高邊檢流放大器監測PWM負載電流

高精度、高邊電流檢測對于汽車(chē)控制系統至關(guān)重要，例如電動(dòng)助力轉向、自動(dòng)變速、傳動(dòng)控制、發(fā)動(dòng)機燃料噴射控制、制動(dòng)閥控制、以及主動(dòng)懸掛系統。所有這些應用都需要精密調節通過(guò)電機或螺線(xiàn)管的電流，以控制電機扭矩或螺線(xiàn)管驅動(dòng)。本文介紹的電路采用精密、高邊檢流放大器，用于監測寬輸入共模電壓范圍內的負載電流。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到負壓的應用。

電動(dòng)助力轉向(EPS)系統中的電流檢測

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

連接動(dòng)力模塊的接口允許控制模塊調節電機電流。增大電機電流則增大助力，反之亦然。電機電流往往通過(guò)采用H橋電路(圖2)送入脈寬調制(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。電機可作為電感負載，因此扭矩通過(guò)對產(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。

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

電流檢測提供三個(gè)選項：低邊、高邊和電機上。相對應地，可將檢測電阻置于H橋和地之間(低邊電流檢測)、直流總線(xiàn)基部或電池正極端子和H橋之間(高邊電流檢測)，或者直流總線(xiàn)的高邊或電機本身(輸出電機PWM電流檢測)。需要對這些替代方案進(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，并且它缺少檢測對地短路故障的診斷能力。無(wú)論是高邊還是低邊方法，都能夠持續監測二極管中的電流。不過(guò)PWM電流檢測沒(méi)有這些缺點(diǎn)。

PWM電流測量電路可能看起來(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(mǎn)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應的高輸入電壓范圍，而且必須在開(kāi)關(guān)頻率及信號緣變化率(edge rate)引起的相關(guān)頻率處具有出色的CMRR。

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

在圖3所示的電機電流控制和測量電路中，電機采用H橋配置連接(這是因為外加電壓極性很容易反接)，使其能夠向任何方向轉動(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、拋負荷瞬態(tài)電壓及電池反接故障的影響。該器件還集成了測量放大器，擁有專(zhuān)利的直流反饋架構提供精密電流檢測，輸入失調電壓為400μV(最大)，增益誤差為0.6%(最大)。外部基準電壓支持H橋所需的雙向電流檢測，以及工作于半橋H橋電路時(shí)的單向電流檢測。雙向應用中，當檢測電壓為零時(shí)，輸出電壓等于基準電壓?？烧{增益和固定增益方式使得該部件能夠在各種應用中都具有最大靈活性。