增強型PWM抑制功能對于直列式電機控制的五大優(yōu)勢

解決問題的方法通常不止一種。有時使用最廣泛的方法并不會產(chǎn)生最大利益。電機控制項目的系統(tǒng)設計人員使用各種電流測量方法確保電機高效運行并防止可能的損壞。在電機設計中有三種主要方法可測量電流。在本博文中，將回顧這三種方法，并分享直列式電機電流感應使用增強型脈沖寬度調(diào)制（PWM）抑制的五大優(yōu)勢。

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

圖1：三相電機驅(qū)動系統(tǒng)的各種電流感應方法

許多設計人員使用前兩種方法（低側(cè)、直流鏈路及其各種組合），因為標準電流感應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)品可通過低側(cè)或直流鏈路感應相電流，但并不意味著就是最簡單的解決方案。用這些方式測量電流的主導思想是試圖復制被驅(qū)動到電機繞組中的電流。這種復制情況發(fā)生在軟件中；它可廣泛參與，但不夠精確。

直列式電流感應方法看似是最合理的，因為這是最終要測量的電流。但這種方法存在一個問題。驅(qū)動MOSFET或IGBT的PWM信號對電流感應放大器造成嚴重破壞。感測電阻處的共模信號從電源電壓被驅(qū)動到接地，具有非常快速的瞬態(tài)開關特性，而電流感應放大器試圖測量感測電阻本身的小差分信號。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半橋功率級提供（更多詳細信息，請參見底部的TI設計）。需要注意的是，快速開關信號是直列式電流感應放大器測量相電流時所接收的信號。這就像在有颶風的情況下，當杯子在海上漂浮，而試圖測量杯中液體一樣。難怪大多數(shù)設計師會考慮使用低側(cè)感應！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量相電流

描述潛在優(yōu)勢之前，先解釋一下增強型PWM抑制。增強型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。因為電流感應放大器可以檢測具有快速轉(zhuǎn)變的輸入共模信號，所以這些擾動在設備輸出傳播時將降至最低。減少這些干擾（被設計者親切地稱為“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所示為在沒有噪聲引入的情況下，每個相的輸出電壓信號。紅色波形是信號，表示功率晶體管盡可能接近正弦波形地復制到電動機，該晶體管以電子方式換向。電流感應放大器將經(jīng)歷從電源軌（例如，VBATT = 48V）到接地的輸入共模電壓信號。

圖3：使用增強型PWM抑制的預期電壓波形

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

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

優(yōu)勢3：可能消除電隔離
增強型PWM抑制的另一個優(yōu)勢很微妙，但又很重要。通過增強型PWM抑制，當電流隔離并非系統(tǒng)所要求時，設計人員無需使用隔離的電流感應設備?？蛻艚?jīng)常使用隔離設備來解耦PWM信號通過感測電阻時產(chǎn)生的噪聲。使用增強型PWM抑制不再需要去耦。

優(yōu)勢4：算法優(yōu)化
我之前提到過這一優(yōu)勢——算法優(yōu)化。利用增強型PWM抑制，不需要再復制或計算相電流，因為可直接得到現(xiàn)成答案。只需很少的軟件就能有效地運行電機。

優(yōu)勢5：提高電機效率
我想談談最后一個優(yōu)勢——提高電機效率，這對設計師來講可以說是最重要的。電機制造商和電機驅(qū)動系統(tǒng)設計者一直在尋找提高電機效率的方法。高AC和DC精度、快速的輸出響應和減少消隱時間使得電機以盡可能高的效率運行。多相電機的精確定時控制盡可能地減少消隱時間，從而最大化電機效率。

圖4所示為五大優(yōu)勢。

圖4：增強型PWM抑制的五大優(yōu)勢

德州儀器的INA240電流感應放大器使用增強型PWM抑制，為您的電機設計帶來了豐富的系統(tǒng)級優(yōu)勢。