用于在線電機(jī)控制的增強(qiáng)型 PWM 抑制的五個(gè)好處

解決問題的方法幾乎總是不止一種。有時(shí)，使用最廣泛的方法并不會(huì)產(chǎn)生最大的好處。從事電機(jī)控制項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用各種電流測(cè)量方法來確保電機(jī)高效運(yùn)行并防止可能的損壞。在電機(jī)設(shè)計(jì)中測(cè)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(qiáng)型脈寬調(diào)制 (PWM) 抑制進(jìn)行在線電機(jī)電流檢測(cè)的 5 大優(yōu)勢(shì)。

如圖 1 所示，在三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中測(cè)量電流基本上有三種不同的方法：低側(cè)、直流鏈路和串聯(lián)。雖然圖 1 顯示了驅(qū)動(dòng)帶有三對(duì)功率 MOSFET（絕緣柵雙極晶體管 IGBT 也很常見）的直流電機(jī)所需的傳統(tǒng)三相 PWM 逆變器，但該圖還包括通常用于用于嚴(yán)重故障情況，例如對(duì)地短路。

圖 1：三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種電流檢測(cè)方法

許多設(shè)計(jì)人員使用前兩種方法（低側(cè)、直流鏈路及其各種組合），因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)解決方案很容易獲得——通常具有快速響應(yīng)時(shí)間、更高帶寬、快速輸出壓擺率和低共模輸入電壓。但僅僅因?yàn)榭梢酝ㄟ^低側(cè)或直流鏈路檢測(cè)相電流的產(chǎn)品可用并不意味著這些解決方案代表了最簡(jiǎn)單的方法。以這些方式測(cè)量電流背后的想法是嘗試復(fù)制被驅(qū)動(dòng)到電機(jī)繞組中的電流。這種復(fù)制工作發(fā)生在軟件中；它可能非常復(fù)雜，而且從來都不是真正準(zhǔn)確的。

在線電流檢測(cè)方法似乎是最合乎邏輯的，因?yàn)檫@是您最終要測(cè)量的電流，但這種方法存在挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng) MOSFET 或 IGBT 的 PWM 信號(hào)會(huì)對(duì)電流檢測(cè)放大器造成嚴(yán)重破壞。檢測(cè)電阻器上的共模信號(hào)從電源電壓驅(qū)動(dòng)到地，具有非?？斓乃矐B(tài)開關(guān)特性，而電流檢測(cè)放大器則試圖測(cè)量檢測(cè)電阻器本身的小差分信號(hào)。圖 2 是 PWM 逆變器產(chǎn)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(jí)（更多詳細(xì)信息可在底部說明的 TI 設(shè)計(jì)中找到）。請(qǐng)注意，在線電流檢測(cè)放大器在測(cè)量相電流時(shí)會(huì)受到快速開關(guān)信號(hào)的影響。如果我可以打個(gè)比方，這就像嘗試測(cè)量杯子中的液體，因?yàn)樗陲Z風(fēng)期間漂浮在海面上。難怪大多數(shù)設(shè)計(jì)師使用低邊感應(yīng)！到目前為止 …

圖 2：在快速共模瞬變中測(cè)量相電流

在描述潛在的好處之前，讓我解釋一下增強(qiáng)型 PWM 抑制。增強(qiáng)型 PWM 抑制是一種有源電路，可強(qiáng)制輸出電壓比傳統(tǒng)方法更快地穩(wěn)定。由于具有快速轉(zhuǎn)換的輸入共模信號(hào)被電流檢測(cè)放大器檢測(cè)到，這些干擾在通過設(shè)備輸出傳播時(shí)被最小化。減少這些干擾（或設(shè)計(jì)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(nèi)）盡快穩(wěn)定輸出，但這可能是一個(gè)昂貴的提議。

圖 3 顯示了沒有引入噪聲的每個(gè)相位的輸出電壓信號(hào)。紅色波形代表信號(hào)，表明電子換向的功率晶體管盡可能地將正弦波形復(fù)制到電機(jī)上。電流檢測(cè)放大器將經(jīng)歷從電源軌（例如，V BATT = 48V）到地的輸入共模電壓信號(hào)。

圖 3：由于增強(qiáng)的 PWM 抑制導(dǎo)致的預(yù)期電壓波形

好處#1：減少消隱時(shí)間

共模 PWM 瞬態(tài)抑制可減少電流檢測(cè)放大器輸出端的“振鈴”。必須等待電壓信號(hào)穩(wěn)定是一個(gè)主要缺點(diǎn)，特別是對(duì)于需要低占空比 (≤10%) 的系統(tǒng)，因?yàn)檫M(jìn)行電流測(cè)量的時(shí)間縮短了（業(yè)界通常稱為消隱時(shí)間）。

優(yōu)勢(shì) 2：在線電流感應(yīng)

再加上高共模輸入電壓，增強(qiáng)的 PWM 抑制允許在線監(jiān)控電流。如前所述，由于其所處的惡劣環(huán)境，電流檢測(cè)放大器的穩(wěn)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供精確的電流傳感器測(cè)量，您可以在TI 技術(shù)說明中閱讀有關(guān)使用 INA240 進(jìn)行串聯(lián)電機(jī)電流感測(cè)的更多信息。

好處#3：可能消除電流隔離

增強(qiáng)型 PWM 抑制的另一個(gè)好處是微妙但重要的。借助增強(qiáng)的 PWM 抑制，當(dāng)電流隔離不是系統(tǒng)要求的一部分時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以不再使用隔離式電流感測(cè)設(shè)備。客戶通常使用隔離設(shè)備來去耦 PWM 信號(hào)通過檢測(cè)電阻時(shí)產(chǎn)生的噪聲。增強(qiáng)型 PWM 抑制不再需要這種去耦。

好處#4：算法優(yōu)化

我之前提到過這個(gè)好處——算法優(yōu)化。借助增強(qiáng)的 PWM 抑制，復(fù)制或計(jì)算相電流的需求不再是問題，因?yàn)榇鸢敢阎苯犹峁Ｖ恍枰钌俚能浖涂梢杂行У剡\(yùn)行電機(jī)。

好處#5：提高電機(jī)效率

最后，我得到了最后一個(gè)好處，這對(duì)設(shè)計(jì)師來說可以說是最重要的——提高電機(jī)效率。電機(jī)制造商和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直在尋找提高電機(jī)效率的方法。高交流和直流精度、快速輸出響應(yīng)和減少的消隱時(shí)間使電機(jī)能夠以盡可能高的效率運(yùn)行。多相電機(jī)的精確定時(shí)控制盡可能減少消隱時(shí)間，從而最大限度地提高電機(jī)效率。

圖 4 顯示了五個(gè)好處。

圖 4：增強(qiáng)型 PWM 抑制的五個(gè)好處