用于在线电机控制的增强型 PWM 抑制的五个好处

解决问题的方法几乎总是不止一种。有时，使用最广泛的方法并不会产生最大的好处。从事电机控制项目的系统设计人员使用各种电流测量方法来确保电机高效运行并防止可能的损坏。在电机设计中测量电流的主要方法有三种。在这篇博文中，我将回顾这三种方法，并分享使用增强型脉宽调制 (PWM) 抑制进行在线电机电流检测的 5 大优势。

如图 1 所示，在三相电机驱动系统中测量电流基本上有三种不同的方法：低侧、直流链路和串联。虽然图 1 显示了驱动带有三对功率 MOSFET（绝缘栅双极晶体管 IGBT 也很常见）的直流电机所需的传统三相 PWM 逆变器，但该图还包括通常用于用于严重故障情况，例如对地短路。

图 1：三相电机驱动系统的各种电流检测方法

许多设计人员使用前两种方法（低侧、直流链路及其各种组合），因为标准电流检测解决方案很容易获得——通常具有快速响应时间、更高带宽、快速输出压摆率和低共模输入电压。但仅仅因为可以通过低侧或直流链路检测相电流的产品可用并不意味着这些解决方案代表了最简单的方法。以这些方式测量电流背后的想法是尝试复制被驱动到电机绕组中的电流。这种复制工作发生在软件中；它可能非常复杂，而且从来都不是真正准确的。

在线电流检测方法似乎是最合乎逻辑的，因为这是您最终要测量的电流，但这种方法存在挑战。驱动 MOSFET 或 IGBT 的 PWM 信号会对电流检测放大器造成严重破坏。检测电阻器上的共模信号从电源电压驱动到地，具有非常快的瞬态开关特性，而电流检测放大器则试图测量检测电阻器本身的小差分信号。图 2 是 PWM 逆变器产生的正弦相电流（红色波形）的示波器截图。在这种情况下，PWM 频率为 100 千赫 (kHz)，由LMG5200 提供GaN 半桥功率级（更多详细信息可在底部说明的 TI 设计中找到）。请注意，在线电流检测放大器在测量相电流时会受到快速开关信号的影响。如果我可以打个比方，这就像尝试测量杯子中的液体，因为它在飓风期间漂浮在海面上。难怪大多数设计师使用低边感应！到目前为止 …

图 2：在快速共模瞬变中测量相电流

在描述潜在的好处之前，让我解释一下增强型 PWM 抑制。增强型 PWM 抑制是一种有源电路，可强制输出电压比传统方法更快地稳定。由于具有快速转换的输入共模信号被电流检测放大器检测到，这些干扰在通过设备输出传播时被最小化。减少这些干扰（或设计师亲切地称之为“振铃”）的另一种方法是使用高带宽放大器（在 MHz 范围内）尽快稳定输出，但这可能是一个昂贵的提议。

图 3 显示了没有引入噪声的每个相位的输出电压信号。红色波形代表信号，表明电子换向的功率晶体管尽可能地将正弦波形复制到电机上。电流检测放大器将经历从电源轨（例如，V BATT = 48V）到地的输入共模电压信号。

图 3：由于增强的 PWM 抑制导致的预期电压波形

好处#1：减少消隐时间

共模 PWM 瞬态抑制可减少电流检测放大器输出端的“振铃”。必须等待电压信号稳定是一个主要缺点，特别是对于需要低占空比 (≤10%) 的系统，因为进行电流测量的时间缩短了（业界通常称为消隐时间）。

优势 2：在线电流感应

再加上高共模输入电压，增强的 PWM 抑制允许在线监控电流。如前所述，由于其所处的恶劣环境，电流检测放大器的稳健性是必不可少的。除了此要求之外，放大器还必须具有高交流和直流精度，以便为系统设计人员提供精确的电流传感器测量，您可以在TI 技术说明中阅读有关使用 INA240 进行串联电机电流感测的更多信息。

好处#3：可能消除电流隔离

增强型 PWM 抑制的另一个好处是微妙但重要的。借助增强的 PWM 抑制，当电流隔离不是系统要求的一部分时，设计人员可以不再使用隔离式电流感测设备。客户通常使用隔离设备来去耦 PWM 信号通过检测电阻时产生的噪声。增强型 PWM 抑制不再需要这种去耦。

好处#4：算法优化

我之前提到过这个好处——算法优化。借助增强的 PWM 抑制，复制或计算相电流的需求不再是问题，因为答案已直接提供。只需要最少的软件就可以有效地运行电机。

好处#5：提高电机效率

最后，我得到了最后一个好处，这对设计师来说可以说是最重要的——提高电机效率。电机制造商和电机驱动系统设计人员一直在寻找提高电机效率的方法。高交流和直流精度、快速输出响应和减少的消隐时间使电机能够以尽可能高的效率运行。多相电机的精确定时控制尽可能减少消隐时间，从而最大限度地提高电机效率。

图 4 显示了五个好处。

图 4：增强型 PWM 抑制的五个好处