低漂移、高精度、直插式隔離磁性電機電流測量

隨著(zhù)提升系統效率的需求不斷增長(cháng),我們面臨著(zhù)改善電 機工作效率和控制功能的直接壓力。幾乎所有類(lèi)型的電 機均面臨著(zhù)這種需求壓力,包括以下領(lǐng)域中使用的電機: 

●   白色家電

●   工業(yè)驅動(dòng)器

●   自動(dòng)化

●   汽車(chē)應用

在工作電壓較高且具有較高功率的系統中尤其如此。對于確保電機以峰值效率和性能運行而言,反饋到控制算法中的電機運行特性至關(guān)重要。相電流是系統控制器使用的這些重要診斷反饋要素(用于實(shí)現最佳的電機性能)之一。

由于測量信號具有連續性并與相電流直接相關(guān),因此測 量電機電流的理想位置應直接與每個(gè)相位保持一致,如圖 1 所示。在其他位置(如每個(gè)相位的低側)測量電流 需要首先對數據進(jìn)行重新組合和處理,以便控制算法使 用有意義的數據。

圖 1. 直列式電流感應

電機的驅動(dòng)電路可生成脈寬調制 (PWM) 信號來(lái)控制電機的運行。這些調制信號使與每個(gè)電機相位一致的測量電路經(jīng)受很大的電壓瞬變,這些瞬變每個(gè)周期在正負電源軌之間切換。理想的電流傳感器能夠完全抑制測量的共模電壓分量,并且僅測量相關(guān)的電流。TMCS1100 等封裝內磁性電流傳感器使相電流流經(jīng)封裝引線(xiàn)框,從而 產(chǎn)生內部磁場(chǎng)。然后,電隔離傳感器測量磁場(chǎng),從而在 傳感器 IC 和隔離的相電流之間沒(méi)有任何直接電氣連接 的情況下提供電流測量。通過(guò)僅測量磁場(chǎng),該傳感器可隔離高共模電壓,并提供出色的抗 PWM 開(kāi)關(guān)瞬態(tài)性能。這可以實(shí)現出色的電機相電流測量,而不會(huì )由于較 大的 PWM 驅動(dòng)輸入電壓階躍而在傳感器輸出端產(chǎn)生不 必要的干擾。

圖 2. 具有高瞬態(tài)抗擾度的電機相電流測量

圖 2 顯示了經(jīng)過(guò) RC 濾波的 TMCS1100 輸出波形,以及電機相電壓和電流波形。只能觀(guān)察到由于測量寄生效應引起的微小 PWM 耦合,TMCS1100 輸 出跟蹤電機相電流,而沒(méi)有 300V 開(kāi)關(guān)事件引起的明顯輸出瞬態(tài)。

封裝內磁性電流傳感器的獨特特性消除了測量電機相電 流的替代解決方案所面臨的許多挑戰。固有的電隔離提 供了承受高電壓的能力,并且輸出的高瞬態(tài)抗擾度降低 了由于開(kāi)關(guān)事件引起的輸出噪聲。沒(méi)有該抗擾性的電流 感應實(shí)現需要更高的帶寬,以縮短輸出干擾的建立時(shí) 間;磁性傳感器可以使用較低帶寬的信號鏈,而不犧牲 瞬態(tài)抗擾性。由于不需要外部電阻分流器、無(wú)源濾波或 相對于高電壓輸入的隔離電源,因此封裝內磁性電流傳 感器還可以降低總體解決方案成本和設計復雜性。

表 1. 備選器件建議

對于相電流測量可提供過(guò)電流保護或診斷的應用,磁 性電流傳感器的高瞬態(tài)抑制可防止由于輸出干擾而引起 的錯誤過(guò)流指示。在使用閉環(huán)電機控制算法的電機系統中,需要進(jìn)行精確的相電流測量以?xún)?yōu)化電機性能。過(guò)去,基于霍爾效應的電流傳感器具有很大的溫度、壽命 和遲滯誤差,這些誤差會(huì )降低電機效率、動(dòng)態(tài)響應并引 起非理想的誤差(如轉矩波動(dòng))。常見(jiàn)的系統級校準技 術(shù)可以提高室溫下的精度,但是說(shuō)明參數(如靈敏度和失調電壓)中的溫度漂移是具有挑戰性的。

德州儀器 (TI) 的磁性電流感應產(chǎn)品通過(guò)采用已獲專(zhuān)利的線(xiàn)性化技術(shù)和零漂移架構(可在整個(gè)溫度范圍內提供穩定、精確的電流測量)來(lái)提高系統級性能。高精度傳感器嚴格控制相間電流測量誤差,從而保持精確的反饋控制并提供無(wú)縫的用戶(hù)體驗。

圖 3. 在整個(gè)溫度范圍內的 TMCS1100 典型靈敏度誤差

TMCS1100 在室溫下具有小于 0.3% 的典型靈敏度誤 差，在 –40°C 至 125°C 的整個(gè)溫度范圍內具有小于 0.85% 的最大靈敏度誤差。如圖 3 所示，這種在整個(gè)溫度范圍內的穩定性通過(guò)最大程度地減小傳感器的溫度漂移提供了出色的相間匹配。除高靈敏度精度之外，該器件還具有小于 2mV 的輸出溫漂（如圖 4 所示），這極大地提高了測量動(dòng)態(tài)范圍，并且即使在輕負載下也可以 進(jìn)行精確的反饋控制。

圖 4. 在整個(gè)溫度范圍內的 TMCS1100 典型輸出失調電壓

高靈敏度穩定性和低失調電壓相結合，形成了業(yè)界領(lǐng)先的隔離式電流感應解決方案，此解決方案在該器件的整個(gè)溫度范圍內具有小于 1% 的總誤差。600V 的工作電壓和 3kV 的隔離柵使該器件能夠應用于各種高電壓系統。TMCS1100 將測量溫度穩定性、電隔離和瞬態(tài) PWM 輸入抑制功能結合在一起， 是需要精確且可靠的測量來(lái)實(shí)現精確控制性能的 PWM 驅動(dòng)應用（如電機相電流測量）的理想之選。

表 2. 相關(guān) TI 技術(shù)手冊