摘 要 闡述了電流／電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472的工作原理、在永磁直流電動(dòng)機(jī)虛擬測(cè)試系統(tǒng)中的具體應(yīng)用電路及各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算。從不同角度分析了系統(tǒng)的測(cè)量精度，從而驗(yàn)證了應(yīng)用該芯片的可行性。 關(guān)鍵詞 電流／電壓轉(zhuǎn)換芯片 MAX472 虛擬測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)量精度
永磁直流電動(dòng)機(jī)虛擬測(cè)試系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)試系統(tǒng)）通過(guò)系統(tǒng)辯識(shí)原理獲得直流電動(dòng)機(jī)的有關(guān)機(jī)電參數(shù)，從而可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行多功能測(cè)試。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，需要采集電動(dòng)機(jī)階躍過(guò)渡過(guò)程的電壓u、電流i和轉(zhuǎn)速n，這三個(gè)量的采集是至關(guān)重要的，它們直接影響到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度。
常規(guī)測(cè)量電流i的方法多用在被測(cè)電路串聯(lián)電阻，直接測(cè)量電阻兩端電壓的方法，但存在測(cè)量范圍小、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。而測(cè)試系統(tǒng)采用電流／電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，則克服了常規(guī)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)階躍電流的高精度測(cè)量。
１ 電流測(cè)量方法及其電路實(shí)現(xiàn)
由于電流不能直接由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后才能轉(zhuǎn)換。所以，電流／電壓轉(zhuǎn)換電路在測(cè)試系統(tǒng)中占有很重要的地位。
常用的電流測(cè)量方法是在被測(cè)電路中串入精密電阻，通過(guò)直接采集電阻兩端的電壓來(lái)獲得電流。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單方便。但當(dāng)被測(cè)電流較大而串入的電阻阻值又較大時(shí)，電阻的壓降對(duì)電路的帶載能力將產(chǎn)生較大的影響；當(dāng)被測(cè)電流很小時(shí)，從電阻上直接取得的電壓值又可能太小，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因而，這種直接測(cè)量的方法很難選擇一合適的阻值，以適應(yīng)電流變化范圍較大的情況，尤其是較小電流的準(zhǔn)確測(cè)量。由于測(cè)試系統(tǒng)的特殊要求，需要采集的是階躍信號(hào)，因而電動(dòng)機(jī)的電流變化范圍較大（從毫安級(jí)到十幾安），所以上述的串電阻直接測(cè)量的方法很難滿足測(cè)試系統(tǒng)精度要求。
鑒于此，我們做了大量的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，最后選擇了美國(guó)MAXIM公司最新生產(chǎn)的電流／電壓轉(zhuǎn)換器MAX472，其響應(yīng)時(shí)間、線性度、漂移等指標(biāo)均很理想，且能適應(yīng)大范圍大電流的測(cè)量，經(jīng)過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試，很好地滿足了本系統(tǒng)的要求。下面介紹該芯片的工作原理及其在測(cè)試系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。
1.1 MAX472的工作原理
MAX 472的工作原理如圖１所示，方框內(nèi)的部分是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中A1和A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，構(gòu)成差動(dòng)輸入，這樣可以增強(qiáng)抗干擾能力，提高小電流信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確度；Q1和Q2是兩個(gè)三極管；COMP是一比較器；Rsence是電流采樣電阻，測(cè)試系統(tǒng)采用熱穩(wěn)定性好、漂移小的康銅絲制作。方框外面的部分是用戶可以根據(jù)自己的需要而改變的電路。其工作原理詳述如下：
假定電流是從左向右（如圖１中Iload方向所示）流過(guò)電流采樣電阻Rsence管腳OUT通過(guò)一電阻Rout接地。這樣，運(yùn)放A1工作，產(chǎn)生電流Iout從Q1的發(fā)射極流出。而此時(shí)運(yùn)放A2是截止的，沒(méi)有電流從Q2流出。A1的負(fù)輸入端（－）電位為：
根據(jù)（5）式Rsence取較小的值。通過(guò)（Rout／RG1）把比例Ｐ設(shè)置一個(gè)合適的值。對(duì)于小電流，可以獲得較大的輸出測(cè)量電壓Vout,避免前述直接測(cè)量電壓信號(hào)太小的缺點(diǎn)，對(duì)于較大的電流，又不會(huì)對(duì)電路的帶載能力產(chǎn)生較大的影響。在電路的具體應(yīng)用中，電路各參數(shù)具體計(jì)算要滿足該芯片技術(shù)條件要求：
1.2 MAX472在測(cè)試系統(tǒng)中的具體應(yīng)用
MAX472在測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖２所示。
在圖２中，功率驅(qū)動(dòng)模塊SWITCH POWER是實(shí)現(xiàn)施加階躍電壓的電路。MOTOR為永磁直流電動(dòng)機(jī)，是測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象。
電流采樣電阻Rsence的選擇很重要，它的選擇決定了電壓／電流的轉(zhuǎn)換比例P。對(duì)于較小的電流，Rsence的選擇須使得Ｐ較大，才能使得轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓不至于太小而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。而圖２所示的MAX472的應(yīng)用電路，正是可以通過(guò)調(diào)整其中的RG1、RG2和Rout來(lái)調(diào)整P,從而獲得較理想的 P。理想的P的獲得是一個(gè)試湊計(jì)算的過(guò)程。
下面根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，具體計(jì)算電路的各項(xiàng)參數(shù)。
已知測(cè)試系統(tǒng)最大電流為4A最小電流為100mA,電動(dòng)機(jī)額定工作電壓為24V（階躍電壓由20V到24V）。應(yīng)根據(jù)上述已知條件初選Rsence的阻值為0.02Ω。轉(zhuǎn)換電路首先必須滿足對(duì)最大電流的測(cè)量。所以，根據(jù)最大轉(zhuǎn)換電流和1.1節(jié)中的要求（1）和（2），計(jì)算Rout和RG1(=RG2)。
由（4）式得：
如此小的壓降對(duì)電路的帶載能力的影響可以忽略。
經(jīng)過(guò)上述的計(jì)算，可以看出初選的Rsence值為0.02 Ω還是比較合適的。如果初選的值不合適，可以試著用其它的值按上述的過(guò)程來(lái)計(jì)算，直到獲得較理想的P值。
２ 精度分析
2.1 測(cè)試曲線的精度分析
根據(jù)上述計(jì)算的電路參數(shù)，將其應(yīng)用到測(cè)試系統(tǒng)電路（圖２所示）中，并實(shí)際采集了電動(dòng)機(jī)的階躍響應(yīng)電流（階躍電壓為從20V加到24V），經(jīng)此電流／電壓轉(zhuǎn)換后的電壓響應(yīng)曲線如圖３所示。
曲線中的波動(dòng)是由于電動(dòng)機(jī)電刷的換向引起電刷接觸情況的變化產(chǎn)生的。由此響應(yīng)曲線橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為電流轉(zhuǎn)化成的電壓 可以看出：
（1） MAX472準(zhǔn)確地反映了電動(dòng)機(jī)受到階躍電壓沖擊后的電流瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。階躍電壓是從第500個(gè)采樣點(diǎn)開(kāi)始加的，由曲線可以看出，響應(yīng)也是從第500個(gè)采樣點(diǎn)開(kāi)始的，幾乎沒(méi)有延遲，完全達(dá)到了系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度；
（２）通過(guò)設(shè)定的比例計(jì)算出實(shí)際的電動(dòng)機(jī)電流ｉ并分別求得前后兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的均值(20V穩(wěn)態(tài)為364.32mA,24V穩(wěn)態(tài)為409.11mA)，與用高精度的電流表測(cè)出的這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的電流值（20V穩(wěn)態(tài)為367.56mA,24V穩(wěn)態(tài)為412.33mA）基本吻合，說(shuō)明MAX472的測(cè)量精度和線性度都很好。
2.2系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果精度分析
采集到的電動(dòng)機(jī)的電壓u、由圖２所示電路轉(zhuǎn)換的電流i和用高精度M/T法測(cè)量的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)辨識(shí)的理論和方法，得到了電動(dòng)機(jī)的有關(guān)靜態(tài)參數(shù)Ra、Ke、J、fr。
針對(duì)ZD267進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共測(cè)得20次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，靜態(tài)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果的相對(duì)誤差平均值如下：
這里的誤差包括硬件引起的誤差、電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型近似誤差、軟件算法中數(shù)據(jù)處理的誤差等，是綜合的誤差，體現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試誤差精度。各辨識(shí)參數(shù)的平均相對(duì)誤差均小于5.0% ,這樣的精度，對(duì)工程實(shí)踐來(lái)講是很高的。也說(shuō)明了MAX472測(cè)量的精度也是很高的。
總之，MAX472很好地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)電流的測(cè)量，滿足了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度和速度要求，是比較理想的一種電流／電壓轉(zhuǎn)換測(cè)量方案。
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