电动机控制系统的PWM抑制技术

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

当今的汽车-不仅是混合动力汽车和电动汽车，而且还包括仅使用汽油或柴油燃料的汽车-越来越依赖于电子产品。在这些汽车系统中，电流监控对于确保长期性能和可靠性至关重要。电流检测对于正确的电动机控制和电池监控至关重要。复杂和高度敏感的系统（例如自动驾驶汽车）需要极其精确的检测反馈，以确保提供必要的功能和安全性。

对于电动动力总成，一切都围绕着电气测试。关键参数与电力电子设备有关：开关频率，电压和电流，感应和反电动势（EMF），电池容量和放电速度，逆变器和转换器的热管理以及功率再生的调节。其他参数包括发动机/发电机相角和薄板几何形状，磁体位置和流线。

电动机控制系统需要精确测量电动机绕组电流。直接测量是最准确的方法，但是带调制的脉冲（PWM）信号的高振荡使实现具有挑战性。PWM抑制技术可以在不牺牲测量精度的情况下提高发动机效率并降低最小占空比。

电机感应

电流测量可提供各种应用程序中的信息。例如，在低功耗消费类电子产品中，除了能够在过流保护电路中做出与安全相关的决定外，还可以监控电源电流以了解对电池寿命的影响。

有效的电流感应对于汽车控制系统至关重要，例如电动助力转向，自动变速，变速箱控制，发动机燃油喷射控制和主动悬架。所有这些功能都需要使用有源和反馈传感器进行精确的电流调节，以提供自动化控制。对于自动化控制应用，测量电流意味着知道电动机的速度和方向。

与电源模块的接口允许控制模块调节电动机中的电流量。电机电流通常通过使用H桥电路（图1）提供调制幅度电压（PWM）来控制。电机有感性负载；因此，扭矩是通过计算产生的纹波电流的平均值来确定的。

图1：H桥电路确定电动机的方向和速度。
（图片：Maxim Integrated）

在电机控制电路中测量电流的原因主要有两个：故障保护和为电机控制算法提供输入。过流保护电路用于检测可能指示系统故障的超范围工作条件。该电路可以识别失速情况或电动机故障，并允许系统采取措施以防止潜在的损坏。

在线电流感测提供更快的响应和更高的精度，从而提高了发动机控制系统的效率。它产生不需要进一步处理的相电流的连续比例信号。但是，PWM共模信号给电流感测放大器带来了挑战。因此，要使发动机控制系统的性能最大化，就需要选择一个电流感应放大器，以最大程度地减小PWM信号的影响。

当前测量

电动无刷直流电动机（BLDC）的拓扑结构提供了四种用于监视电流的汽车运行模式：高端直流链路检测，低端直流链路检测，低端相位检测和在线相位检测（图2） ）。

图2：BLDC电机中的电流测量结果（图片：Maxim Integrated）

低侧相位检测可以更轻松地确定电动机的相电流，但这不是一种精确的方法。它可能会引入与相电流有关的误差。低侧相位检测还会引起与系统接地有关的电动机质量变化。由于敏感元件的位置，与高侧和低侧直流母线保护相比，此实施方式中的故障检测受到限制。
通过驱动器的电流的拓扑要求使用具有高响应速度的放大器来响应在每个部分中监视的电流的动态行为。在许多情况下，仅测量两个阶段，而在控制器中计算出第三阶段。

主要挑战在于，共模电压是PWM信号，除非启用了适当的PWM抑制电路，否则会导致输出信号中断。这导致对电流感测放大器的要求更加严格，该电流感测放大器必须具有出色的DC和AC共模抑制比（CMRR）以及高DC精度（低输入失调电压）。一些设备测量在一个方向上流动的电流。双向放大器测量在两个方向上流过检测电阻器的电流。

电流感测放大器

MAX40056是高精度，高压，双向放大器，用于PWM应用，例如伺服电机控制和螺线管操作。MAX40056具有PWM抑制电路，是电机控制应用中高压电流检测的高效新型解决方案。工程师可以通过减少发动机低速运行时的振动来提高性能，从而改善控制算法。

图3：MAX40056的框图（图片：Maxim Integrated）