高精度高邊檢流放大器監(jiān)測(cè)PWM負(fù)載電流

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)中的電流檢測(cè)

　　EPS不同于傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它沒(méi)有液壓泵或液體。而是將一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向齒條上。駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器檢測(cè)方向盤(pán)的位置和轉(zhuǎn)速。該信息與來(lái)自安裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器輸入一起送至助力轉(zhuǎn)向控制模塊。為了確定所需要的轉(zhuǎn)向助力，控制模塊接受來(lái)自于車(chē)速傳感器、牽引力控制和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的輸入（圖1）。



圖1. 典型EPS系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖

　　與動(dòng)力模塊的接口允許控制模塊調(diào)節(jié)電機(jī)電流。增大電機(jī)電流則增大助力，反之亦然。電機(jī)電流往往通過(guò)采用H橋電路（圖2）送入脈寬調(diào)制（PWM）電壓進(jìn)行控制。以下的真值表（表1）匯總了H橋電路的不同工作模式。電機(jī)表現(xiàn)為感性負(fù)載，所以通過(guò)平均產(chǎn)生的脈動(dòng)電流確定扭矩-為駕駛員提供最終助力。



圖2. 該H橋的4個(gè)柵極信號(hào)相位決定電機(jī)的方向和速度

表1. H橋真值表



　　電流測(cè)量器件檢測(cè)電機(jī)電流并向控制模塊提供實(shí)時(shí)反饋，使該模塊調(diào)節(jié)PWM占空比，直到電流達(dá)到其目標(biāo)值。測(cè)量電機(jī)電流的常用方法是與電流通路串聯(lián)一個(gè)低值檢測(cè)電阻，該電阻上產(chǎn)生一個(gè)小壓降。該差分電壓被電流檢測(cè)放大器放大，表示電流幅值。

　　電流檢測(cè)提供三個(gè)選項(xiàng)：低邊、高邊和電機(jī)上。相對(duì)應(yīng)地，可將檢測(cè)電阻置于H橋和地之間（低邊電流檢測(cè)）、直流總線(xiàn)基部或電池正極端子和H橋之間（高邊電流檢測(cè)），或者直流總線(xiàn)的高邊或電機(jī)本身（輸出電機(jī)PWM電流檢測(cè)）。需要對(duì)這些替代方案進(jìn)行不同的折中。低邊方法比較方便，但是在接地回路增加了所不希望的電阻，并且它缺少檢測(cè)對(duì)地短路故障的診斷能力。無(wú)論是高邊還是低邊方法，都能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)二極管中的電流。然而，PWM電流檢測(cè)沒(méi)有這些缺點(diǎn)。

　　PWM電流測(cè)量電路可能看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是它所需的性能參數(shù)卻非比尋常。電路必須處理從地到電池電壓之間的滿(mǎn)擺幅共模電壓。所以，為了抑制共模電壓偏移，電路不僅必須具有與該擺幅對(duì)應(yīng)的高輸入電壓范圍，而且必須在開(kāi)關(guān)頻率及擺率引起的相關(guān)頻率處具有出色的CMRR.

　　共模瞬態(tài)和PWM信號(hào)的最小占空比也對(duì)電流檢測(cè)放大器的建立時(shí)間提出了苛刻要求。為了獲得高精度和線(xiàn)性響應(yīng)，電流測(cè)量電路必須具有高增益、高精度，以及低失調(diào)電壓。由于人工干預(yù)是控制環(huán)路的一部分，所以線(xiàn)性度和精度尤其關(guān)鍵。電路中的任何非線(xiàn)性都會(huì)造成車(chē)輛在轉(zhuǎn)向過(guò)度時(shí)產(chǎn)生擺動(dòng)或振動(dòng)，從而影響駕駛體驗(yàn)。

　　在圖3所示的電機(jī)電流控制和測(cè)量電路中，電機(jī)連接為H橋配置，由于所加電壓極性很容易反接，使其能夠向任一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所示IC能夠承受的共模電壓從-20V至+75V,使其不受感性負(fù)載、拋負(fù)荷瞬態(tài)電壓及電池反接故障的影響。器件還集成了測(cè)量放大器，擁有專(zhuān)利的直流反饋架構(gòu)提供精密電流檢測(cè)，輸入失調(diào)電壓為400?V （最大），增益誤差為0.6% （最大）。外部基準(zhǔn)電壓支持H橋所需的雙向電流檢測(cè)，以及工作于半橋H橋電路時(shí)的單向電流檢測(cè)。雙向應(yīng)用中，當(dāng)檢測(cè)電壓為零時(shí)，輸出電壓等于基準(zhǔn)電壓?？烧{(diào)增益和固定增益方式使該部件能夠在各種應(yīng)用中都具有最大靈活性。



圖3. PWM兼容的H橋電流檢測(cè)電路

螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)

　　螺線(xiàn)管被作為汽車(chē)中的機(jī)電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用。例如，標(biāo)準(zhǔn)螺線(xiàn)管為啟動(dòng)電機(jī)提供大電流驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，多種汽車(chē)控制系統(tǒng)采用螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)進(jìn)行精密控制。例如，鐵路上使用的柴油機(jī)系統(tǒng)依靠螺線(xiàn)管作為精密的電子控制閥，它將正確的油量直接噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)高壓汽缸。這些閥門(mén)的定時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元精密控制，確保與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同步。這樣就能形成相對(duì)綠色的發(fā)送機(jī)，噪聲更低，排放更少，更具燃油效率。螺線(xiàn)管控制的其它應(yīng)用包括自動(dòng)變速、傳動(dòng)控制、制動(dòng)控制以及主動(dòng)懸掛。

　　高邊開(kāi)關(guān)通常為FET,其柵極由PWM信號(hào)控制（圖4）。FET導(dǎo)通時(shí)，它將螺線(xiàn)管連接至14V電池電壓，產(chǎn)生電流，對(duì)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈充電；FET截止時(shí)，螺線(xiàn)管通過(guò)箝位二極管和分流電阻放電。PWM頻率和占空比的調(diào)節(jié)決定螺線(xiàn)管中的平均脈動(dòng)電流，進(jìn)而控制施加至執(zhí)行器的力。



圖4. 圖中典型的螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)電流采用高邊分流

　　為了調(diào)節(jié)PWM頻率和占空比而檢測(cè)螺線(xiàn)管電流的挑戰(zhàn)與H橋應(yīng)用中類(lèi)似。電流檢測(cè)放大器輸入處的共模電壓范圍從電池電壓低至略為負(fù)值水平（箝位二極管的壓降）。典型螺線(xiàn)管需要幾個(gè)安培的電流，所以能承受這一電流的箝位二極管所呈現(xiàn)的正向偏壓高于1V.

　　同樣，電流檢測(cè)放大器的寬輸入共模范圍和響應(yīng)共模變動(dòng)的快速建立時(shí)間非常適合于該項(xiàng)應(yīng)用。該應(yīng)用與H橋的主要區(qū)別是螺線(xiàn)管電流流動(dòng)的方向總相同，因此電流檢測(cè)放大器僅需是單向（MAX9918的基準(zhǔn)輸入（REFIN）連接至地時(shí)，即變?yōu)閱蜗螂娏鳈z測(cè)放大器）。

　　實(shí)驗(yàn)室結(jié)果

　　圖5所示為作為實(shí)驗(yàn)室原型的螺線(xiàn)管典型應(yīng)用電路。用2mH電感模擬螺線(xiàn)管，1.6Ω低ESR.檢測(cè)電阻為100mΩ，15Ω的R4將螺線(xiàn)管最大電流限制為：

　　IMAX = VBAT/（RSENSE + ESR + R4） = 12V/（0.1 + 1.6 + 15）Ω = 0.72A

　?。ㄗ⒁?，實(shí)際螺線(xiàn)管電路中沒(méi)有R4.）

　　該最大電流值為電感完全充電時(shí)達(dá)到的理論限值。圖中所示的電阻和電感值將電路時(shí)間常數(shù)設(shè)定為大約0.12ms,相當(dāng)于大約8.3kHz.外部電阻R1 = 1kΩ和R2 = 79kΩ設(shè)定的增益為80.



圖5. 該螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)電流為實(shí)驗(yàn)原型

　　采用PWM頻率5kHz、占空比分別為80% （圖6）和50% （圖7）的波形，說(shuō)明圖5所示電路的工作。頂部波形為R4的電壓，與電感通過(guò)的電流成比例。中間波形為電流檢測(cè)放大器的輸出，底部波形所示為PFET漏極的PWM信號(hào)。占空比越大，產(chǎn)生的電流越大，與預(yù)期相符。



圖6. 來(lái)自于圖5電路的波形，采用5kHz PWM頻率，80%占空比（頂部波形為R4電壓，中間波形為電流檢測(cè)放大器的輸出，底部波形為pFET柵極的PWM信號(hào)）。



圖7. 來(lái)自于圖5電路的波形，采用5kHz PWM頻率，50%占空比（頂部波形為R4電壓，中間波形為電流檢測(cè)放大器的輸出，底部波形為pFET柵極PWM信號(hào)）。

　　綜上所述，利用高精度、高壓、高邊電流檢測(cè)放大器，例如MAX9918,能夠以較小的檢測(cè)電阻進(jìn)行精密測(cè)量。它能夠處理EPS等系統(tǒng)中常見(jiàn)的H橋驅(qū)動(dòng)雙向電機(jī)電流，以及自動(dòng)變速、傳動(dòng)控制、制動(dòng)控制和主動(dòng)懸掛中常見(jiàn)的單相螺線(xiàn)管電流。