發布日期：2022-04-20 點擊率：60
解決問題的方法幾乎總是不止一種。有時，使用最廣泛的方法并不會產生最大的好處。從事電機控制項目的系統設計人員使用各種電流測量方法來確保電機高效運行并防止可能的損壞。在電機設計中測量電流的主要方法有三種。在這篇博文中，我將回顧這三種方法，并分享使用增強型脈寬調制 (PWM) 抑制進行在線電機電流檢測的 5 大優勢。
如圖 1 所示，在三相電機驅動系統中測量電流基本上有三種不同的方法：低側、直流鏈路和串聯。雖然圖 1 顯示了驅動帶有三對功率 MOSFET（絕緣柵雙極晶體管 IGBT 也很常見）的直流電機所需的傳統三相 PWM 逆變器，但該圖還包括通常用于用于嚴重故障情況，例如對地短路。
圖 1：三相電機驅動系統的各種電流檢測方法
許多設計人員使用前兩種方法（低側、直流鏈路及其各種組合），因為標準電流檢測解決方案很容易獲得——通常具有快速響應時間、更高帶寬、快速輸出壓擺率和低共模輸入電壓。但僅僅因為可以通過低側或直流鏈路檢測相電流的產品可用并不意味著這些解決方案代表了最簡單的方法。以這些方式測量電流背后的想法是嘗試復制被驅動到電機繞組中的電流。這種復制工作發生在軟件中；它可能非常復雜，而且從來都不是真正準確的。
在線電流檢測方法似乎是最合乎邏輯的，因為這是您最終要測量的電流，但這種方法存在挑戰。驅動 MOSFET 或 IGBT 的 PWM 信號會對電流檢測放大器造成嚴重破壞。檢測電阻器上的共模信號從電源電壓驅動到地，具有非常快的瞬態開關特性，而電流檢測放大器則試圖測量檢測電阻器本身的小差分信號。圖 2 是 PWM 逆變器產生的正弦相電流（紅色波形）的示波器截圖。在這種情況下，PWM 頻率為 100 千赫 (kHz)，由LMG5200 提供GaN 半橋功率級（更多詳細信息可在底部說明的 TI 設計中找到）。請注意，在線電流檢測放大器在測量相電流時會受到快速開關信號的影響。如果我可以打個比方，這就像嘗試測量杯子中的液體，因為它在颶風期間漂浮在海面上。難怪大多數設計師使用低邊感應！到目前為止 …
圖 2：在快速共模瞬變中測量相電流
在描述潛在的好處之前，讓我解釋一下增強型 PWM 抑制。增強型 PWM 抑制是一種有源電路，可強制輸出電壓比傳統方法更快地穩定。由于具有快速轉換的輸入共模信號被電流檢測放大器檢測到，這些干擾在通過設備輸出傳播時被最小化。減少這些干擾（或設計師親切地稱之為“振鈴”）的另一種方法是使用高帶寬放大器（在 MHz 范圍內）盡快穩定輸出，但這可能是一個昂貴的提議。
圖 3 顯示了沒有引入噪聲的每個相位的輸出電壓信號。紅色波形代表信號，表明電子換向的功率晶體管盡可能地將正弦波形復制到電機上。電流檢測放大器將經歷從電源軌（例如，V BATT = 48V）到地的輸入共模電壓信號。
圖 3：由于增強的 PWM 抑制導致的預期電壓波形
好處#1：減少消隱時間
共模 PWM 瞬態抑制可減少電流檢測放大器輸出端的“振鈴”。必須等待電壓信號穩定是一個主要缺點，特別是對于需要低占空比 (≤10%) 的系統，因為進行電流測量的時間縮短了（業界通常稱為消隱時間）。
優勢 2：在線電流感應
再加上高共模輸入電壓，增強的 PWM 抑制允許在線監控電流。如前所述，由于其所處的惡劣環境，電流檢測放大器的穩健性是必不可少的。除了此要求之外，放大器還必須具有高交流和直流精度，以便為系統設計人員提供精確的電流傳感器測量，您可以在TI 技術說明中閱讀有關使用 INA240 進行串聯電機電流感測的更多信息。
好處#3：可能消除電流隔離
增強型 PWM 抑制的另一個好處是微妙但重要的。借助增強的 PWM 抑制，當電流隔離不是系統要求的一部分時，設計人員可以不再使用隔離式電流感測設備。客戶通常使用隔離設備來去耦 PWM 信號通過檢測電阻時產生的噪聲。增強型 PWM 抑制不再需要這種去耦。
好處#4：算法優化
我之前提到過這個好處——算法優化。借助增強的 PWM 抑制，復制或計算相電流的需求不再是問題，因為答案已直接提供。只需要最少的軟件就可以有效地運行電機。
好處#5：提高電機效率
最后，我得到了最后一個好處，這對設計師來說可以說是最重要的——提高電機效率。電機制造商和電機驅動系統設計人員一直在尋找提高電機效率的方法。高交流和直流精度、快速輸出響應和減少的消隱時間使電機能夠以盡可能高的效率運行。多相電機的精確定時控制盡可能減少消隱時間，從而最大限度地提高電機效率。
圖 4 顯示了五個好處。
圖 4：增強型 PWM 抑制的五個好處
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