一種高性能電流傳感器的應用方案

       電流傳感器主要用于檢測電流、電機轉子位置和速度，是優(yōu)化電機控制系統的重要環(huán)節。隨著(zhù)AMR傳感器技術(shù)的發(fā)展，目前已可以將傳感器和信號處理電路集成到單個(gè)芯片中，顯著(zhù)提高了電流傳感的精度、可靠性和性?xún)r(jià)比。

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

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

       而當我們談到最新的電子系統時(shí)，不得不提到無(wú)刷直流電動(dòng)機，因其具備高可靠性和長(cháng)使用壽命等特點(diǎn)，目前已成為工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)、醫療和保健設備的主要部件。

       想要充分利用這些電機的性能，合理優(yōu)化的驅動(dòng)電路就顯得至關(guān)重要，它需要快速而精確的電流檢測，并以此提供狀態(tài)反饋來(lái)確定電機運行情況。無(wú)刷直流電動(dòng)機是同步裝置，因為定子磁鏈和電機相電流必須與轉子位置保持同步。為了使電機正常運行，必須監測定子中的磁通量，這可以通過(guò)監測電流大小來(lái)實(shí)現。而電流反饋必須快速精確，才能準確控制電機相電流。

       如果驅動(dòng)電流和反電動(dòng)勢(CEMF)不同步，則無(wú)刷直流電動(dòng)機無(wú)法有效運行，甚至可能會(huì )停止，這就是必須要監測電機電路中電流的另一個(gè)重要原因。另一種監測電機的方法，是采用矢量控制，也叫做磁場(chǎng)定向控制。即在電機控制和機器人技術(shù)中，使用反電動(dòng)勢產(chǎn)生的電壓來(lái)推斷電機的旋轉速度，這是一種用于實(shí)現三相系統磁通和轉矩的解耦控制的數字技術(shù)，該算法基于對電機電流的嚴格控制，所以必須高精度實(shí)時(shí)檢測電機電流，從而優(yōu)化電機控制。

       現代電機控制系統需要精確的、信號完整的反饋，以便正確執行所需的系統控制信號，正確處理驅動(dòng)系統參數如速度和扭矩，同時(shí)提供系統穩定性。而正確的解決方案，是只針對差分信號進(jìn)行測量，抑制PWM周期引起的共模瞬態(tài)信號，從而實(shí)現精確的反饋和控制。

沒(méi)有反饋就沒(méi)有精度

       電流傳感器是優(yōu)化電機控制系統的關(guān)鍵元件之一，用于檢測旋轉電機的電流、位置和速度。

       在電機控制系統中，主要有三種電流檢測方式，即高壓側檢測、低壓側檢測及在線(xiàn)檢測，每種方法都各有其優(yōu)點(diǎn)。例如，當使用脈沖寬度調制（PWM）信號驅動(dòng)電機時(shí)，由于共模瞬態(tài)（dV/dt），很難獲得準確的測量值；在三相電機系統中，由多相PWM信號驅動(dòng)負載。

       一般來(lái)說(shuō)，由于缺少電刷等因素，無(wú)刷電機比有刷電機效率更高，它的電機是電動(dòng)換向而不是機械換向；同時(shí)，電動(dòng)換向實(shí)行無(wú)火花操作，沒(méi)有機械磨損部件，因此能更好地延長(cháng)產(chǎn)品壽命。當然，為了達到最高效率，電機就會(huì )越復雜，控制電子設備也就越精密。

       最傳統的方法，便是使用分流電阻器作為電流傳感器，通過(guò)測量電路中的電壓降來(lái)確定流過(guò)電路的電流。雖然電阻提供了良好的動(dòng)態(tài)性能和線(xiàn)性度，但使用分流電阻器在高電流和低電流都有局限性。我們當然可以使用有源補償來(lái)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)日益嚴重的散熱管理問(wèn)題。此外，由于分流傳感器是通過(guò)觸點(diǎn)安裝，這又增加了系統的復雜性和電路故障率。

       當電流通過(guò)導線(xiàn)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(lái)測量電流。

       為了使AMR傳感器測量與其方向平行的磁場(chǎng)大小，通常會(huì )在A(yíng)MR材料上使用U形導體，導體上流過(guò)電流，并在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。而AMR傳感器則位于與芯片對稱(chēng)軸等距的載流導體頂部，AMR就可以檢測出平行磁場(chǎng)的大小。

       隨后，傳感器將磁場(chǎng)量轉換為電壓。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。傳感器與電機驅動(dòng)電路的唯一媒介，是它所測量的磁場(chǎng)，所以AMR芯片就像變壓器一樣是電隔離的。

       由于A(yíng)MR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(wú)功耗的隔離的電流檢測。此外，通過(guò)主動(dòng)反饋回路偏移，使電路能夠調整增益參數并主動(dòng)補償傳感器偏移，從而實(shí)現更精準的輸出。新納的電流傳感器在用于復雜電力系統（如復雜精密電機驅動(dòng)器）時(shí)，與傳統的（使用分流器或運算放大器和比較器）板級解決方相比，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處理電路集成到單個(gè)芯片中，以經(jīng)濟高效的方式顯著(zhù)提高了電流傳感的準確性和可靠性。在最新的電機控制系統中，控制回路中使用了多個(gè)傳感器，并通過(guò)檢測可能的電機損壞故障情況來(lái)改進(jìn)保護電路。

電路保護至關(guān)重要

       在電機控制系統中，性能優(yōu)異的電流傳感器的另一個(gè)重要作用，是優(yōu)化驅動(dòng)電機保護電路。就下一代高性能產(chǎn)品而言，要確保電機系統更快的速度、更高的功率水平和長(cháng)時(shí)間運行，這需要用最佳的電路保護解決方案來(lái)保駕護航。在現代系統中，由于高頻和高功率的要求，需要實(shí)時(shí)監控各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，傳統 “熔斷”保險絲已不適用于在這些電路中使用。

       過(guò)流檢測，不僅僅是大功率電路保護應用必備的（如電機驅動(dòng)器），它還對系統中的其他電路至關(guān)重要。大多數電機中都有位置傳感器和角度傳感器，而這些子系統很容易受到外部干擾及供電異常的影響。在復雜的電機應用中，使用保險絲進(jìn)行電路保護并不能提供任何設備實(shí)時(shí)數據，這不利于工程師排除問(wèn)題并找到新的解決方案。

       實(shí)際上，在一個(gè)電機系統中，任何供電電路都可以通過(guò)使用電流傳感器來(lái)優(yōu)化過(guò)流檢測響應。整個(gè)系統的安全性至關(guān)重要，像新納的AMR電流傳感解決方案，因為它的響應速度快，電流測量范圍也很寬，所以能夠很好地解決過(guò)流檢測問(wèn)題。由于A(yíng)MR電流傳感器本身是隔離的，因此在電路的高壓側和低壓側都可以使用，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(wú)功耗和快速輸出等特點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)主動(dòng)反饋回路偏移，來(lái)調整增益參數并主動(dòng)補償傳感器偏移。電流檢測是系統過(guò)流和欠壓保護的關(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(hù)錯誤操作、電纜和連接器輕微損壞等引起的性能和安全問(wèn)題。

       利用高性能AMR電流傳感器智能化監測電機驅動(dòng)器，可以保護電路和其中的電機免受有意無(wú)意的電路問(wèn)題的影響。例如，在高壓側使用新納 AMR電流傳感器，可以檢測相電流的接地故障（可能是由于接線(xiàn)錯誤、老化等原因），從而保護整個(gè)電路。

       在電動(dòng)系統中，功率和發(fā)熱密不可分，無(wú)論是電功效率還是機械效率。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，也更容易處理系統遇到的可能增加的任何外部熱量。

性能優(yōu)勢

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

共模瞬變可能會(huì )產(chǎn)生過(guò)沖和欠壓現象，這可能會(huì )由于一系列因素導致整體系統效率降低等問(wèn)題，這些因數包括錯誤觸發(fā)、控制電流波動(dòng)以及扭轉矩波動(dòng)（電機旋轉時(shí)轉矩輸出的周期性變化）。引起這些問(wèn)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，所以精確的電機結構是解決問(wèn)題的第一步。此外，解決該問(wèn)題的最佳方法，是通過(guò)高精準地測量電流來(lái)相應調整扭矩，達到動(dòng)態(tài)控制系統。

基于A(yíng)MR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)行絕對值測量，因此也非常適合大功率電氣設備應用，如電機控制。

結語(yǔ)

       在電機控制應用中，電流檢測是電機反饋的基礎，可以使用幾種結構拓撲來(lái)開(kāi)發(fā)這種電流傳感器，它們各有利弊?；贏(yíng)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(wèn)題，還有助于解決電路保護、成本效益、外形尺寸和其他重要的設計問(wèn)題。

文章來(lái)源：https://www.9icnet.com/article/56922.html