高邊檢流放大器監(jiān)測(cè)PWM負(fù)載電流

高精度、高邊電流檢測(cè)對(duì)于汽車控制系統(tǒng)至關(guān)重要，例如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、自動(dòng)變速、傳動(dòng)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射控制、制動(dòng)閥控制、以及主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。所有這些應(yīng)用都需要精密調(diào)節(jié)通過(guò)電機(jī)或螺線管的電流，以控制電機(jī)扭矩或螺線管驅(qū)動(dòng)。本文介紹的電路采用精密、高邊檢流放大器，用于監(jiān)測(cè)寬輸入共模電壓范圍內(nèi)的負(fù)載電流。該電路適用于由于電感、電池反接或瞬態(tài)事件會(huì)造成輸入共模電壓達(dá)到負(fù)壓的應(yīng)用。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)中的電流檢測(cè)

EPS不同于傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它沒(méi)有液壓泵或液體。而是將一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向齒條上。駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器檢測(cè)方向盤(pán)的位置和轉(zhuǎn)速。該信息與來(lái)自安裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器輸入一起饋送至助力轉(zhuǎn)向控制模塊。為確定所需的轉(zhuǎn)向助力，控制模塊接受來(lái)自車速傳感器、牽引力控制和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的輸入(圖1)。

連接動(dòng)力模塊的接口允許控制模塊調(diào)節(jié)電機(jī)電流。增大電機(jī)電流則增大助力，反之亦然。電機(jī)電流往往通過(guò)采用H橋電路(圖2)送入脈寬調(diào)制(PWM)電壓進(jìn)行控制。以下的真值表(表1)匯總了H橋電路的不同工作模式。電機(jī)可作為電感負(fù)載，因此扭矩通過(guò)對(duì)產(chǎn)生的紋波電流進(jìn)行平均來(lái)確定，即為駕駛員提供的最終助力。

電流測(cè)量器件監(jiān)測(cè)電機(jī)電流并向控制模塊提供實(shí)時(shí)反饋，從而使該模塊調(diào)節(jié)PWM占空比，直到電流達(dá)到其目標(biāo)值。測(cè)量電機(jī)電流的常用方法是與電流路徑串聯(lián)一個(gè)低值檢測(cè)電阻，該電阻上產(chǎn)生一個(gè)小壓降。該差分電壓被電流檢測(cè)放大器放大，以表示電流幅值。

電流檢測(cè)提供三個(gè)選項(xiàng)：低邊、高邊和電機(jī)上。相對(duì)應(yīng)地，可將檢測(cè)電阻置于H橋和地之間(低邊電流檢測(cè))、直流總線基部或電池正極端子和H橋之間(高邊電流檢測(cè))，或者直流總線的高邊或電機(jī)本身(輸出電機(jī)PWM電流檢測(cè))。需要對(duì)這些替代方案進(jìn)行不同的折衷。低邊方法較方便，但是在接地回路增加了不需要的電阻，并且它缺少檢測(cè)對(duì)地短路故障的診斷能力。無(wú)論是高邊還是低邊方法，都能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)二極管中的電流。不過(guò)PWM電流檢測(cè)沒(méi)有這些缺點(diǎn)。

PWM電流測(cè)量電路可能看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是它必須的性能條件卻非比尋常。電路必須處理從地到電池電壓之間的滿擺幅共模電壓。因此，為抑制共模電壓偏移，電路不僅必須具有與該擺幅對(duì)應(yīng)的高輸入電壓范圍，而且必須在開(kāi)關(guān)頻率及信號(hào)緣變化率(edge rate)引起的相關(guān)頻率處具有出色的CMRR。

共模瞬態(tài)和PWM信號(hào)的最小占空比也對(duì)電流檢測(cè)放大器的建立時(shí)間提出了苛刻要求。為獲得高精度和線性響應(yīng)，電流測(cè)量電路必須具有高增益、高精度，以及低失調(diào)電壓。由于人工干預(yù)是控制環(huán)路的一部分，因此線性度和精度尤其關(guān)鍵。電路中的任何非線性特征都會(huì)造成車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)度時(shí)產(chǎn)生擺動(dòng)或振動(dòng)，從而影響駕駛體驗(yàn)。

在圖3所示的電機(jī)電流控制和測(cè)量電路中，電機(jī)采用H橋配置連接(這是因?yàn)橥饧与妷簶O性很容易反接)，使其能夠向任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中IC能夠承受的共模電壓從-20V至+75V，因此不受電感反激電路、拋負(fù)荷瞬態(tài)電壓及電池反接故障的影響。該器件還集成了測(cè)量放大器，擁有專利的直流反饋架構(gòu)提供精密電流檢測(cè)，輸入失調(diào)電壓為400μV(最大)，增益誤差為0.6%(最大)。外部基準(zhǔn)電壓支持H橋所需的雙向電流檢測(cè)，以及工作于半橋H橋電路時(shí)的單向電流檢測(cè)。雙向應(yīng)用中，當(dāng)檢測(cè)電壓為零時(shí)，輸出電壓等于基準(zhǔn)電壓。可調(diào)增益和固定增益方式使得該部件能夠在各種應(yīng)用中都具有最大靈活性。