原标题：选择并实施正确的电机控制设计以满足工业4.0的要求

　　工业 4.0 或工业物联网 (IIoT) 时代正在通过提供机器和计算机之间以及互联网之间的本地化智能和连接来使系统更加智能。这种连接性的原因之一是可以监控生产系统和子系统，以提高效率、可靠性和稳定性。这个时代对工业电机产生了影响，工业电机包含了自动化设施的大部分能源资源，并且它们的故障可能会关闭整个生产线。

　　因此，有效控制电机至关重要，尤其是在速度和扭矩方面，它们共同极大地影响了电机的动态范围。有效控制这两个参数需要高度的反馈精度。对于这种精度，设计人员需要在低侧、高侧或串联电流检测之间进行仔细选择，然后以最佳方式实现适当的电路。

　　本文简要讨论了这三种电流检测选项，然后展示了串联电机电流传感器中的理想放大器如何提供真实的电流相位信息。然后介绍如何使用具有脉宽调制 (PWM) 抑制功能的Maxim Integrated双向电流检测放大器 (CSA) 来配置三相电机系统，以实现更高效的运行。

　　低侧、高侧或串联电流感应?

　　三种传感选项——低侧、高侧和串联——在实施中差异很大(图 1)。低端电机电流传感器设计使用接近接地的检测电阻器和放大器(左下)。

　　图 1：用于电机速度和扭矩感应的低侧、高侧和串联电路选项。(图片来源：Analog Devices)

　　在这三个选项中，低端电流检测电路是最直观和直接的。它适用于成本效益通常是主要设计要求之一的消费类应用。

　　低端检测电路将放大器置于接地附近，连续捕获每条腿的电流。该电路在栅极驱动 FET 堆栈的底部具有通用、低成本的运算放大器 (op-amps) 和一个共模电压接近接地的检测电阻器 ( RS )(图 2)。对于高达 100 安培 (A) 的负载电流，小型检测电阻器 ( RS ) 通常是印刷电路板走线电阻。

　　图 2：此交流电机低侧电流检测电路使用 CMOS 放大器，其中共模电压达到放大器负电源。(图片来源：邦妮贝克)

　　在图 2 中，负载电流表示通过一个交流电机的 FET 堆栈的传导。该电路需要放大器的共模输入范围跨越到地。放大器电路获得 R S两端的电压，从而提供负载电流 (I L ) 幅度的电压读数。该电压被馈送到增益等于 (1 + R F / R G ) 或约 50 伏/伏的放大器的非反相输入端。

　　Analog Devices AD8691可用作放大器。这是一款低成本的通用运算放大器，带宽为 10 兆赫 (MHz)。其 CMOS 输入晶体管提供 0.2 皮安 (pA) 的典型输入偏置电流和低于负电源电压 -0.3 伏的共模范围。

　　放大器的输出被馈送到模数转换器 (ADC)。微控制器或其他处理器可以使用数字化信号来确定电机的状态。

　　印刷电路板要求

　　低端电流检测电路的设计简单性可能会产生误导。使用 PC 板创建 R S时，很容易因无意中增加检测电阻值而产生测量误差。为确保 R S值准确，必须从 R S的顶部或正端子直接连接到非反相运算放大器端子。此外，R S '底(负)端必须有直接接地。第二个 PC 板设计要求确保直接连接到检测电阻的负端子和放大器增益电阻 (R G ) 的底部。

　　请注意，电流流过印刷电路板的接地层，从而在其上产生电压差。在正常情况下，这不是问题。对于低端传感器电路，低 R S电阻的使用使电路对印刷电路板上的接地电压降极为敏感。

　　铜电阻温度系数约为 0.4%/°C，允许 Rs的值随温度变化很大。印刷电路板电阻会在具有广泛温度变化的系统中产生与温度相关的误差，从而引入一定程度的不稳定性。谨慎的做法是避免长跟踪以最小化 R S错误。此外，低端传感器设计使用检测电阻器会增加不希望的动态压降，从而导致电磁干扰 (EMI) 噪声问题。

　　高边电流感应

　　高侧电机电流传感器将电阻器的动态交流电压影响降至最低，同时将 EMI 降至最低。然而，这种设计需要一个强大的放大器来处理高电压。

　　低端电流传感器电路使用三个单运算放大器来检测每个交流电机支路的电流。由于寄生 PC 板电阻以及近地测量误差(也称为 R S电压接地误差)，该方法容易受到误差的影响。

　　高端电流传感器电路使用一个差分放大器，其共模电压接近电源。为了对比低侧电流传感器电路的一些限制，这种配置不易受到接地干扰，并且能够检测负载短路(图 3)。

　　图 3：交流电机、高侧电流检测电路使用具有两个 PNP 输入级的放大器，其中共模电压超出放大器的正负电源。(图片来源：邦妮贝克)

　　运算放大器必须具有轨到轨输入，并且 R S端子处的共模电压必须等于或超过 V SUPPLY。这是具有挑战性的，因为检测放大器将需要至少等于 V SUPPLY的扩展电压源。因此，在高端感应配置中，放大器的输入共模需要与电源电压 V SUPPLY一样高。

　　对于此应用，设计人员可以求助于 Analog Devices 的ADA4099-1。它是一款单一、稳健、精密、轨到轨输入/输出运算放大器，其输入工作范围为 V- 至 V+ 及以上。后一个功能在数据表中称为 Over-The-Top。

　　该器件具有 <40 微伏 (μV) 的失调电压、<10 纳安 (nA) 的输入偏置电流 (IB)，可在 3.15 至 50 伏的单电源或分离电源上运行。ADA4099-1 每通道消耗 1.5 毫安 (mA) 的静态电流。

　　电阻匹配

　　对于图 3 中的高端电流检测电路，外部电阻器(R 1、R 2、R 3和 R 4)的精度直接决定了测量精度。公式 1 用于计算图 3 的差分增益：

　　等式 1

　　公式 2 用于计算图 3 的共模增益误差：

　　等式 2

　　公式 3 用于计算图 3 的输出电压：

　　等式 3

　　如果 R 1至 R 4是 1% 的电阻器，则总体误差的最坏情况容差大于 5%。这 5% 的误差需要使用昂贵的、容差更小的电阻器。这种方法的主要缺点是增加了成本，因为要求精密电阻器对 R 4 /R 3和 R 2 /R 1的比值具有严格的容差，以克服由于较高共模电压导致的误差敏感性。

　　在线电流检测

　　虽然其他解决方案有效，但首选方法是串联(或直接绕组)电机电流传感器。这种方法提供了真实的电流相位信息，从而允许快速建立时间和更高的共模瞬变抑制。用于在线测量的理想放大器是具有 PWM 抑制功能的双向 CSA，可应对这些挑战。该放大器具有快速建立时间、高带宽并抑制共模瞬变。

　　为了产生高效的电机运行，系统处理器在任何给定时间都具有所有三个电机相位的电流数据(图 4)。

　　图 4：在用于电机控制的在线电流感应中，处理器在任何时刻都有所有三个电机相位的电流数据。(图片来源：Analog Devices)

　　在图 4 中，MCU 使用 Analog Devices 的MAX40056双向 CSA同时对所有三个电机支路进行采样，保持每个支路激励之间的相位关系。一个理想的在线放大器在抑制 PWM 的共模瞬变的同时获得每个电机支路的差分信号。强大的 PWM 抑制有助于实现最快的建立时间、更高的精度，并使设计人员能够最小化 PWM 占空比，使其接近 0%。

　　MAX40056是一款单电源、高精度、双向CSA，具有-0.1 V至+65 V的高共模输入范围。输入级可防止从 -5 伏到 +70 伏的电压尖峰和感应反冲。±5 μV(典型值)输入失调电压和 0.05%(典型值)增益误差有助于确保低系统误差(图 5)。

　　图 5：MAX40056 CSA 通过快速 PWM 抑制电路抑制干扰的能力使其非常适合对电感负载(例如电机绕组)进行同相电流监测。(图片来源：Analog Devices)

　　在图 5 中，输入级专门设计用于抑制快速 PWM 信号的干扰，这在电机控制应用中很常见。因此，MAX40056 非常适合对感应负载进行同相电流监测，例如由 PWM 信号驱动的电机绕组和螺线管。MAX40056在-40°C至+125°C的整个温度范围内工作，电源电压为+2.7 V至+5.5 V。

　　MAX40056 从 500 伏/微秒 (µs) 和更快的 PWM 边沿恢复 500 纳秒 (ns) PWM 边沿。MAX40056 和竞争对手的基准数据表明 PWM 共模抗扰度存在显着差异(图 6)。

　　图 6：使用 50 V PWM 周期的 PWM 边沿抑制的竞争比较表明，MAX40056 在 PWM 共模瞬态抗扰度方面具有明显优势。(图片来源：Analog Devices)

　　在图 6 中，MAX40056 CSA 的模拟输出显示出轻微的颠簸并在 500 ns 内恢复，而竞争器件则需要大约 2 µs 才能恢复。CSA 获得专利的 PWM 抑制输入可抑制瞬变并提供清晰的差分信号测量。

　　结论

　　工业 4.0 和 IIoT 都在强调更高水平的生产效率和可靠性，必须达到单个电机的水平。寻找合适的电路设计来构建用于速度和扭矩的交流电机驱动系统以确保稳定性、可靠性和能源效率可能很复杂。

　　如图所示，带有理想放大器的直列式电机电流传感器方法可提供真实的电流相位信息。通过这种方法，并使用具有 PWM 抑制功能的 MAX40056 双向 CSA，设计人员可以配置三相电机系统，准确测量三相交流电机系统中的扭矩和速度，确保电机效率、可靠性和稳定性。