一種高性能電流傳感器的應(yīng)用方案

       電流傳感器主要用于檢測(cè)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，是優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。隨著AMR傳感器技術(shù)的發(fā)展，目前已可以將傳感器和信號(hào)處理電路集成到單個(gè)芯片中，顯著提高了電流傳感的精度、可靠性和性價(jià)比。

拓展電動(dòng)化在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用，需要先進(jìn)的電源管理方法來降低功耗和優(yōu)化功能。

最新的電子系統(tǒng)，由于產(chǎn)品功率和功能不斷提升，導(dǎo)致對(duì)效率、精度、可靠性和安全性的要求越來越高，而這也給電子設(shè)計(jì)工程師們帶來了不少壓力：在落實(shí)產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)化控制等解決方案時(shí)，一方面要確保以經(jīng)濟(jì)高效的方式滿足應(yīng)用程序的性能需求，同時(shí)還要滿足其在監(jiān)管環(huán)境下的性能需求。

       而當(dāng)我們談到最新的電子系統(tǒng)時(shí)，不得不提到無刷直流電動(dòng)機(jī)，因其具備高可靠性和長(zhǎng)使用壽命等特點(diǎn)，目前已成為工業(yè)自動(dòng)化、汽車、醫(yī)療和保健設(shè)備的主要部件。

       想要充分利用這些電機(jī)的性能，合理優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路就顯得至關(guān)重要，它需要快速而精確的電流檢測(cè)，并以此提供狀態(tài)反饋來確定電機(jī)運(yùn)行情況。無刷直流電動(dòng)機(jī)是同步裝置，因?yàn)槎ㄗ哟沛満碗姍C(jī)相電流必須與轉(zhuǎn)子位置保持同步。為了使電機(jī)正常運(yùn)行，必須監(jiān)測(cè)定子中的磁通量，這可以通過監(jiān)測(cè)電流大小來實(shí)現(xiàn)。而電流反饋必須快速精確，才能準(zhǔn)確控制電機(jī)相電流。

       如果驅(qū)動(dòng)電流和反電動(dòng)勢(shì)(CEMF)不同步，則無刷直流電動(dòng)機(jī)無法有效運(yùn)行，甚至可能會(huì)停止，這就是必須要監(jiān)測(cè)電機(jī)電路中電流的另一個(gè)重要原因。另一種監(jiān)測(cè)電機(jī)的方法，是采用矢量控制，也叫做磁場(chǎng)定向控制。即在電機(jī)控制和機(jī)器人技術(shù)中，使用反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電壓來推斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，這是一種用于實(shí)現(xiàn)三相系統(tǒng)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制的數(shù)字技術(shù)，該算法基于對(duì)電機(jī)電流的嚴(yán)格控制，所以必須高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流，從而優(yōu)化電機(jī)控制。

       現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)需要精確的、信號(hào)完整的反饋，以便正確執(zhí)行所需的系統(tǒng)控制信號(hào)，正確處理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如速度和扭矩，同時(shí)提供系統(tǒng)穩(wěn)定性。而正確的解決方案，是只針對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，抑制PWM周期引起的共模瞬態(tài)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的反饋和控制。

沒有反饋就沒有精度

       電流傳感器是優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電流、位置和速度。

       在電機(jī)控制系統(tǒng)中，主要有三種電流檢測(cè)方式，即高壓側(cè)檢測(cè)、低壓側(cè)檢測(cè)及在線檢測(cè)，每種方法都各有其優(yōu)點(diǎn)。例如，當(dāng)使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，由于共模瞬態(tài)（dV/dt），很難獲得準(zhǔn)確的測(cè)量值；在三相電機(jī)系統(tǒng)中，由多相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

       一般來說，由于缺少電刷等因素，無刷電機(jī)比有刷電機(jī)效率更高，它的電機(jī)是電動(dòng)換向而不是機(jī)械換向；同時(shí)，電動(dòng)換向?qū)嵭袩o火花操作，沒有機(jī)械磨損部件，因此能更好地延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。當(dāng)然，為了達(dá)到最高效率，電機(jī)就會(huì)越復(fù)雜，控制電子設(shè)備也就越精密。

       最傳統(tǒng)的方法，便是使用分流電阻器作為電流傳感器，通過測(cè)量電路中的電壓降來確定流過電路的電流。雖然電阻提供了良好的動(dòng)態(tài)性能和線性度，但使用分流電阻器在高電流和低電流都有局限性。我們當(dāng)然可以使用有源補(bǔ)償來克服這些限制，但在大電流下，分流器本身的功耗已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的散熱管理問題。此外，由于分流傳感器是通過觸點(diǎn)安裝，這又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和電路故障率。

       當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)等比例的磁場(chǎng)，而各向異性磁電阻(AMR)電流傳感器正是利用這一自然特性來測(cè)量電流。

       為了使AMR傳感器測(cè)量與其方向平行的磁場(chǎng)大小，通常會(huì)在AMR材料上使用U形導(dǎo)體，導(dǎo)體上流過電流，并在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。而AMR傳感器則位于與芯片對(duì)稱軸等距的載流導(dǎo)體頂部，AMR就可以檢測(cè)出平行磁場(chǎng)的大小。

       隨后，傳感器將磁場(chǎng)量轉(zhuǎn)換為電壓。AMR技術(shù)使用坡莫合金，這是一種鎳和鐵的合金，在磁場(chǎng)作用下，其電阻與磁場(chǎng)會(huì)成比例地變化。傳感器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的唯一媒介，是它所測(cè)量的磁場(chǎng)，所以AMR芯片就像變壓器一樣是電隔離的。

       由于AMR電流傳感裝置是非接觸式的，比如新納的電流傳感器，因此能提供無功耗的隔離的電流檢測(cè)。此外，通過主動(dòng)反饋回路偏移，使電路能夠調(diào)整增益參數(shù)并主動(dòng)補(bǔ)償傳感器偏移，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的輸出。新納的電流傳感器在用于復(fù)雜電力系統(tǒng)（如復(fù)雜精密電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）時(shí)，與傳統(tǒng)的（使用分流器或運(yùn)算放大器和比較器）板級(jí)解決方相比，新納的集成方案將以更小的PCB面積提供所需的性能。

       最新的AMR傳感器技術(shù)，可以將傳感器和信號(hào)處理電路集成到單個(gè)芯片中，以經(jīng)濟(jì)高效的方式顯著提高了電流傳感的準(zhǔn)確性和可靠性。在最新的電機(jī)控制系統(tǒng)中，控制回路中使用了多個(gè)傳感器，并通過檢測(cè)可能的電機(jī)損壞故障情況來改進(jìn)保護(hù)電路。

電路保護(hù)至關(guān)重要

       在電機(jī)控制系統(tǒng)中，性能優(yōu)異的電流傳感器的另一個(gè)重要作用，是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)保護(hù)電路。就下一代高性能產(chǎn)品而言，要確保電機(jī)系統(tǒng)更快的速度、更高的功率水平和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，這需要用最佳的電路保護(hù)解決方案來保駕護(hù)航。在現(xiàn)代系統(tǒng)中，由于高頻和高功率的要求，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng) “熔斷”保險(xiǎn)絲已不適用于在這些電路中使用。

       過流檢測(cè)，不僅僅是大功率電路保護(hù)應(yīng)用必備的（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器），它還對(duì)系統(tǒng)中的其他電路至關(guān)重要。大多數(shù)電機(jī)中都有位置傳感器和角度傳感器，而這些子系統(tǒng)很容易受到外部干擾及供電異常的影響。在復(fù)雜的電機(jī)應(yīng)用中，使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行電路保護(hù)并不能提供任何設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這不利于工程師排除問題并找到新的解決方案。

       實(shí)際上，在一個(gè)電機(jī)系統(tǒng)中，任何供電電路都可以通過使用電流傳感器來優(yōu)化過流檢測(cè)響應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，像新納的AMR電流傳感解決方案，因?yàn)樗捻憫?yīng)速度快，電流測(cè)量范圍也很寬，所以能夠很好地解決過流檢測(cè)問題。由于AMR電流傳感器本身是隔離的，因此在電路的高壓側(cè)和低壓側(cè)都可以使用，從而提高了最終產(chǎn)品的性能和可靠性。

       新納電流傳感器是非接觸式的，具備隔離、無功耗和快速輸出等特點(diǎn)，同時(shí)通過主動(dòng)反饋回路偏移，來調(diào)整增益參數(shù)并主動(dòng)補(bǔ)償傳感器偏移。電流檢測(cè)是系統(tǒng)過流和欠壓保護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)，利用AMR傳感器進(jìn)行智能化故障管理，還可以解決如用戶錯(cuò)誤操作、電纜和連接器輕微損壞等引起的性能和安全問題。

       利用高性能AMR電流傳感器智能化監(jiān)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以保護(hù)電路和其中的電機(jī)免受有意無意的電路問題的影響。例如，在高壓側(cè)使用新納 AMR電流傳感器，可以檢測(cè)相電流的接地故障（可能是由于接線錯(cuò)誤、老化等原因），從而保護(hù)整個(gè)電路。

       在電動(dòng)系統(tǒng)中，功率和發(fā)熱密不可分，無論是電功效率還是機(jī)械效率。而先進(jìn)的電流傳感技術(shù)使電路盡可能高效，減少熱量損耗，也更容易處理系統(tǒng)遇到的可能增加的任何外部熱量。

性能優(yōu)勢(shì)

       電能質(zhì)量是高性能電機(jī)產(chǎn)品高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素，而系統(tǒng)的功率因數(shù)是其重要組成部分。功率因數(shù)校正（PFC）可提高功率因數(shù)比，從而改善電能質(zhì)量，減輕電網(wǎng)壓力，提高設(shè)備的能效，同時(shí)降低電力成本。在電路的低壓側(cè)使用先進(jìn)的電流傳感可以提高有功功率。當(dāng)然，外形也是一個(gè)需要考慮的因素，尤其是在消費(fèi)和軍用/航空應(yīng)用中，使用新納的集成AMR電流傳感器減少了所需的零件數(shù)量和電路板空間。

共模瞬變可能會(huì)產(chǎn)生過沖和欠壓現(xiàn)象，這可能會(huì)由于一系列因素導(dǎo)致整體系統(tǒng)效率降低等問題，這些因數(shù)包括錯(cuò)誤觸發(fā)、控制電流波動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)矩波動(dòng)（電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出的周期性變化）。引起這些問題的一大原因，便是每個(gè)相位的各個(gè)繞組存在輕微的不一致，所以精確的電機(jī)結(jié)構(gòu)是解決問題的第一步。此外，解決該問題的最佳方法，是通過高精準(zhǔn)地測(cè)量電流來相應(yīng)調(diào)整扭矩，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。

基于AMR的解決方案不僅在尺寸上優(yōu)于分流器，而且效率更高，產(chǎn)生的熱量更低。此外，與基于Hall的系統(tǒng)相比，AMR芯片具有高帶寬，其采樣率更高，成本更低。AMR傳感的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是它不僅僅跟蹤電流變化，還可以進(jìn)行絕對(duì)值測(cè)量，因此也非常適合大功率電氣設(shè)備應(yīng)用，如電機(jī)控制。

結(jié)語

       在電機(jī)控制應(yīng)用中，電流檢測(cè)是電機(jī)反饋的基礎(chǔ)，可以使用幾種結(jié)構(gòu)拓?fù)鋪黹_發(fā)這種電流傳感器，它們各有利弊?；贏MR的電流傳感解決方案不僅可以解決性能、可靠性和安全性等問題，還有助于解決電路保護(hù)、成本效益、外形尺寸和其他重要的設(shè)計(jì)問題。

文章來源：https://www.9icnet.com/article/56922.html