增強(qiáng)型PWM抑制功能對(duì)于直列式電機(jī)控制的五大優(yōu)勢(shì)

解決問(wèn)題的方法通常不止一種。有時(shí)使用最廣泛的方法并不會(huì)產(chǎn)生最大利益。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)中有三種主要方法可測(cè)量電流。在本博文中，將回顧這三種方法，并分享直列式電機(jī)電流感應(yīng)使用增強(qiáng)型脈沖寬度調(diào)制（PWM）抑制的五大優(yōu)勢(shì)。

如圖1所示，基本上有三種不同的方法來(lái)測(cè)量三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電流：低側(cè)、直流鏈路和直列測(cè)量。圖1所示的是傳統(tǒng)三相PWM逆變器，該逆變器使用三對(duì)功率MOSFET（絕緣柵雙極晶體管IGBT也很常見(jiàn)）來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。該圖還包括高側(cè)電流感應(yīng)，其通常在顯著錯(cuò)誤情況下使用，比如接地電路短路的情況。

圖1：三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種電流感應(yīng)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)電流感應(yīng)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(guò)低側(cè)或直流鏈路感應(yīng)相電流，但并不意味著就是最簡(jiǎn)單的解決方案。用這些方式測(cè)量電流的主導(dǎo)思想是試圖復(fù)制被驅(qū)動(dòng)到電機(jī)繞組中的電流。這種復(fù)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(yīng)方法看似是最合理的，因?yàn)檫@是最終要測(cè)量的電流。但這種方法存在一個(gè)問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT的PWM信號(hào)對(duì)電流感應(yīng)放大器造成嚴(yán)重破壞。感測(cè)電阻處的共模信號(hào)從電源電壓被驅(qū)動(dòng)到接地，具有非?？焖俚乃矐B(tài)開(kāi)關(guān)特性，而電流感應(yīng)放大器試圖測(cè)量感測(cè)電阻本身的小差分信號(hào)。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(jí)提供（更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)底部的TI設(shè)計(jì)）。需要注意的是，快速開(kāi)關(guān)信號(hào)是直列式電流感應(yīng)放大器測(cè)量相電流時(shí)所接收的信號(hào)。這就像在有颶風(fēng)的情況下，當(dāng)杯子在海上漂浮，而試圖測(cè)量杯中液體一樣。難怪大多數(shù)設(shè)計(jì)師會(huì)考慮使用低側(cè)感應(yīng)！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(cè)量相電流

描述潛在優(yōu)勢(shì)之前，先解釋一下增強(qiáng)型PWM抑制。增強(qiáng)型PWM抑制是一種有源電路，它比傳統(tǒng)方法更快速的穩(wěn)定輸出電壓。因?yàn)殡娏鞲袘?yīng)放大器可以檢測(cè)具有快速轉(zhuǎn)變的輸入共模信號(hào)，所以這些擾動(dòng)在設(shè)備輸出傳播時(shí)將降至最低。減少這些干擾（被設(shè)計(jì)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(méi)有噪聲引入的情況下，每個(gè)相的輸出電壓信號(hào)。紅色波形是信號(hào)，表示功率晶體管盡可能接近正弦波形地復(fù)制到電動(dòng)機(jī)，該晶體管以電子方式換向。電流感應(yīng)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(hào)。

圖3：使用增強(qiáng)型PWM抑制的預(yù)期電壓波形

優(yōu)勢(shì)1：減少消隱時(shí)間
共模PWM瞬態(tài)抑制允許在電流感應(yīng)放大器的輸出上具有較少的“振鈴”。不得不等待電壓信號(hào)穩(wěn)定是主要的缺點(diǎn)，特別是對(duì)于需要低忙閑度（≤10％）的系統(tǒng)更是如此，因?yàn)闇y(cè)量電流的時(shí)間縮短了（在工業(yè)上通常稱為消隱時(shí)間）。

優(yōu)勢(shì)2：直列電流感應(yīng)
與高共模輸入電壓相結(jié)合，增強(qiáng)型PWM抑制可監(jiān)控直列式電流。前面討論過(guò)，由于其暴露的惡劣環(huán)境，電流感應(yīng)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(jì)人員提供精確的電流傳感器測(cè)量，您可在TI TechNote中使用INA240閱讀更多的直列式電機(jī)電流感應(yīng)的信息。

優(yōu)勢(shì)3：可能消除電隔離
增強(qiáng)型PWM抑制的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)很微妙，但又很重要。通過(guò)增強(qiáng)型PWM抑制，當(dāng)電流隔離并非系統(tǒng)所要求時(shí)，設(shè)計(jì)人員無(wú)需使用隔離的電流感應(yīng)設(shè)備?？蛻艚?jīng)常使用隔離設(shè)備來(lái)解耦PWM信號(hào)通過(guò)感測(cè)電阻時(shí)產(chǎn)生的噪聲。使用增強(qiáng)型PWM抑制不再需要去耦。

優(yōu)勢(shì)4：算法優(yōu)化
我之前提到過(guò)這一優(yōu)勢(shì)——算法優(yōu)化。利用增強(qiáng)型PWM抑制，不需要再?gòu)?fù)制或計(jì)算相電流，因?yàn)榭芍苯拥玫浆F(xiàn)成答案。只需很少的軟件就能有效地運(yùn)行電機(jī)。

優(yōu)勢(shì)5：提高電機(jī)效率
我想談?wù)勛詈笠粋€(gè)優(yōu)勢(shì)——提高電機(jī)效率，這對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)講可以說(shuō)是最重要的。電機(jī)制造商和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一直在尋找提高電機(jī)效率的方法。高AC和DC精度、快速的輸出響應(yīng)和減少消隱時(shí)間使得電機(jī)以盡可能高的效率運(yùn)行。多相電機(jī)的精確定時(shí)控制盡可能地減少消隱時(shí)間，從而最大化電機(jī)效率。

圖4所示為五大優(yōu)勢(shì)。

圖4：增強(qiáng)型PWM抑制的五大優(yōu)勢(shì)

德州儀器的INA240電流感應(yīng)放大器使用增強(qiáng)型PWM抑制，為您的電機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了豐富的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。