利用快速電流感測反饋環路和高速控制器提高效率

若要提升電動汽車的駕駛體驗，包括平穩的巡航控制、敏捷的加速和減速，以及更安靜的車內體驗，一種方式是提高電流感測反饋環路的整體精度和可靠性。該控制環路是感測電流從牽引逆變器各相流回隔離式精密放大器并流過微控制器 (MCU) 以進行處理的路徑。此路徑最終會讓信號返回到牽引逆變器的控制輸出。通過優化電機控制環路可以實現快速準確的反饋，這樣一來，電機便可以快速響應速度或扭矩變化。圖 1 中高亮顯示的部分展示了電機控制環路。

如圖 2 中所述，牽引逆變器中的電源和控制電流之間通常由隔離式半導體元件隔離。三個隔離式放大器或調制器通過分流電阻器測量電機電流，然后將信號饋入 MCU 的場定向控制 (FOC) 算法。若要提升電機速度，就需要更高帶寬的電流感測反饋環路，這就意味著同相電流必須盡快生成經修改的逆變器輸出。電流感測反饋環路的延遲是一項首要考慮因素，尤其是因為功率晶體管開關頻率（圖 1 中的絕緣柵雙極晶體管 [IGBT]/SiC MOSFET）增加到數十千赫茲，并且控制信號必須逐周期改變脈沖寬度，以實現較高的轉速。大電流產生的噪聲還會影響環路可靠性。

如果隔離式放大器就在噪聲源附近，則這些放大器應能夠可靠地工作，并且電源和控制電流之間的噪聲干擾應極小，這一點非常重要。這就是為什么電流感測環路中必須使用可在電源接地和信號接地之間提供高瞬態噪聲抗擾度的電隔離式放大器。通過合理地選擇元件，高精度電流感測環路可以限制三個電流相位的諧波失真，從而在加速和剎車期間實現平穩的電機速度和扭矩控制。在駕駛期間，電流感測環路的精度還有助于防止電損耗并最大限度地減少振動。AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 等隔離式放大器與 AMC1306M25 和 AMC1336 等隔離式調制器支持在 200kHz 帶寬范圍內進行準確的電流和電壓測量，并提供不到 2μs 的延遲和共模瞬態抗擾度超過 100kV/μs 的電隔離。

MCU 必須通過模數轉換器 (ADC) 轉換給定的三相電流測量值來快速地將測量值數字化，然后饋入主算法來為牽引逆變器的輸出生成脈寬調制 (PWM)。電機控制設計中通常采用的 FOC 算法需要使用復雜的數學運算，例如快速傅里葉變換 (FFT) 和三角運算。這就導致了對高處理帶寬的需求，尤其是對于 20kHz 及以上的開關頻率而言。

務必要分配 MCU 的功率負載，以便它可以處理牽引逆變器的電機控制和安全功能。高速 FOC 實現帶來了更多的余量，讓 MCU 中的電源和處理能力能夠處理電機控制和功能安全特性。C2000? TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara? AM2634-Q1 等實時 MCU 可以有效地提供快速控制環路性能，并借助 >3MSPS ADC 來感測和處理多個優化內核的功率，從而快速執行復雜的控制數學運算。緊密集成的高分辨率驅動 PWM 有助于生成精確的占空比，從而實現優化的電機控制。針對牽引逆變器進行優化時，ADC 輸入、FOC 算法執行和 PWM 寫入三級相結合，實現了不到 4μs 的控制環路延遲。