低漂移、高精度、直插式隔離磁性電機電流測量

隨著提升系統(tǒng)效率的需求不斷增長,我們面臨著改善電 機工作效率和控制功能的直接壓力。幾乎所有類型的電 機均面臨著這種需求壓力,包括以下領(lǐng)域中使用的電機: 

●   白色家電

●   工業(yè)驅(qū)動器

●   自動化

●   汽車應(yīng)用

在工作電壓較高且具有較高功率的系統(tǒng)中尤其如此。對于確保電機以峰值效率和性能運行而言,反饋到控制算法中的電機運行特性至關(guān)重要。相電流是系統(tǒng)控制器使用的這些重要診斷反饋要素(用于實現(xiàn)最佳的電機性能)之一。

由于測量信號具有連續(xù)性并與相電流直接相關(guān),因此測 量電機電流的理想位置應(yīng)直接與每個相位保持一致,如圖 1 所示。在其他位置(如每個相位的低側(cè))測量電流 需要首先對數(shù)據(jù)進行重新組合和處理,以便控制算法使 用有意義的數(shù)據(jù)。

圖 1. 直列式電流感應(yīng)

電機的驅(qū)動電路可生成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號來控制電機的運行。這些調(diào)制信號使與每個電機相位一致的測量電路經(jīng)受很大的電壓瞬變,這些瞬變每個周期在正負電源軌之間切換。理想的電流傳感器能夠完全抑制測量的共模電壓分量,并且僅測量相關(guān)的電流。TMCS1100 等封裝內(nèi)磁性電流傳感器使相電流流經(jīng)封裝引線框,從而 產(chǎn)生內(nèi)部磁場。然后,電隔離傳感器測量磁場,從而在 傳感器 IC 和隔離的相電流之間沒有任何直接電氣連接 的情況下提供電流測量。通過僅測量磁場,該傳感器可隔離高共模電壓,并提供出色的抗 PWM 開關(guān)瞬態(tài)性能。這可以實現(xiàn)出色的電機相電流測量,而不會由于較 大的 PWM 驅(qū)動輸入電壓階躍而在傳感器輸出端產(chǎn)生不 必要的干擾。

圖 2. 具有高瞬態(tài)抗擾度的電機相電流測量

圖 2 顯示了經(jīng)過 RC 濾波的 TMCS1100 輸出波形,以及電機相電壓和電流波形。只能觀察到由于測量寄生效應(yīng)引起的微小 PWM 耦合,TMCS1100 輸 出跟蹤電機相電流,而沒有 300V 開關(guān)事件引起的明顯輸出瞬態(tài)。

封裝內(nèi)磁性電流傳感器的獨特特性消除了測量電機相電 流的替代解決方案所面臨的許多挑戰(zhàn)。固有的電隔離提 供了承受高電壓的能力,并且輸出的高瞬態(tài)抗擾度降低 了由于開關(guān)事件引起的輸出噪聲。沒有該抗擾性的電流 感應(yīng)實現(xiàn)需要更高的帶寬,以縮短輸出干擾的建立時 間;磁性傳感器可以使用較低帶寬的信號鏈,而不犧牲 瞬態(tài)抗擾性。由于不需要外部電阻分流器、無源濾波或 相對于高電壓輸入的隔離電源,因此封裝內(nèi)磁性電流傳 感器還可以降低總體解決方案成本和設(shè)計復(fù)雜性。

表 1. 備選器件建議

對于相電流測量可提供過電流保護或診斷的應(yīng)用,磁 性電流傳感器的高瞬態(tài)抑制可防止由于輸出干擾而引起 的錯誤過流指示。在使用閉環(huán)電機控制算法的電機系統(tǒng)中,需要進行精確的相電流測量以優(yōu)化電機性能。過去,基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器具有很大的溫度、壽命 和遲滯誤差,這些誤差會降低電機效率、動態(tài)響應(yīng)并引 起非理想的誤差(如轉(zhuǎn)矩波動)。常見的系統(tǒng)級校準(zhǔn)技 術(shù)可以提高室溫下的精度,但是說明參數(shù)(如靈敏度和失調(diào)電壓)中的溫度漂移是具有挑戰(zhàn)性的。

德州儀器 (TI) 的磁性電流感應(yīng)產(chǎn)品通過采用已獲專利的線性化技術(shù)和零漂移架構(gòu)(可在整個溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定、精確的電流測量)來提高系統(tǒng)級性能。高精度傳感器嚴(yán)格控制相間電流測量誤差,從而保持精確的反饋控制并提供無縫的用戶體驗。

圖 3. 在整個溫度范圍內(nèi)的 TMCS1100 典型靈敏度誤差

TMCS1100 在室溫下具有小于 0.3% 的典型靈敏度誤 差，在 –40°C 至 125°C 的整個溫度范圍內(nèi)具有小于 0.85% 的最大靈敏度誤差。如圖 3 所示，這種在整個溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性通過最大程度地減小傳感器的溫度漂移提供了出色的相間匹配。除高靈敏度精度之外，該器件還具有小于 2mV 的輸出溫漂（如圖 4 所示），這極大地提高了測量動態(tài)范圍，并且即使在輕負載下也可以 進行精確的反饋控制。

圖 4. 在整個溫度范圍內(nèi)的 TMCS1100 典型輸出失調(diào)電壓

高靈敏度穩(wěn)定性和低失調(diào)電壓相結(jié)合，形成了業(yè)界領(lǐng)先的隔離式電流感應(yīng)解決方案，此解決方案在該器件的整個溫度范圍內(nèi)具有小于 1% 的總誤差。600V 的工作電壓和 3kV 的隔離柵使該器件能夠應(yīng)用于各種高電壓系統(tǒng)。TMCS1100 將測量溫度穩(wěn)定性、電隔離和瞬態(tài) PWM 輸入抑制功能結(jié)合在一起， 是需要精確且可靠的測量來實現(xiàn)精確控制性能的 PWM 驅(qū)動應(yīng)用（如電機相電流測量）的理想之選。

表 2. 相關(guān) TI 技術(shù)手冊