应用笔记 5073

高精度高边检流放大器监测PWM负载电流

By: Maurizio Gavardoni

摘要 : 高精度高边电流检测对于汽车控制系统至关重要,例如电动助力转向、自动变速、传动控制、发动机燃料喷射控制、制动阀控制、以及主动悬挂系统。所有这些应用都需要精密调节通过电机或螺线管的电流,以控制电机扭矩或螺线管驱动。本文介绍的电路采用精密、高边检流放大器(MAX9918),用于监测宽输入共模电压范围内的负载电流。该电路适合于由于电感、电池反接或瞬态事件会造成输入共模电压达到负压的应用。

本应用笔记于2011年3月3日发表在www.edn.com网站。

电动助力转向(EPS)系统中的电流检测

EPS不同于传统的助力转向系统,它没有液压泵或液体。而是将一个电动机通过齿轮机构安装在转向齿条上。驾驶员转动方向盘时,转向传感器检测方向盘的位置和转速。该信息与来自安装在转向轴上的转向扭矩传感器输入一起送至助力转向控制模块。为了确定所需要的转向助力,控制模块接受来自于车速传感器、牵引力控制和稳定性控制系统的输入(图1)。

图1. 典型EPS系统的简化方框图
图1. 典型EPS系统的简化方框图

与动力模块的接口允许控制模块调节电机电流。增大电机电流则增大助力,反之亦然。电机电流往往通过采用H桥电路(图2)送入脉宽调制(PWM)电压进行控制。以下的真值表(表1)汇总了H桥电路的不同工作模式。电机表现为感性负载,所以通过平均产生的脉动电流确定扭矩—为驾驶员提供最终助力。

图2. 该H桥的4个栅极信号相位决定电机的方向和速度
图2. 该H桥的4个栅极信号相位决定电机的方向和速度

表1. H桥真值表
Φ1A Φ1B Φ2A Φ2B Condition
ON ON OFF OFF The motor is powered between VBAT and ground and its current IM increases and flows as indicated by the arrow.
OFF ON OFF ON The current IM flows as shown by the arrow, but decreases and circulates through Φ1B, Φ2B, and the sense resistor.
OFF OFF ON ON The motor is powered between VBAT and ground, and its current IM increases and flows in a direction opposite to the arrow.
OFF ON OFF ON The current IM flows in a direction opposite to the arrow. It also decreases and circulates through Φ2B, Φ1B, and the sense resistor.

电流测量器件检测电机电流并向控制模块提供实时反馈,使该模块调节PWM占空比,直到电流达到其目标值。测量电机电流的常用方法是与电流通路串联一个低值检测电阻,该电阻上产生一个小压降。该差分电压被电流检测放大器放大,表示电流幅值。

电流检测提供三个选项:低边、高边和电机上。相对应地,可将检测电阻置于H桥和地之间(低边电流检测)、直流总线基部或电池正极端子和H桥之间(高边电流检测),或者直流总线的高边或电机本身(输出电机PWM电流检测)。需要对这些替代方案进行不同的折中。低边方法比较方便,但是在接地回路增加了所不希望的电阻,并且它缺少检测对地短路故障的诊断能力。无论是高边还是低边方法,都能够持续监测二极管中的电流。然而,PWM电流检测没有这些缺点。

PWM电流测量电路可能看起来简单,但是它所需的性能参数却非比寻常。电路必须处理从地到电池电压之间的满摆幅共模电压。所以,为了抑制共模电压偏移,电路不仅必须具有与该摆幅对应的高输入电压范围,而且必须在开关频率及摆率引起的相关频率处具有出色的CMRR。

共模瞬态和PWM信号的最小占空比也对电流检测放大器的建立时间提出了苛刻要求。为了获得高精度和线性响应,电流测量电路必须具有高增益、高精度,以及低失调电压。由于人工干预是控制环路的一部分,所以线性度和精度尤其关键。电路中的任何非线性都会造成车辆在转向过度时产生摆动或振动,从而影响驾驶体验。

图3所示的电机电流控制和测量电路中,电机连接为H桥配置,由于所加电压极性很容易反接,使其能够向任一方向转动。所示IC能够承受的共模电压从-20V至+75V,使其不受感性负载、抛负荷瞬态电压及电池反接故障的影响。器件还集成了测量放大器,拥有专利的直流反馈架构提供精密电流检测,输入失调电压为400µV (最大),增益误差为0.6% (最大)。外部基准电压支持H桥所需的双向电流检测,以及工作于半桥H桥电路时的单向电流检测。双向应用中,当检测电压为零时,输出电压等于基准电压。可调增益和固定增益方式使该部件能够在各种应用中都具有最大灵活性。

图3. PWM兼容的H桥电流检测电路
图3. PWM兼容的H桥电流检测电路

螺线管驱动电流检测

螺线管被作为汽车中的机电开关广泛应用。例如,标准螺线管为启动电机提供大电流驱动,启动发动机。然而,多种汽车控制系统采用螺线管驱动进行精密控制。例如,铁路上使用的柴油机系统依靠螺线管作为精密的电子控制阀,它将正确的油量直接喷射至发动机的每个高压汽缸。这些阀门的定时由发动机控制单元精密控制,确保与柴油发动机同步。这样就能形成相对“绿色”的发送机,噪声更低,排放更少,更具燃油效率。螺线管控制的其它应用包括自动变速、传动控制、制动控制以及主动悬挂。

高边开关通常为FET,其栅极由PWM信号控制(图4)。FET导通时,它将螺线管连接至14V电池电压,产生电流,对螺线管线圈充电;FET截止时,螺线管通过箝位二极管和分流电阻放电。PWM频率和占空比的调节决定螺线管中的平均脉动电流,进而控制施加至执行器的力。

图4. 图中典型的螺线管驱动电流采用高边分流
图4. 图中典型的螺线管驱动电流采用高边分流

为了调节PWM频率和占空比而检测螺线管电流的挑战与H桥应用中类似。电流检测放大器输入处的共模电压范围从电池电压低至略为负值水平(箝位二极管的压降)。典型螺线管需要几个安培的电流,所以能承受这一电流的箝位二极管所呈现的正向偏压高于1V。

同样,电流检测放大器的宽输入共模范围和响应共模变动的快速建立时间非常适合于该项应用。该应用与H桥的主要区别是螺线管电流流动的方向总相同,因此电流检测放大器仅需是单向(MAX9918的基准输入(REFIN)连接至地时,即变为单向电流检测放大器)。

实验室结果

图5所示为作为实验室原型的螺线管典型应用电路。用2mH电感模拟螺线管,1.6Ω低ESR。检测电阻为100mΩ,15Ω的R4将螺线管最大电流限制为:

IMAX = VBAT/(RSENSE + ESR + R4) = 12V/(0.1 + 1.6 + 15)Ω = 0.72A
(注意,实际螺线管电路中没有R4。)

该最大电流值为电感完全充电时达到的理论限值。图中所示的电阻和电感值将电路时间常数设定为大约0.12ms,相当于大约8.3kHz。外部电阻R1 = 1kΩ和R2 = 79kΩ设定的增益为80。

图5. 该螺线管驱动电流为实验原型
图5. 该螺线管驱动电流为实验原型

采用PWM频率5kHz、占空比分别为80% (图6)和50% (图7)的波形,说明图5所示电路的工作。顶部波形为R4的电压,与电感通过的电流成比例。中间波形为电流检测放大器的输出,底部波形所示为PFET漏极的PWM信号。占空比越大,产生的电流越大,与预期相符。

图6. 来自于图5电路的波形,采用5kHz PWM频率,80%占空比(顶部波形为R4电压,中间波形为电流检测放大器的输出,底部波形为pFET栅极的PWM信号)。)
图6. 来自于图5电路的波形,采用5kHz PWM频率,80%占空比(顶部波形为R4电压,中间波形为电流检测放大器的输出,底部波形为pFET栅极的PWM信号)。

图7. 来自于图5电路的波形,采用5kHz PWM频率,50%占空比(顶部波形为R4电压,中间波形为电流检测放大器的输出,底部波形为pFET栅极PWM信号)。
图7. 来自于图5电路的波形,采用5kHz PWM频率,50%占空比(顶部波形为R4电压,中间波形为电流检测放大器的输出,底部波形为pFET栅极PWM信号)。

综上所述,利用高精度、高压、高边电流检测放大器,例如MAX9918,能够以较小的检测电阻进行精密测量。它能够处理EPS等系统中常见的H桥驱动双向电机电流,以及自动变速、传动控制、制动控制和主动悬挂中常见的单相螺线管电流。
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