如何實(shí)現(xiàn)精確且堅(jiān)固的電機(jī)控制傳感系統(tǒng)

為了正確驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的速度和扭矩，它需要反饋精度和信號(hào)完整性，以在電機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性。本文比較了三種電機(jī)控制測(cè)量策略——低側(cè)、高側(cè)和串聯(lián)電流檢測(cè)——以準(zhǔn)確捕獲電機(jī)相位數(shù)據(jù)，并推薦適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)保持交流電機(jī)三腿的相位關(guān)系。

現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)需要反饋精度和信號(hào)完整性，以正確驅(qū)動(dòng)速度和扭矩等系統(tǒng)響應(yīng)，并在電機(jī)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性（圖 1）。

在捕獲電機(jī)信息時(shí)，有三種電機(jī)控制測(cè)量策略：低側(cè)、高側(cè)或串聯(lián)（也是直接繞組）電流感應(yīng)（圖 2）。

圖 2：用于電機(jī)速度和扭矩傳感的低側(cè)、高側(cè)和串聯(lián)電路選項(xiàng)

讓我們來(lái)看看三種電機(jī)控制方法中的每一種。

低端電機(jī)電流傳感器

低成本、低側(cè)電流檢測(cè)應(yīng)用在柵極驅(qū)動(dòng) FET 堆棧的底部使用放大器和檢測(cè)電阻器 （R L ）。低端傳感系統(tǒng)使放大器在接近地面的情況下運(yùn)行，并連續(xù)捕獲每條腿的安培活動(dòng)。

作為一個(gè)優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)電阻器 （R L ） 和放大器靠近接地，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。此外，檢測(cè)電阻頂部的同相放大器輸入對(duì)其高同相端子輸入阻抗的干擾有限。

作為一個(gè)缺點(diǎn)，接地和電機(jī)支路之間的電流檢測(cè)電阻會(huì)增加不希望的動(dòng)態(tài)電壓降并中斷接地路徑。這個(gè)添加的電阻器 R L會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)電壓，可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾 （EMI） 噪聲問(wèn)題。

如果負(fù)載對(duì)地短路，R L電阻將失去檢測(cè)負(fù)載故障的能力。檢測(cè)電阻器和放大器的組合捕獲電機(jī)反激和返回電流。除非在每條腿中使用檢測(cè)電阻器和放大器，否則計(jì)算繞組電流的唯一方法是使用微控制器 （MCU） 算法。

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高側(cè)電機(jī)電流傳感器

高側(cè)電阻器直接連接到 FET 驅(qū)動(dòng)器正電源，可將電阻器的動(dòng)態(tài)交流電壓對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響降至最低。這種配置侵入性較小，產(chǎn)生的 EMI 特性最小。此外，高共模抑制比 （CMRR） 差分放大器可濾除脈寬調(diào)制器 （PWM） 開(kāi)關(guān)噪聲。

高端方法要求電路處理 FET 網(wǎng)絡(luò)電源電壓下的大共模信號(hào)。這一要求需要一個(gè)強(qiáng)大的放大器來(lái)處理潛在的高電壓。最后，R H的電路位置使反激和繞組電流測(cè)量成為不可能。

直列式電機(jī)電流傳感器

串聯(lián)（或直接繞組）是首選方法，因?yàn)樗峁┝苏鎸?shí)的電流相位信息。在直接繞組配置中，系統(tǒng)處理器在任何給定時(shí)間都知道三相電機(jī)各相的電流，從而實(shí)現(xiàn)更高效的電機(jī)運(yùn)行（圖 3）。

圖 3. 用于電機(jī)控制的在線電流檢測(cè)

在圖 3中，MCU 同時(shí)對(duì)所有三個(gè)腿進(jìn)行采樣，以保持每個(gè)腿激勵(lì)之間的相位關(guān)系。

用于在線測(cè)量的理想放大器可放大每個(gè)電機(jī)支路的差分信號(hào)，同時(shí)抑制 PWM 共模瞬變。具有快速建立時(shí)間和高帶寬的放大器可以抑制共模瞬變。強(qiáng)大的 PWM 抑制有助于實(shí)現(xiàn)最快的建立時(shí)間和更高的精度，并使客戶能夠?qū)?PWM 占空比降至盡可能接近 0%。

對(duì)于堅(jiān)固的電機(jī)控制系統(tǒng)，建議使用抑制共模瞬變的在線、快速建立時(shí)間、高帶寬放大器。一個(gè)例子是 300kHz MAX40056，這是一款雙向電流檢測(cè)放大器，具有高交流 PWM 邊沿、50V 時(shí)的 60dB 抑制和 ±500V/μs（圖 4）。

圖 4. 具有專利 PWM 抑制電路的電流檢測(cè)放大器 （CSA）

在圖 4中，有 10 V/V、20 V/V 和 50 V/V 的多種增益選擇。內(nèi)部基準(zhǔn)提供 1% 的雙向偏移。

該器件具有從 500-V/μs 和更高 PWM 邊沿恢復(fù)的 500-ns PWM 邊沿。輸入共模電壓范圍為 –0.1 V 至 65 V，放大器在 –5 V 至 70 V 范圍內(nèi)受到保護(hù)。MAX40056 和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明 PWM 共?？箶_度存在顯著差異（圖 5） 。

圖 5：50V PWM 周期的 PWM 邊沿抑制。

在圖 5中，MAX40056 CSA 的模擬輸出顯示出輕微的顛簸并在 500 ns 內(nèi)恢復(fù)，而競(jìng)爭(zhēng)器件則需要大約 2 μs 才能恢復(fù)。CSA 的專利 PWM 抑制輸入抑制瞬變并提供清晰的差分信號(hào)測(cè)量。

結(jié)論

在比較了三種電機(jī)控制策略后，推薦的電機(jī)控制檢測(cè)方法是在線電流檢測(cè)。它提供了強(qiáng)大的電流檢測(cè)電路，可保持交流電機(jī)三支路的相位關(guān)系?！　?/p>