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)電動(dòng)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送至助力轉(zhuǎn)向控制模塊。為了確定所需要的轉(zhuǎn)向助力，控制模塊接受來(lái)自于車(chē)速傳感器、牽引力控制和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的輸入(圖1)。

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　　圖1. 典型EPS系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖

　　與動(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)表現(xiàn)為感性負(fù)載，所以通過(guò)平均產(chǎn)生的脈動(dòng)電流確定扭矩—為駕駛員提供最終助力。

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　　圖2. 該H橋的4個(gè)柵極信號(hào)相位決定電機(jī)的方向和速度

　　表1. H橋真值表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.

　　電流測(cè)量器件檢測(cè)電機(jī)電流并向控制模塊提供實(shí)時(shí)反饋，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通路串聯(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，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)行不同的折中。低邊方法比較方便，但是在接地回路增加了所不希望的電阻，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。然而，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，但是它所需的性能參數(shù)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。所以，為了抑制共模電壓偏移，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)頻率及擺率引起的相關(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。為了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，所以線性度和精度尤其關(guān)鍵。電路中的任何非線性都會(huì)造成車(chē)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)連接為H橋配置，由于所加電壓極性很容易反接，使其能夠向任一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所示IC能夠承受的共模電壓從-20V至+75V，使其不受感性負(fù)載、拋負(fù)荷瞬態(tài)電壓及電池反接故障的影響。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該部件能夠在各種應(yīng)用中都具有最大靈活性。

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　　圖3. PWM兼容的H橋電流檢測(cè)電路

　　螺線管驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)

　　螺線管被作為汽車(chē)中的機(jī)電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用。例如，標(biāo)準(zhǔn)螺線管為啟動(dòng)電機(jī)提供大電流驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，多種汽車(chē)控制系統(tǒng)采用螺線管驅(qū)動(dòng)進(jìn)行精密控制。例如，鐵路上使用的柴油機(jī)系統(tǒng)依靠螺線管作為精密的電子控制閥，它將正確的油量直接噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)高壓汽缸。這些閥門(mén)的定時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元精密控制，確保與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同步。這樣就能形成相對(duì)“綠色”的發(fā)送機(jī)，噪聲更低，排放更少，更具燃油效率。螺線管控制的其它應(yīng)用包括自動(dòng)變速、傳動(dòng)控制、制動(dòng)控制以及主動(dòng)懸掛。

　　高邊開(kāi)關(guān)通常為FET，其柵極由PWM信號(hào)控制(圖4)。FET導(dǎo)通時(shí)，它將螺線管連接至14V電池電壓，產(chǎn)生電流，對(duì)螺線管線圈充電;FET截止時(shí)，螺線管通過(guò)箝位二極管和分流電阻放電。PWM頻率和占空比的調(diào)節(jié)決定螺線管中的平均脈動(dòng)電流，進(jìn)而控制施加至執(zhí)行器的力。

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　　圖4. 圖中典型的螺線管驅(qū)動(dòng)電流采用高邊分流

　　為了調(diào)節(jié)PWM頻率和占空比而檢測(cè)螺線管電流的挑戰(zhàn)與H橋應(yīng)用中類(lèi)似。電流檢測(cè)放大器輸入處的共模電壓范圍從電池電壓低至略為負(fù)值水平(箝位二極管的壓降)。典型螺線管需要幾個(gè)安培的電流，所以能承受這一電流的箝位二極管所呈現(xiàn)的正向偏壓高于1V。

　　同樣，電流檢測(cè)放大器的寬輸入共模范圍和響應(yīng)共模變動(dòng)的快速建立時(shí)間非常適合于該項(xiàng)應(yīng)用。該應(yīng)用與H橋的主要區(qū)別是螺線管電流流動(dòng)的方向總相同，因此電流檢測(cè)放大器僅需是單向(MAX9918的基準(zhǔn)輸入(REFIN)連接至地時(shí)，即變?yōu)閱蜗螂娏鳈z測(cè)放大器)。

　　實(shí)驗(yàn)室結(jié)果

　　圖5所示為作為實(shí)驗(yàn)室原型的螺線管典型應(yīng)用電路。用2mH電感模擬螺線管，1.6Ω低ESR。檢測(cè)電阻為100mΩ，15Ω的R4將螺線管最大電流限制為：

　　IMAX = VBAT/(RSENSE + ESR + R4) = 12V/(0.1 + 1.6 + 15)Ω = 0.72A

　　(注意，實(shí)際螺線管電路中沒(méi)有R4。)

　　該最大電流值為電感完全充電時(shí)達(dá)到的理論限值。圖中所示的電阻和電感值將電路時(shí)間常數(shù)設(shè)定為大約0.12ms，相當(dāng)于大約8.3kHz。外部電阻R1 = 1kΩ和R2 = 79kΩ設(shè)定的增益為80。

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　　圖5. 該螺線管驅(qū)動(dòng)電流為實(shí)驗(yàn)原型

　　采用PWM頻率5kHz、占空比分別為80% (圖6)和50% (圖7)的波形，說(shuō)明圖5所示電路的工作。頂部波形為R4的電壓，與電感通過(guò)的電流成比例。中間波形為電流檢測(cè)放大器的輸出，底部波形所示為PFET漏極的PWM信號(hào)。占空比越大，產(chǎn)生的電流越大，與預(yù)期相符。

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　　圖6. 來(lái)自于圖5電路的波形，采用5kHz PWM頻率，80%占空比(頂部波形為R4電壓，中間波形為電流檢測(cè)放大器的輸出，底部波形為pFET柵極的PWM信號(hào))。

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　　圖7. 來(lái)自于圖5電路的波形，采用5kHz PWM頻率，50%占空比(頂部波形為R4電壓，中間波形為電流檢測(cè)放大器的輸出，底部波形為pFET柵極PWM信號(hào))。

　　綜上所述，利用高精度、高壓、高邊電流檢測(cè)放大器，例如MAX9918，能夠以較小的檢測(cè)電阻進(jìn)行精密測(cè)量。它能夠處理EPS等系統(tǒng)中常見(jiàn)的H橋驅(qū)動(dòng)雙向電機(jī)電流，以及自動(dòng)變速、傳動(dòng)控制、制動(dòng)控制和主動(dòng)懸掛中常見(jiàn)的單相螺線管電流。