解析无源器件在高级电机控制中的关键作用（上）

作者 Bill Schweber, Mouser Electronics

回顾历史，作为先行者的内燃汽车只内置了一个大电机。这个12V/100A（典型值）的家伙并不需要复杂的控制，它只是一个开/关，“提供所需的12V直流电压，并驱动电机转动”。当时也存在少数其它电机，但它们外形小也更易于控制，比如挡风玻璃雨刷。

跳回当今：为完成升降窗户，座椅调节，后视镜调整，天窗控制等功能，当前的车辆需要配备数十个小型到中型电机。支持所有这些功能的车内布线回路要求很高，如果使用单条线连接方式，将会占据太多空间，重量增加也很明显，并且难以跟踪和纠错，还会大幅增加BOM成本，因此这些电机通过网络方式连接起来。

图1A 带有高电压连接器的电机

此外，随着电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的出现，电机的需求显著增加。车辆电气系统现在必须将几百安培和几百伏的电源传输至轮毂电机中（丰田普瑞斯电机的工作电平是200V），而且为满足性能要求这些电机必须精细控制。

不过电机控制不止我们看到的MOSFET管为电机提供电源关断，处理器执行嵌入式电机控制算法或去激励MOSFET管。尽管有源器件很关键，但它们也仅占据系统的一小部分。车内广泛分布着大量的电机，覆盖小功率到高功率单元，要对这些电机的供电以及控制，须对两类无源器件提出了苛刻要求：

一类是反馈运动控制的感测电阻，它可以让电机控制器准确地掌握电机目前在做什么以及做的效果如何。随着电流更大、电压更高，感测电阻的效率挑战也更大。

另一类是连接器，可用以处理电压和电源，而且结构紧凑，经济高效，使用安全，在工厂试验和现场维修时方便断开和重连接，在恶劣汽车环境中表现也可靠。

感测电流

当特别需要掌握电机的运行状态时，为能够与电机期望的指令动作（位置，速度）相合拍，需要某种形式的反馈。这可以通过使用一个转轴编码器（霍尔效应、光效应或者磁效应）或通过电机绕组以感测电流来实现。通常，设计者希望仅从使用电流检测方法入手，因为相对于转轴编码器，这种方法更经济并且物理实现也更容易。

起初，电流检测的拓扑结构相对简单：将一个电阻与各电动机绕组串联在一起，电阻的两端电压就可以感测，并利用电动机控制器（图1）进行监测。该电阻通常被称为“分流”电阻，但其实用词不当，因为它与电机绕组是串联在一起，而不是将电流分流。 （请注意，还有其它的检测方法，包括非接触式方法，如霍尔效应器件或在电机引线上使用传感线圈，但这些方法超出了本文范围。）

图1：从概念上讲最简单的测量电机电流的方法，是通过简单地测量适当大小的感测电阻两端的电压降，而该电阻则与电机串联在一起（有时称为“分流”电阻）。

取决于电流值和感测电路的电压轨，通常选择的电阻其两端最大电压降约为1V，该值经常异于电机供电电压。一般情况下，为减少压降，降低电阻损耗，最大限度地减少电力损耗，并且不影响环路稳定性，检测电阻值要远低于1Ω。由于电阻处于电机控制反馈环路，但它独立于电机绕组的固有电阻，可能会影响环路的动态性和稳定性。此外，基本的计算显示，电机电流较大时，电阻值必须尽可能的小，以最小化电阻两端的电压降，这在低电源电压设计时尤为重要。

尽管选择合适的检测电阻，仅需通过 V = I × R就可以做出决策，但实际并非如此。这里需要考虑多个相互冲突的因素：

• 电阻值：低阻值电阻可以最小化电压损失和尽可能不影响环路性能。然而，低电阻生成的电压也较低，可能难以精确地检测，尤其是有噪声存在时。因此，检测电阻两端的电压较大的期望与偏好较低的电阻值之间发生了冲突。高电流环境下实际使用的电阻值在亚毫欧范围内。

• 电阻额定功率：即便电阻值通常只在1欧以下，但仍有较大电流通过该电阻，而且必须选用适当散热等级。一个0.1欧的电阻在10 A电流时功耗将高达10瓦，这时聚集的热量会过大。

• 温阻系数：和其它所有组件一样，电阻具有温度系数（tempco）。虽然这里看似可以忽略不计，其实不然。通常情况下，电机周围温度变得相当高，电阻值会因此发生显著变化。给定所需的测量精度和温度摆幅水平，这可能导致读数的精度在可接受范围之外。

• 关联电路迹线：PC板上连接感测电阻的迹线和焊点可能看起来很小，但实际上它们的阻值和电阻本身比起来仍然会相当显著。因此，在感测电阻与迹线的连接点，以及所述电路路径中的这些元件的温度系数，都将影响初始和长期读数。

• 封装：在最小电流时，使用标准的表面贴片（SMT）电阻;电流为中等水平时，使用SMT电阻或轴向引线器件;在功耗最大时，电阻可以封装为螺钉或螺栓。一些大电流、低阻值感测电阻模样小巧，外观呈现为全金属片或微型母线。一个中等功率感测电阻案例是Vishay/Dale的 WSBM8518L1000JK，这是一个额定功率为36W、阻值为0.0001Ω的带电池金属片分流电阻（图2）。这是一个表面贴片器件，带有12.7（高）×43.2（长）×38.1mm（宽）的大型标签，具备±5％的容差以及±225 ppm/⁰C的温度系数。它还包括一个连接器，以简化电压传感连接。

图2：当前面市的感测电阻存在多种物理形式，为减少电源电压到负载的串联损耗以及弱化功率损失引发的散热问题，电阻值一般在毫欧范围内。该Vishay/Dale 0.0001Ω WSBM8518L1000JK 单元集成了电压捡拾连接器，处理功率可多达36 W.（来源：Mouser/Vishay Dale）

虽然其温度系数相当大，但它依然在许多应用中可以被接受。也有可选的具备较低温度系数的电阻，如 Vishay/Dale 的WSMS3124L1000JK（图3），它的阻值为0.0001Ω、功率为3W，漂移范围为 ±75 ppm/⁰C；此金属带单元大小为3.3（高）×55（长）×15mm（宽）。

图3：有些感测电阻是具备精确值的金属片，如Vishay/Dale公司的 WSMS3124L1000JK ，它的阻值为0.0001Ω、功率为3W 。 （来源：Vishay Dale）

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