解決問題的方法通常不止一種。有時使用最廣泛的方法并不會產(chǎn)生最大利益。電機控制項目的系統(tǒng)設(shè)計人員使用各種電流測量方法確保電機高效運行并防止可能的損壞。在電機設(shè)計中有三種主要方法可測量電流。在本博文中，將回顧這三種方法，并分享直列式電機電流感應使用增強型脈沖寬度調(diào)制（PWM）抑制的五大優(yōu)勢。
如圖1所示，基本上有三種不同的方法來測量三相電動機驅(qū)動系統(tǒng)中的電流：低側(cè)、直流鏈路和直列測量。圖1所示的是傳統(tǒng)三相PWM逆變器，該逆變器使用三對功率MOSFET（絕緣柵雙極晶體管IGBT也很常見）來驅(qū)動直流電動機。該圖還包括高側(cè)電流感應，其通常在顯著錯誤情況下使用，比如接地電路短路的情況。
圖1：三相電機驅(qū)動系統(tǒng)的各種電流感應方法
許多設(shè)計人員使用前兩種方法（低側(cè)、直流鏈路及其各種組合），因為標準電流感應解決方案很容易獲得——通常具有快速響應時間、更高帶寬、快速輸出轉(zhuǎn)換速率和低共模輸入電壓。但是，這些現(xiàn)有的產(chǎn)品可通過低側(cè)或直流鏈路感應相電流，但并不意味著就是最簡單的解決方案。用這些方式測量電流的主導思想是試圖復制被驅(qū)動到電機繞組中的電流。這種復制情況發(fā)生在軟件中；它可廣泛參與，但不夠精確。
直列式電流感應方法看似是最合理的，因為這是最終要測量的電流。但這種方法存在一個問題。驅(qū)動MOSFET或IGBT的PWM信號對電流感應放大器造成嚴重破壞。感測電阻處的共模信號從電源電壓被驅(qū)動到接地，具有非常快速的瞬態(tài)開關(guān)特性，而電流感應放大器試圖測量感測電阻本身的小差分信號。圖2是由PWM逆變器產(chǎn)生的正弦相電流（紅色波形）的示波器截圖。這種情況下，PWM頻率為100兆赫（MHz），由LMG5200 GaN半橋功率級提供（更多詳細信息，請參見底部的TI設(shè)計）。需要注意的是，快速開關(guān)信號是直列式電流感應放大器測量相電流時所接收的信號。這就像在有颶風的情況下，當杯子在海上漂浮，而試圖測量杯中液體一樣。難怪大多數(shù)設(shè)計師會考慮使用低側(cè)感應！下面我們將介紹另外一種方法。
圖2：在快速共模瞬變期間測量相電流
描述潛在優(yōu)勢之前，先解釋一下增強型PWM抑制。增強型PWM抑制是一種有源電路，它比傳統(tǒng)方法更快速的穩(wěn)定輸出電壓。因為電流感應放大器可以檢測具有快速轉(zhuǎn)變的輸入共模信號，所以這些擾動在設(shè)備輸出傳播時將降至最低。減少這些干擾（被設(shè)計者親切地稱為“振鈴”）的另一種方法是使用高帶寬放大器（在MHz范圍內(nèi)）盡快穩(wěn)定輸出，但這種方法的成本可能很昂貴。
圖3所示為在沒有噪聲引入的情況下，每個相的輸出電壓信號。紅色波形是信號，表示功率晶體管盡可能接近正弦波形地復制到電動機，該晶體管以電子方式換向。電流感應放大器將經(jīng)歷從電源軌（例如，VBATT = 48V）到接地的輸入共模電壓信號。
圖3：使用增強型PWM抑制的預期電壓波形
優(yōu)勢1：減少消隱時間
共模PWM瞬態(tài)抑制允許在電流感應放大器的輸出上具有較少的“振鈴”。不得不等待電壓信號穩(wěn)定是主要的缺點，特別是對于需要低忙閑度（≤10％）的系統(tǒng)更是如此，因為測量電流的時間縮短了（在工業(yè)上通常稱為消隱時間）。
優(yōu)勢2：直列電流感應
與高共模輸入電壓相結(jié)合，增強型PWM抑制可監(jiān)控直列式電流。前面討論過，由于其暴露的惡劣環(huán)境，電流感應放大器的魯棒性是必須的。除這一要求外，放大器還必須具有高AC和DC精度，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供精確的電流傳感器測量，您可在TI TechNote中使用INA240閱讀更多的直列式電機電流感應的信息。
優(yōu)勢3：可能消除電隔離
增強型PWM抑制的另一個優(yōu)勢很微妙，但又很重要。通過增強型PWM抑制，當電流隔離并非系統(tǒng)所要求時，設(shè)計人員無需使用隔離的電流感應設(shè)備。客戶經(jīng)常使用隔離設(shè)備來解耦PWM信號通過感測電阻時產(chǎn)生的噪聲。使用增強型PWM抑制不再需要去耦。
優(yōu)勢4：算法優(yōu)化
我之前提到過這一優(yōu)勢——算法優(yōu)化。利用增強型PWM抑制，不需要再復制或計算相電流，因為可直接得到現(xiàn)成答案。只需很少的軟件就能有效地運行電機。
優(yōu)勢5：提高電機效率
我想談談最后一個優(yōu)勢——提高電機效率，這對設(shè)計師來講可以說是最重要的。電機制造商和電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計者一直在尋找提高電機效率的方法。高AC和DC精度、快速的輸出響應和減少消隱時間使得電機以盡可能高的效率運行。多相電機的精確定時控制盡可能地減少消隱時間，從而最大化電機效率。
圖4所示為五大優(yōu)勢。
圖4：增強型PWM抑制的五大優(yōu)勢
德州儀器的INA240電流感應放大器使用增強型PWM抑制，為您的電機設(shè)計帶來了豐富的系統(tǒng)級優(yōu)勢。
|
