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随着电气化接管汽车工业，精确的电机控制变得更加重要。无论是电动助力转向、电子稳定控制、自动制动系统，还是自动驾驶汽车，都需要对这些电机进行精确控制，以确保安全高效的运行。
在本文中，我将讨论测量在线电机相电流的挑战。我将回顾如何通过各种电流传感放大器解决这些问题，并介绍一种新的方法来解决这个挑战。最后，我将讨论如何利用精密电流测量来优化电机控制方案。
为什么要测量电机控制电流?
在电机控制电路中测量电流主要有两个原因:
•故障保护
•输入电机控制算法
过流保护电路用于检测超出范围的工作条件，这可能表明系统中的故障。这个电路用于识别失速状态，不良连接，甚至电机的健康状况。通过检测过流情况何时发生，它允许系统采取行动，以防止潜在的损害。这可以从简单的过电流检测电路到控制电路的复杂电流监测。
电机控制器主要利用电流测量来获取电机转矩的信息。测量的电流与电机转矩成正比。电流测量还可以用来确定电机转动的速度。这样的速度信息可以通过了解控制算法如何影响当前水平来计算。
三相电机控制电流监测选项
本文的重点是测量三相拓扑的电流．该拓扑结构通常用于无刷直流(BLDC)电机的电换向，提供四种工作模式:运行、滑行、制动和反向。这是最复杂的电机配置。在这种拓扑结构中，有四种检测电流的方式:高侧直流链路检测、低侧直流链路检测、低侧相位检测和直路相位检测(图1)．
高端直流环节传感通常仅用于故障检测。它的优点是具有稳定的共模电压，并使电机故障检测。然而，根据电机的不同，共模电压可能会非常高，这限制了可用于该实现的器件的选择。此外，驱动器电流，这实际上是什么被测量，并不一定等于电机相电流。
下部直流环节传感通常也只用于故障检测。它的优点是共模电压本质上为0v，拓宽了可用解决方案的范围。然而，它不允许电机故障检测。此外，驱动器的电流，实际上是被测量的，并不一定等于电机的相电流。在这个位置确定相电流需要非常高速，高转速放大器和控制器中相当复杂的算法。
下部相位传感允许更容易的确定电机相电流，但它不是一个确切的等效。因此，相对于真相电流，可能会引入误差。低侧相位传感还引入了电机相对于系统接地的接地变化。由于感知元素的位置，故障检测在该实现中受到限制。
它的优点是有更多的实现选项，因为共模电压基本上是接地的，这使得使用低压放大器成为可能。然而，由于通过驱动器的电流的性质，高回转率放大器再次需要响应在每个分支中被监测的电流的动态特性。在许多情况下，只有两个相位被测量，第三个相位在控制器中计算。
最后,在线阶段传感提供真实的电机相电流测量，以优化信息的质量提供给电机控制算法。主要的挑战是，共模电压是脉冲宽度调制(PWM)信号，这会导致输出信号中断，除非良好的PWM抑制电路被启用。这导致对电流传感放大器的要求更加苛刻，必须具有非常好的直流和交流共模抑制比(CMRR)。
在线相电流测量
当在线测量时，对相电流没有猜测功。然而，正如我前面指出的，电流检测放大器看到的共模电压是必须被拒绝的高压PWM。电流检测放大器看到的信号频率有两个贡献者:
1.差分信号(有用信息)频带较窄，振幅较小。
2.共模PWM信号(无用)是宽带和大振幅。
理想的同轴电流检测放大器只处理差分信号，同时抑制共模信号。这种高电压和高ΔV/ΔT构成了一个陡峭的挑战，限制了合适的电流检测放大器的可用性。这往往限制了这种拓扑的采用，只有那些应用需要精确的相电流测量，如电子动力转向系统。
减小PWM对放大器输出的影响
共模PWM信号导致不平衡输入，干扰电流检测放大器的输出。一个理想的系统应该忽略这个对输入的干扰而有一个稳定的输出。大多数用于直线电机控制的电流检测放大器都使用高带宽来解决干扰(图2)．
这个设定时间要求系统设计者在控制算法中加入消隐时间。这个消隐时间用来忽略电流检测放大器的输出，直到输出达到可接受的稳定水平。理想的沉降水平(例如，5%，1%或0.1%)将直接影响必须实施的冲裁时间的长短。较长的消隐时间需要较低的PWM频率。
相反，更高的PWM频率提高电机效率。新德州仪器公司INA240采用增强的PWM抑制设计，以最小化所需的消隐时间，从而提高电机控制系统的可实现效率(图3)．
总结
如果相电流的准确表示对系统的运行至关重要，那么在线电机传感是最好的选择。在线电流检测提供了更快的响应速度和更高的精度，从而提高了电机控制系统的效率。它再现了相电流的连续比例信号，不需要进一步处理。
然而，PWM共模信号对电流检测放大器提出了挑战。选择电流传感放大器，使PWM信号的影响最小化，这对最大化您的电机控制系统的性能至关重要。
如果您对本文有疑问，您可以向TI E2E社区论坛提出您的问题电流传感．
引用:
低漂移，精度，在线电机电流测量与增强PWM抑制， TI TechNotes (SBOA160)， 2016年7月。
INA240数据表。
