如何推進(jìn)電機控制系統智能化提升？這里有一套組合方案

電機自誕生之日起，就對人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展起著(zhù)極大的推動(dòng)作用，大大提高了社會(huì )的生產(chǎn)力水平。電機的應用涉及到生活的方方面面，大到軍事、航空，小到辦公自動(dòng)化、家用電器、工業(yè)過(guò)程控制、精密機床以及汽車(chē)電子等工業(yè)和民用領(lǐng)域。有數據顯示，2016年全球電機市場(chǎng)規模達到了1097億美元，2020年為1313億美元，過(guò)去五年電機市場(chǎng)年復合增長(cháng)率（CAGR）為3.66%，預計2027年將達到2072億美元，預測期間CAGR將高達6.79%。

近年來(lái)，在智能化浪潮的推動(dòng)下，電機行業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展趨勢——智能自動(dòng)化，要將電機、驅動(dòng)和控制的設計、制造到運行、維護都更為緊密地融為一體，目前很多電機企業(yè)都在為未來(lái)實(shí)現電機智能自動(dòng)化而努力著(zhù)，而控制技術(shù)則是智能自動(dòng)化道路上首要面對的“坎坷”。

電機控制需要低成本、高精準的位置傳感器

對于電機而言，控制技術(shù)的任務(wù)是控制電機轉矩、轉速、位置等參數，使電機完成規定的動(dòng)作，實(shí)現電機的精確控制和高效換向，這其中高分辨率電流和旋轉位置信息至關(guān)重要。目前市面上已有不少解決方案，比如終端解決方案，但是在基于旋變器的系統中，分辨率和精度可能非常高，終端解決方案的價(jià)格昂貴且體積較大，這是因為旋變器本身會(huì )占用較大的物理空間。另外，無(wú)傳感器方案也可用于檢測反電動(dòng)勢電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機啟動(dòng)性能可能是個(gè)問(wèn)題，因為這時(shí)不會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢，因此就無(wú)法得到可用的位置數據。還有解決方案是利用三個(gè)霍爾效應傳感器檢測電機磁體的位置，通常用于對成本敏感的應用中。然而這種情況下，要求的分辨率可以實(shí)現，但需要監控三個(gè)信號。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會(huì )產(chǎn)生空間和安裝難題。

然而，相比于以上的幾種技術(shù)，業(yè)界提出了一種更具優(yōu)勢的替代方案：使用基于異性磁阻(AMR)技術(shù)的角度傳感器，這些傳感器既便宜又精確。借助ARM傳感器，不僅可實(shí)現高角度精度，而且可將一個(gè)檢測元件和電子電路集成在同一封裝中。這可獲得非常小的傳感器子系統，并且能夠在電機總成內定位傳感器。以亞德諾半導體（ADI）公司推出的一款各向異性磁阻 (AMR) 傳感器ADA4570/1為例 ，其將AMR角度傳感器和集成式信號調節器集成在一起，為電機驅動(dòng)器和伺服器應用提供更高精度的絕對位置檢測（誤差<0.1°，使用壽命/溫度<0.5°）。它們能在嚴苛的磁性環(huán)境中可靠運行，支持寬氣隙公差且不降低角誤差精度（與霍爾/GMR/TMR不同），并簡(jiǎn)化系統設計考量。

與工業(yè)應用中的光學(xué)傳感器相比，ADA4570和ADA4571不受灰塵或污垢影響，更具可靠性。與市場(chǎng)上內置校準引擎的數字輸出解決方案相比，它們的延遲非常低。ADA4571生成兩個(gè)單端模擬輸出（正弦和余弦），用于表示周?chē)艌?chǎng)的角位置，ADA4570則生成兩個(gè)差分模擬輸出對。ADA4571的雙版本(ADA4571-2)也可用于安全關(guān)鍵應用中需要完全冗余的地方。

就近年來(lái)許多終端市場(chǎng)和應用中熱度越來(lái)越高的無(wú)刷直流電機（BLDC）來(lái)說(shuō)，ADA4571憑借其在?40°C至+150°C的寬工作溫度范圍下進(jìn)行的生產(chǎn)測試得到的最大角度誤差為0.5°，而且具有內置診斷功能、大輸出電平、EMC保護以及低失調偏移等優(yōu)點(diǎn)，成為了BLDC電機控制中非常理想的傳感器，它能夠實(shí)現高性能BLDC電機控制，而且速度超過(guò)25000 RPM。

精確采樣的電流檢測技術(shù)為可靠性保駕護航

在電機的驅動(dòng)控制開(kāi)發(fā)中，電流檢測也是非常重要的環(huán)節，精確的電流采樣，也是電機良好運轉的必要條件。電流檢測的目的有兩個(gè)：一是為了確保電機的快速啟動(dòng)性能，對電機電路主電流信號進(jìn)行監測，讓控制器給出確切的PWM控制信號，實(shí)現電流閉環(huán)控制；二是為了保障電機在實(shí)際運行中出現的短路、過(guò)流等故障，能夠準確及時(shí)地將這些故障信息反饋給控制器，控制器給出控制信號使得及時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)以便硬件得到保護。

也就是說(shuō)，一個(gè)典型的電機驅動(dòng)控制系統，應該含有母線(xiàn)電流檢測、電機相電流檢測電路，還可能為了檢測某個(gè)功能模塊電路是否正常工作而設置特定的電流檢測電路。因此，如何精確有效地設計電流檢測電路也是電機驅動(dòng)控制系統設計的關(guān)鍵。對此，在模數轉換領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗的ADI也提出了高效的解決方案——高壓、高分辨率和高帶寬分流放大器AD8410，能夠在電機控制系統中的分流電阻上進(jìn)行雙向電流測量，用于在嚴苛環(huán)境下提供所需的準確測量，以及在安全性至關(guān)重要的應用中提供診斷，幫助減少轉矩波動(dòng)和可聽(tīng)到的噪聲，實(shí)現順暢、高效的電機控制。

AD8410 初始增益為20 V/V，具有 2.0 MHz 帶寬，在整個(gè)溫度范圍內的最大增益誤差為 ±0.3%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉換器連接。AD8410 在輸入共模電壓處于 ?2 V 至 +70 V 范圍時(shí)，具有出色的輸入共模抑制性能。此外，在 ?40°C 至 +150°C 的整個(gè)溫度范圍內，AD8410 都能提供極佳的性能。它采用封裝調整內核，在整個(gè)工作溫度范圍和共模電壓范圍內，失調漂移典型值為 1.0 μV/°C。AD8410 通過(guò)汽車(chē)應用認證。該器件集成專(zhuān)利電路，在脈沖寬度調制(PWM)類(lèi)輸入共模電壓下具有高輸出精度。

結語(yǔ)

在工業(yè)領(lǐng)域，ADI公司提供這套電機軸位置和相電流檢查產(chǎn)品組合既可縮短制造步驟完成的時(shí)間，增加產(chǎn)出和制造生產(chǎn)力，同時(shí)也能夠降低能耗。例如通過(guò)精準的位置和扭矩控制，實(shí)現更高的質(zhì)量和更快的加工速度，以及用更少的工序步驟和更短的時(shí)間加工一個(gè)復雜的部件。另一方面，該產(chǎn)品組合在汽車(chē)領(lǐng)域也能夠滿(mǎn)足提高性能，實(shí)現更順暢、更高效的電機控制的要求，此外還提供了在EPS或制動(dòng)系統等安全性至關(guān)重要的應用中實(shí)現高ASIL要求所需的冗余。