透過快速電流感測(cè)反饋迴圈和高速控制器提高效率

改善 EV 駕駛體驗(yàn) (包括穩(wěn)定的巡航控制、回應(yīng)式加速和減速，以及更安靜的艙內(nèi)體驗(yàn)) 的其中一種方法，就是提高電流感測(cè)反饋迴圈的整體準(zhǔn)確性和可靠性。此控制迴路是一種路徑，該路徑偵測(cè)到從牽引逆變器相位輸出的電流、透過隔離式精密放大器返回，再透過微控制器 (MCU) 進(jìn)行處理。這一旅程最終導(dǎo)致訊號(hào)返回到牽引逆變器的控制輸出。最佳化馬達(dá)控制迴路可實(shí)現(xiàn)快速且精確的回饋，進(jìn)而讓馬達(dá)能對(duì)速度或扭矩的變化做出快速反應(yīng)。圖 1 中醒目標(biāo)示的部分為馬達(dá)控制迴路。

如 圖 2 中所詳述，隔離式半導(dǎo)體零組件通常隔離牽引逆變器中的電源和控制電路。三個(gè)隔離放大器或調(diào)變器透過分流電阻測(cè)量馬達(dá)電流，並將訊號(hào)饋送到 MCU 的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 演算法。若要加快馬達(dá)速度，便需要更高頻寬的電流感測(cè)反饋迴圈，這表示同相電流必須儘速產(chǎn)生修改後的轉(zhuǎn)換器輸出。電流感測(cè)反饋迴圈的延遲是首要關(guān)鍵，特別是因?yàn)楣β孰娋w的切換頻率 (圖 1 中的絕緣柵雙極電晶體 [IGBT]/SiC MOSFET) 正在提升到數(shù)十千赫，並且控制訊號(hào)也必須逐週期改變脈衝寬度，以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。高電流產(chǎn)生的雜訊也會(huì)影響迴路可靠性。

由於隔離放大器鄰近位於雜訊來源，因此其必須可靠運(yùn)作，電源和控制電路之間的雜訊干擾也需盡可能壓低。因此在電流感測(cè)迴路中，必須在電源接地和訊號(hào)接地之間提供高瞬態(tài)雜訊抗擾度的電流隔離放大器。透過適當(dāng)?shù)牧憬M件選擇，準(zhǔn)確的電流感測(cè)迴路可以限制三相電流的諧波失真，進(jìn)而在加速和煞車條件下支援平穩(wěn)的馬達(dá)速度和扭力控制。電流感測(cè)迴路的準(zhǔn)確性也有助於防止電氣損耗，並將行駛時(shí)的振動(dòng)降到最低。像 AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 之類的隔離式放大器，以及像 AMC1306M25 和 AMC1336 之類的隔離式調(diào)變器，都支援準(zhǔn)確的電流和電壓量測(cè)，頻寬超過 200 kHz，延遲小於 2 μs，電流隔離具有超過 100 kV/μs 的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)。

MCU 必須藉由類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對(duì)指定的三相電流量測(cè)值進(jìn)行快速數(shù)位化量測(cè)，並透過主要演算法為牽引逆變器的輸出產(chǎn)生脈寬調(diào)變 (PWM)。馬達(dá)控制設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的 FOC 演算法需要複雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如快速傅立葉轉(zhuǎn)換 (FFT) 和三角運(yùn)算。這提高了對(duì)處理頻寬的需求，尤其是對(duì)於 20 kHz 及更高的切換頻率。

分散 MCU 的功率負(fù)載非常重要，如此才能處理牽引逆變器的馬達(dá)控制和安全功能。高速 FOC 實(shí)作為 MCU 內(nèi)的功率和處理能力提供了更多空餘空間，以處理馬達(dá)控制和功能安全特性。像 C2000? TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara? AM2634-Q1 之類的即時(shí) MCU，可藉由 >3-MSPS ADC 的協(xié)助，有效提供快速控制迴路性能，用於感測(cè)和處理多個(gè)最佳化核心的功率，以快速執(zhí)行複雜的控制數(shù)學(xué)運(yùn)算。用於致動(dòng)的緊密整合高解析度 PWM 有助於產(chǎn)生精確的工作週期，以最佳化馬達(dá)控制。當(dāng)針對(duì)牽引逆變器進(jìn)行最佳化時(shí)，這些階段 (ADC 輸入、FOC 演算法執(zhí)行和 PWM 寫入) 結(jié)合可達(dá)到 <4-μs 控制迴路延遲。