电流／电压转换芯片MAX472在永磁直流电动机虚拟测试系统中的应用

    摘 要 阐述了电流／电压转换芯片MAX472的工作原理、在永磁直流电动机虚拟测试系统中的具体应用电路及各项参数的计算。从不同角度分析了系统的测量精度，从而验证了应用该芯片的可行性。

    关键词 电流／电压转换芯片 MAX472 虚拟测试系统 　测量精度    

    永磁直流电动机虚拟测试系统（以下简称测试系统）通过系统辩识原理获得直流电动机的有关机电参数，从而可以对电动机进行多功能测试。根据测试系统的要求，需要采集电动机阶跃过渡过程的电压u、电流i和转速n，这三个量的采集是至关重要的，它们直接影响到整个测试系统的测试精度。

    常规测量电流i的方法多用在被测电路串联电阻，直接测量电阻两端电压的方法，但存在测量范围小、测量误差大等缺点。而测试系统采用电流／电压转换芯片MAX472，则克服了常规方法的缺点，实现了电动机阶跃电流的高精度测量。

    １ 电流测量方法及其电路实现

    由于电流不能直接由A/D 转换器转换，因此必须先将其转变成电压信号，然后才能转换。所以，电流／电压转换电路在测试系统中占有很重要的地位。

    常用的电流测量方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。这种方法的优点是测量简单方便。但当被测电流较大而串入的电阻阻值又较大时，电阻的压降对电路的带载能力将产生较大的影响；当被测电流很小时，从电阻上直接取得的电压值又可能太小，影响测量准确度。因而，这种直接测量的方法很难选择一合适的阻值，以适应电流变化范围较大的情况，尤其是较小电流的准确测量。由于测试系统的特殊要求，需要采集的是阶跃信号，因而电动机的电流变化范围较大（从毫安级到十几安），所以上述的串电阻直接测量的方法很难满足测试系统精度要求。

    鉴于此，我们做了大量的调查和实验，最后选择了美国MAXIM公司最新生产的电流／电压转换器MAX472，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量，经过实际的实验验证和测试，很好地满足了本系统的要求。下面介绍该芯片的工作原理及其在测试系统中的具体应用。

    1.1 MAX472的工作原理

    MAX 472的工作原理如图１所示，方框内的部分是该芯片的内部结构，其中A1和A2是两个运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，提高小电流信号的测量准确度；Q1和Q2是两个三极管；COMP是一比较器；Rsence是电流采样电阻，测试系统采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路。其工作原理详述如下：

    假定电流是从左向右（如图１中Iload方向所示）流过电流采样电阻Rsence管脚OUT通过一电阻Rout接地。这样，运放A1工作，产生电流Iout从Q1的发射极流出。而此时运放A2是截止的，没有电流从Q2流出。A1的负输入端（－）电位为：

    根据（5）式Rsence取较小的值。通过（Rout／RG1）把比例Ｐ设置一个合适的值。对于小电流，可以获得较大的输出测量电压Vout,避免前述直接测量电压信号太小的缺点，对于较大的电流，又不会对电路的带载能力产生较大的影响。在电路的具体应用中，电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求：

    1.2 MAX472在测试系统中的具体应用

    MAX472在测试系统中的应用电路如图２所示。

    在图２中，功率驱动模块SWITCH POWER是实现施加阶跃电压的电路。MOTOR为永磁直流电动机，是测试系统的测试对象。

    电流采样电阻Rsence的选择很重要，它的选择决定了电压／电流的转换比例P。对于较小的电流，Rsence的选择须使得Ｐ较大，才能使得转换得到的输出电压不至于太小而影响测量的准确度。而图２所示的MAX472的应用电路，正是可以通过调整其中的RG1、RG2和Rout来调整P,从而获得较理想的P。理想的P的获得是一个试凑计算的过程。

    下面根据测试系统的要求，具体计算电路的各项参数。

    已知测试系统最大电流为4A最小电流为100mA,电动机额定工作电压为24V（阶跃电压由20V到24V）。应根据上述已知条件初选Rsence的阻值为0.02Ω。转换电路首先必须满足对最大电流的测量。所以，根据最大转换电流和1.1节中的要求（1）和（2），计算Rout和RG1(=RG2)。

    由（4）式得：

    如此小的压降对电路的带载能力的影响可以忽略。

    经过上述的计算，可以看出初选的Rsence值为0.02 Ω还是比较合适的。如果初选的值不合适，可以试着用其它的值按上述的过程来计算，直到获得较理想的P值。

    ２ 精度分析

    2.1 测试曲线的精度分析

    根据上述计算的电路参数，将其应用到测试系统电路（图２所示）中，并实际采集了电动机的阶跃响应电流（阶跃电压为从20V加到24V），经此电流／电压转换后的电压响应曲线如图３所示。

    曲线中的波动是由于电动机电刷的换向引起电刷接触情况的变化产生的。由此响应曲线横坐标为采样点数，纵坐标为电流转化成的电压可以看出：

    （1） MAX472准确地反映了电动机受到阶跃电压冲击后的电流瞬态响应过程。阶跃电压是从第500个采样点开始加的，由曲线可以看出，响应也是从第500个采样点开始的，几乎没有延迟，完全达到了系统要求的响应速度；

    （２）通过设定的比例计算出实际的电动机电流ｉ并分别求得前后两个稳态的均值(20V稳态为364.32mA,24V稳态为409.11mA)，与用高精度的电流表测出的这两个稳态的电流值（20V稳态为367.56mA,24V稳态为412.33mA）基本吻合，说明MAX472的测量精度和线性度都很好。

    2.2系统测试结果精度分析

    采集到的电动机的电压u、由图２所示电路转换的电流i和用高精度M/T法测量的电动机的转速ｎ，通过电动机的数学模型和系统辨识的理论和方法，得到了电动机的有关静态参数Ra、Ke、J、fr。

    针对ZD267进行实验，共测得20次实验数据，静态参数辨识结果的相对误差平均值如下：

    这里的误差包括硬件引起的误差、电动机数学模型近似误差、软件算法中数据处理的误差等，是综合的误差，体现了整个测试系统的测试误差精度。各辨识参数的平均相对误差均小于5.0% ,这样的精度，对工程实践来讲是很高的。也说明了MAX472测量的精度也是很高的。

    总之，MAX472很好地实现了电动机电流的测量，满足了整个测试系统的精度和速度要求，是比较理想的一种电流／电压转换测量方案。