利用快速电流感测反馈环路和高速控制器提高效率

若要提升电动汽车的驾驶体验，包括平稳的巡航控制、敏捷的加速和减速，以及更安静的车内体验，一种方式是提高电流感测反馈环路的整体精度和可靠性。该控制环路是感测电流从牵引逆变器各相流回隔离式精密放大器并流过微控制器 (MCU) 以进行处理的路径。此路径最终会让信号返回到牵引逆变器的控制输出。通过优化电机控制环路可以实现快速准确的反馈，这样一来，电机便可以快速响应速度或扭矩变化。图 1 中高亮显示的部分展示了电机控制环路。

如图 2 中所述，牵引逆变器中的电源和控制电流之间通常由隔离式半导体元件隔离。三个隔离式放大器或调制器通过分流电阻器测量电机电流，然后将信号馈入 MCU 的场定向控制 (FOC) 算法。若要提升电机速度，就需要更高带宽的电流感测反馈环路，这就意味着同相电流必须尽快生成经修改的逆变器输出。电流感测反馈环路的延迟是一项首要考虑因素，尤其是因为功率晶体管开关频率（图 1 中的绝缘栅双极晶体管 [IGBT]/SiC MOSFET）增加到数十千赫兹，并且控制信号必须逐周期改变脉冲宽度，以实现较高的转速。大电流产生的噪声还会影响环路可靠性。

如果隔离式放大器就在噪声源附近，则这些放大器应能够可靠地工作，并且电源和控制电流之间的噪声干扰应极小，这一点非常重要。这就是为什么电流感测环路中必须使用可在电源接地和信号接地之间提供高瞬态噪声抗扰度的电隔离式放大器。通过合理地选择元件，高精度电流感测环路可以限制三个电流相位的谐波失真，从而在加速和刹车期间实现平稳的电机速度和扭矩控制。在驾驶期间，电流感测环路的精度还有助于防止电损耗并最大限度地减少振动。AMC1300B-Q1 和 AMC1311B-Q1 等隔离式放大器与 AMC1306M25 和 AMC1336 等隔离式调制器支持在 200kHz 带宽范围内进行准确的电流和电压测量，并提供不到 2µs 的延迟和共模瞬态抗扰度超过 100kV/µs 的电隔离。

MCU 必须通过模数转换器 (ADC) 转换给定的三相电流测量值来快速地将测量值数字化，然后馈入主算法来为牵引逆变器的输出生成脉宽调制 (PWM)。电机控制设计中通常采用的 FOC 算法需要使用复杂的数学运算，例如快速傅里叶变换 (FFT) 和三角运算。这就导致了对高处理带宽的需求，尤其是对于 20kHz 及以上的开关频率而言。

务必要分配 MCU 的功率负载，以便它可以处理牵引逆变器的电机控制和安全功能。高速 FOC 实现带来了更多的余量，让 MCU 中的电源和处理能力能够处理电机控制和功能安全特性。C2000™ TMS320F28377D、TMS320F28386D、TMS320F280039C 和 Sitara™ AM2634-Q1 等实时 MCU 可以有效地提供快速控制环路性能，并借助 >3MSPS ADC 来感测和处理多个优化内核的功率，从而快速执行复杂的控制数学运算。紧密集成的高分辨率驱动 PWM 有助于生成精确的占空比，从而实现优化的电机控制。针对牵引逆变器进行优化时，ADC 输入、FOC 算法执行和 PWM 写入三级相结合，实现了不到 4µs 的控制环路延迟。