zhǎng)期性能和可靠性至關(guān)重要。電流檢測(cè)對(duì)于正確的電機(jī)控制和電池監(jiān)控至關(guān)重要。自動(dòng)駕駛汽車(chē)等復(fù)雜且高度敏感的系統(tǒng)需要極其準(zhǔn)確的檢測(cè)反饋，以確保必要的功能和安全性。

對(duì)于電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，一切都圍繞著電氣測(cè)試展開(kāi)。關(guān)鍵參數(shù)與電力電子相關(guān)：開(kāi)關(guān)頻率、電壓和電流、感應(yīng)和反電動(dòng)勢(shì) （EMF）、電池容量和放電速度、逆變器和轉(zhuǎn)換器的熱管理以及電源再生調(diào)節(jié)。其他參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)相角和片材幾何形狀、磁鐵位置和流線。

電機(jī)控制系統(tǒng)需要精確測(cè)量電機(jī)繞組電流。直接測(cè)量是最準(zhǔn)確的方法，但脈沖調(diào)制 （PWM） 信號(hào)的高振蕩使實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性。PWM 抑制技術(shù)可以在不犧牲測(cè)量精度的情況下提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率并降低最小占空比。

運(yùn)動(dòng)感應(yīng)

電流測(cè)量可在各種應(yīng)用中提供信息。例如，在低功耗消費(fèi)電子產(chǎn)品中，除了在過(guò)流保護(hù)電路中啟用關(guān)鍵的安全相關(guān)決策外，還可以監(jiān)控電源電流以了解對(duì)電池壽命的影響。

有效的電流檢測(cè)對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、自動(dòng)換檔、變速器控制、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射控制和主動(dòng)懸架等汽車(chē)控制系統(tǒng)至關(guān)重要。所有這些功能都需要使用有源和反饋傳感器進(jìn)行精確的電流調(diào)節(jié)以提供自動(dòng)化控制。對(duì)于自動(dòng)化控制應(yīng)用，測(cè)量電流意味著了解電機(jī)的速度和方向。

與電源模塊的接口允許控制模塊調(diào)節(jié)電機(jī)中的電流量。電機(jī)電流通常通過(guò)使用 H 橋電路提供調(diào)制幅度電壓 （PWM） 來(lái)控制（圖 1）。電機(jī)帶有感性負(fù)載；因此，扭矩是通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生的紋波電流的平均值來(lái)確定的。

圖 1：H 橋電路確定電機(jī)方向和速度。

在電機(jī)控制電路中測(cè)量電流有兩個(gè)主要原因：故障保護(hù)和為電機(jī)控制算法提供輸入。過(guò)流保護(hù)電路用于檢測(cè)可能指示系統(tǒng)故障的超出范圍的操作條件。該電路可以識(shí)別失速狀況或電機(jī)故障，并允許系統(tǒng)采取行動(dòng)防止?jié)撛趽p壞。

在線電流感應(yīng)提供更快的響應(yīng)和更高的精度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的效率。它再現(xiàn)了不需要進(jìn)一步處理的相電流的連續(xù)比例信號(hào)。然而，PWM 共模信號(hào)給電流檢測(cè)放大器帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，最大限度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能需要選擇一個(gè)電流檢測(cè)放大器，以最大限度地減少 PWM 信號(hào)的影響。

電流測(cè)量

電動(dòng)開(kāi)關(guān)無(wú)刷直流電機(jī) （BLDC） 的拓?fù)涮峁┧姆N汽車(chē)運(yùn)行模式來(lái)監(jiān)控電流：高側(cè)直流鏈路檢測(cè)、低側(cè)直流鏈路檢測(cè)、低側(cè)相位檢測(cè)和串聯(lián)相位檢測(cè)（圖 2） ）。

圖 2：BLDC 電機(jī)中的電流測(cè)量

低側(cè)相位檢測(cè)可以更容易地確定電機(jī)的相電流，但它不是一種精確的方法。它可能會(huì)引入與相電流相關(guān)的誤差。低側(cè)相位檢測(cè)還引入了與系統(tǒng)接地相關(guān)的電機(jī)質(zhì)量變化。由于敏感元件的位置，與高側(cè)和低側(cè)直流鏈路保護(hù)相比，此實(shí)施中的故障檢測(cè)受到限制。

通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的電流拓?fù)湫枰褂镁哂懈唔憫?yīng)速度的放大器來(lái)響應(yīng)每個(gè)部分中監(jiān)控的電流的動(dòng)態(tài)行為。在許多情況下，只測(cè)量?jī)蓚€(gè)相位，而在控制器中計(jì)算第三個(gè)相位。

主要挑戰(zhàn)是共模電壓是 PWM 信號(hào)，除非啟用適當(dāng)?shù)?PWM 抑制電路，否則會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)中斷。這導(dǎo)致對(duì)電流檢測(cè)放大器的要求更加嚴(yán)格，它必須具有出色的直流和交流共模抑制比 （CMRR） 以及高直流精度（低輸入失調(diào)電壓）。一些設(shè)備測(cè)量沿一個(gè)方向流動(dòng)的電流。雙向放大器測(cè)量流經(jīng)檢測(cè)電阻器的兩個(gè)方向的電流。

電流感應(yīng)放大器

MAX40056 是一款高精度、高電壓、雙向放大器，適用于 PWM 應(yīng)用，例如伺服電機(jī)控制和螺線管操作。MAX40056 具有 PWM 抑制電路，是電機(jī)控制應(yīng)用中高壓電流檢測(cè)的高效新解決方案。工程師可以通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)來(lái)提高性能，從而改進(jìn)控制算法。

圖 3：MAX40056 的框圖

審核編輯：郭婷