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來源：Digi-Key 作者：Bonnie Baker 在工業(yè) 4.0 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 時(shí)代，本地化智能以及機(jī)器與計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的連接使得系統(tǒng)更加智能。之所以需要這種連接，原因之一是生產(chǎn)系統(tǒng)和子系統(tǒng)可以受到監(jiān)測(cè)和控制，從而提高效率、可靠性和穩(wěn)定性。這個(gè)時(shí)代與工業(yè)電機(jī)密切相關(guān)，自動(dòng)化設(shè)施的大部分能源來自于工業(yè)電機(jī)，而電機(jī)故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線關(guān)閉。 因此，有效控制電機(jī)至關(guān)重要，特別是速度和扭矩，二者對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍影響甚大。為了有效控制這兩個(gè)參數(shù)，需要高反饋精度。要達(dá)到這種精度，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)選擇低壓側(cè)、高壓側(cè)或在線電流檢測(cè)，然后以最佳方式實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/電路" target="_blank" class="relatedlink">電路。 本文會(huì)簡(jiǎn)要討論這三種電流檢測(cè)方案，然后介紹在線電機(jī)電流傳感器中的理想放大器如何提供真實(shí)的電流相位信息。隨后會(huì)說明如何使用 Maxim Integrated 的具有脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 抑制功能的雙向電流檢測(cè)放大器 (CSA)，以便配置三相電機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)更有效的操作。 低壓側(cè)、高壓側(cè)抑或在線電流檢測(cè)？ 這三種檢測(cè)方案（低壓側(cè)、高壓側(cè)和在線）實(shí)現(xiàn)起來有很大差異（圖 1）。低壓側(cè)電機(jī)電流傳感器的設(shè)計(jì)使用檢測(cè)電阻和靠近接地的放大器（左下）。 
圖 1：用于電機(jī)速度和扭矩檢測(cè)的低壓側(cè)、高壓側(cè)和在線電路方案。（圖片來源：Analog Devices） 在這三種方案中，低壓側(cè)電流檢測(cè)電路是最直觀且最簡(jiǎn)單，適合消費(fèi)類應(yīng)用，因?yàn)槌杀拘б嫱谴祟悜?yīng)用的主要設(shè)計(jì)要求之一。 低壓側(cè)檢測(cè)電路的放大器靠近接地，依次捕捉每個(gè)分支的電流。電路在柵極驅(qū)動(dòng) FET 堆疊的底部具有低成本的通用運(yùn)算放大器，并有一個(gè)檢測(cè)電阻 (RS)，其共模電壓接近接地（圖 2）。對(duì)于高達(dá) 100 A 的負(fù)載電流，小型檢測(cè)電阻 (RS) 通常是印刷電路板的印制線電阻。
圖 2：該交流電機(jī)低壓側(cè)電流檢測(cè)電路使用 CMOS 放大器，其共模電壓達(dá)到放大器的負(fù)電源電壓。（圖片來源：Bonnie Baker） 圖 2 中，負(fù)載電流表示通過一個(gè)交流電機(jī)的 FET 堆疊的傳導(dǎo)電流。此電路要求放大器的共模輸入范圍涵蓋接地。放大器電路放大 RS 兩端的電壓，提供關(guān)于負(fù)載電流大小 (IL) 的電壓讀數(shù)。該電壓被饋送到放大器的非反相輸入端，增益為 (1 + RF / RG)，或大約 50 V/V。 Analog Devices 的 AD8691 可以用作放大器。這是一款低成本的通用運(yùn)算放大器，帶寬為 10 MHz。其 CMOS 輸入晶體管的典型輸入偏置電流為 0.2 pA，共模范圍為負(fù)供電電壓以下 -0.3 V。 放大器的輸出被饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。微控制器或其他處理器可以利用該數(shù)字化信號(hào)確定電機(jī)的狀態(tài)。 印刷電路板要求 低壓側(cè)電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。使用印刷電路板來創(chuàng)建 RS，很容易由于無意中增加檢測(cè)電阻值而產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了確保 RS 值準(zhǔn)確，從 RS 的頂部或正極端子到非反相運(yùn)算放大器的端子必須直接連接。此外，RS 的底部（負(fù)極）端子必須直接接地。印刷電路板的第二條設(shè)計(jì)要求確保檢測(cè)電阻的負(fù)極端子和放大器增益電阻 (RG) 的底部直接連接。 請(qǐng)注意，電流流經(jīng)印刷電路板的地平面，從而在其上產(chǎn)生電壓差。正常情況下，這不是問題。在低壓側(cè)傳感器電路中，使用低 RS 電阻使得電路對(duì)印刷電路板上的接地電壓降極為敏感。 銅的電阻溫度系數(shù)約為 0.4%/°C，因此 Rs 值隨溫度變化很大。在溫度變化較大的系統(tǒng)中，印刷電路板電阻會(huì)造成與溫度相關(guān)的誤差，從而引起一定程度的不穩(wěn)定性。為慎重起見，應(yīng)避免使用長印制線，以盡量減少 RS 誤差。此外，低壓側(cè)傳感器設(shè)計(jì)中使用的檢測(cè)電阻會(huì)增加不必要的動(dòng)態(tài)電壓降，導(dǎo)致電磁干擾 (EMI) 噪聲問題。 高壓側(cè)電流檢測(cè) 高壓側(cè)電機(jī)電流傳感器將電阻的動(dòng)態(tài)交流電壓影響和 EMI 降至最低。然而，這種設(shè)計(jì)需要使用穩(wěn)健的放大器來處理高電壓。 低壓側(cè)電流傳感器電路使用三個(gè)單通道運(yùn)算放大器來檢測(cè)每個(gè)交流電機(jī)分支的電流。這種方法很容易受到印刷電路板寄生電阻引起的誤差和近地測(cè)量誤差（也稱為 RS 電壓接地誤差）的影響。 高壓側(cè)電流傳感器電路使用差分放大器，其共模電壓接近電源電壓。對(duì)比低壓側(cè)電流傳感器電路的一些局限性，這種配置不容易受到接地干擾的影響，并且能夠檢測(cè)負(fù)載短路（圖 3）。
圖 3：交流電機(jī)高壓側(cè)電流檢測(cè)電路使用具有兩個(gè) PNP 輸入級(jí)的放大器，其共模電壓超出放大器的正負(fù)電源電壓。（圖片來源：Bonnie Baker） 運(yùn)算放大器必須具有軌至軌輸入，并且在 RS 端子具有等于或大于 VSUPPLY 的較大共模電壓。這很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闄z測(cè)放大器需要至少等于 VSUPPLY 的擴(kuò)展電壓源。因此，在高壓側(cè)檢測(cè)配置中，放大器的輸入共模需要與供電電壓 VSUPPLY 一樣高。 對(duì)于這種應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以選擇 Analog Devices 的 ADA4099-1。這是一款單通道、穩(wěn)健、精密、軌至軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，其輸入工作范圍為 V- 至 V+ 及更高。后一特性在規(guī)格書中被稱為“Over-The-Top”。 該器件的補(bǔ)償電壓小于 40 μV，輸入偏置電流 (IB) 小于 10 nA，采用 3.15 V 至 50 V 的單電源或分離式電源工作。ADA4099-1 每通道的靜態(tài)電流為 1.5 mA。 電阻器匹配 對(duì)于圖 3 中的高壓側(cè)電流檢測(cè)電路，外部電阻器（R1、R2、R3 和 R4）的精度直接決定測(cè)量精度。公式 1 用于計(jì)算圖 3 的差分增益：
公式 2 用于計(jì)算圖 3 的共模增益誤差：
公式 3 用于計(jì)算圖 3 的輸出電壓：
如果 R1 至 R4 為 1% 電阻器，則最壞情況下整體誤差的容差大于 5%。這 5% 的誤差意味著必須使用昂貴的、容差更小的電阻器。這種方法的主要缺點(diǎn)是精密電阻器要求導(dǎo)致的成本增加，R4/R3 和 R2/R1 的比值需滿足嚴(yán)格的容差，以克服較高共模電壓引起的誤差敏感性。 在線電流檢測(cè) 雖然其他解決方案也可行，但首選還是在線（或直接繞組）電機(jī)電流傳感器。這種方法提供真實(shí)的電流相位信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)快速建立時(shí)間和更高的共模瞬態(tài)抑制。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，用于在線測(cè)量的理想放大器是具有 PWM 抑制功能的雙向 CSA。這種放大器建立時(shí)間快，帶寬高，并能抑制共模瞬態(tài)。 為了實(shí)現(xiàn)高效電機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)處理器具有所有三個(gè)電機(jī)相位在任何給定時(shí)間的電流數(shù)據(jù)（圖 4）。
圖 4：在用于電機(jī)控制的在線電流檢測(cè)中，處理器具有所有三個(gè)電機(jī)相位在任何時(shí)刻的電流數(shù)據(jù)。（圖片來源：Analog Devices） 圖 4 中，MCU 利用 Analog Devices 的 MAX40056 雙向 CSA 同時(shí)對(duì)所有三個(gè)電機(jī)分支進(jìn)行采樣，因而保留了各分支激勵(lì)之間的相位關(guān)系。理想的在線放大器會(huì)放大每個(gè)電機(jī)分支的差分信號(hào)，同時(shí)抑制 PWM 的共模瞬態(tài)信號(hào)。強(qiáng)有力的 PWM 抑制有助于實(shí)現(xiàn)非常快的建立時(shí)間和更高的精度，設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地減小 PWM 占空比，使其接近 0%。 MAX40056 是一款單電源、高精度的雙向 CSA，具有 -0.1 V 至 +65 V 的寬共模輸入范圍。輸入級(jí)提供保護(hù)，不受 -5 V 至 +70 V 的電壓尖峰和電感反沖影響。±5 μV（典型值）的輸入補(bǔ)償電壓和 0.05%（典型值）的增益誤差有助于確保系統(tǒng)誤差處于較低水平（圖 5）。
圖 5：MAX40056 CSA 的快速 PWM 抑制電路能夠抑制干擾，因此非常適合對(duì)感性負(fù)載（如電機(jī)繞組）進(jìn)行同相電流監(jiān)測(cè)。（圖片來源：Analog Devices） 圖 5 中，輸入級(jí)經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可抑制電機(jī)控制應(yīng)用中常見的快速 PWM 信號(hào)干擾。因此，MAX40056 非常適合對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行同相電流監(jiān)測(cè)，例如由 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)繞組和螺線管。MAX40056 的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，供電電壓為 +2.7 V 至 +5.5 V。 MAX40056 能在 500 ns 內(nèi)從 500 V/μs 及更快的 PWM 邊沿恢復(fù)。MAX40056 和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的基準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示出在 PWM 共模抗擾度方面存在顯著差異（圖 6）。
圖 6：使用 50 V PWM 周期的 PWM 邊沿抑制的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)比表明，MAX40056 在 PWM 共模瞬態(tài)抗擾度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。（圖片來源：Analog Devices） 圖 6 中，MAX40056 CSA 的模擬輸出出現(xiàn)一個(gè)較小激增，并在 500 ns 內(nèi)恢復(fù)，而競(jìng)爭(zhēng)器件需要大約 2 μs 才能恢復(fù)。CSA 的專利 PWM 抑制輸入技術(shù)能夠壓制瞬變，提供干凈的差分信號(hào)測(cè)量。 結(jié)語 工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)均強(qiáng)調(diào)更高水平的生產(chǎn)效率和可靠性，這必須落實(shí)到各個(gè)電機(jī)上。要找到合適的電路設(shè)計(jì)來構(gòu)建交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以控制速度和扭矩，從而確保穩(wěn)定性、可靠性和高能效，可能會(huì)很復(fù)雜。 如本文所述，使用理想放大器的在線電機(jī)電流傳感器方法可提供真實(shí)的電流相位信息。采用這種方法，并使用具有 PWM 抑制功能的 MAX40056 雙向 CSA，設(shè)計(jì)人員可以配置三相電機(jī)系統(tǒng)來精確測(cè)量三相交流電機(jī)系統(tǒng)的扭矩和速度，確保電機(jī)效率、可靠性和穩(wěn)定性。 |
