社会中机动化应用的扩展需要先进的电力管理方法来减少电力消耗并优化功能

作者:Teoman Ustun，汽车事业部副总裁，ACEINNA

图1：下一代功率传感技术对未来的交通工具、相关充电基础设施以及工业电机和设备至关重要

 

最新电子系统（尤其是机动产品）的功率和功能的增长，导致对效率、精度、可靠性和安全性的要求越来越高。这些新一代产品对精确功率和运动控制的需求给电子设计工程师带来压力，要求他们开发优化的控制电子产品。这些解决方案必须以经济高效的方式解决应用的性能需求以及部署它们的管理环境的性能需求。

当谈到最新的电子系统时，无刷直流电机由于其高可靠性和长的运行寿命，是工业自动化、汽车、医疗和保健设备的主要产品。

为了充分利用这些电机，重要的是要适当优化驱动器电子器件，配备快速精确的电流传感，以提供所需的性能反馈，从而确定电机性能。无刷直流电机是同步装置，因为定子磁通量以及电机相电流必须与转子位置保持同步。为了使电机正常运行，必须监测定子中的磁通量，这可以通过考虑电流来实现。电流反馈必须快速准确，以准确控制电机相电流。

如果驱动电流和反电动势（也称为反EMF、CEMF、反EMF）不同相，则BLDC无法有效运行，甚至可能停止。这是必须监测电机电路中电流的另一个重要原因。另一种方法是使用矢量控制，也称为磁场定向控制，是监控电机的另一种方式。在电机控制和机器人中，反电动势通常意味着使用产生的电压来推断电机的转速。一种数学技术用于实现三相系统中磁通和转矩的解耦控制。该算法基于对电机电流的严格管理，必须以高精度实时感测电机电流，以优化电机控制。

现代电机控制系统需要精确的反馈和信号完整性，以便正确执行所需的系统控制和稳定性水平，正确管理驱动系统参数，如速度和扭矩，同时提供系统稳定性。正确的解决方案将只针对差分信号进行测量，拒绝PWM循环导致的共模瞬态，以实现精确和准确的反馈和控制。

无反馈就无精度

电流传感器是优化电机控制系统的一个重要方面，用于帮助感测旋转电机的电流、位置和速度。AMR传感器技术的最新进展以经济高效的方式显著提高了电流传感的准确性和可靠性。最新的解决方案将传感器和信号调节电路集成到单个封装中。在最新的电机控制系统中，控制回路中使用了多个传感器，并通过检测可能损坏电机的故障状况来改善电路保护。

图2：大功率电流传感器用于许多不同类型的电力应用，包括广泛的运输和工业应用，以及电信和服务器群

 

测量电机控制系统中电流的三种主要方法是高压侧测量、低压侧测量和在线测量。每个都有其优点。例如，当脉宽调制（PWM）信号用于驱动电机时，由于共模瞬态（dV/dt），很难获得准确的测量值。在三相电机中，PWM多相信号驱动负载。

通常，无刷电机比有刷电机效率更高，这种效率的提高是由于缺少电刷等因素，因为电机是电动换向而不是机械换向。由于没有机械磨损部件以及相关的无火花操作，电气换向也会带来积极的效果，如延长产品寿命。然而，电机越复杂，控制电子器件就必须越复杂才能实现最大效率。

最基本的方法之一是使用分流电流传感器，该传感器测量电机电路中的电压降，以确定流过电机电路的电流。一种使用分流传感器提供良好动态性能和线性度的电阻方法，在高电流和低电流下都有限制。人们可以使用有源补偿来克服这些限制，但在高电流下，分流器中的功耗本身就成为一个日益严重的热管理问题。此外，并联传感器是基于接触的，增加了系统复杂性和电路故障的可能性。

当电流通过导线时，会产生一个成比例的磁场，AMR传感利用了这一事实，用于测量电流的IC。

AMR传感器测量平行于其感测方向的磁场的大小。配置传感器以使其能够测量磁场的通常方式是使用位于AMR材料上方的U形导体。导体通过其周围的磁场承载感兴趣的电流。AMR传感器位于相对的载流导体的顶部，与传感器的对称轴距离相等。平行于AMR传感器的感测方向的磁场大小给出输出信号。

图3：AMR传感器通过使用位于AMR材料上方的U形导体测量平行于其感测方向的磁场大小

 

然后传感器将磁性测量值转换为电压。AMR技术使用坡莫合金，这是一种镍和铁的合金，在磁场作用下，其电阻会成比例地变化。传感器与电机驱动电路的唯一接触是它测量的磁场，因此就像变压器一样，AMR芯片是电隔离的。

由于各向异性磁阻（AMR）电流感测器件（如ACEINNA的器件）是非接触式的，因此它们提供电流隔离而无功耗。此外，它们还可以实现更快的读出，同时通过有源反馈回路校正偏移，使电路能够调整增益参数并主动补偿传感器偏移。当用于先进的电力系统（如复杂的电机驱动器）时，与使用分流器或运算放大器和比较器的传统板级解决方案相比，该

 

图4：与其他类型的电流传感技术相比，基于AMR的电流传感解决方案具有多种优势

电路保护至关重要

先进的电流传感在运动控制系统中的另一个重要作用是优化电机驱动器的电路保护。在高性能产品的情况下，下一代机动系统的速度、功率水平和长运行时间要求最好的电路保护解决方案。在现代系统中，传统的“熔断”保险丝不适合这些先进的驱动电路，因为其较高的开关速度和功率水平要求实时监控每个关键方面。

过电流检测不仅仅是管理像电机驱动这样的高功率应用，它还对保护系统中的其他电路至关重要。大多数运动应用具有位置感测和角度传感器，这些子系统非常容易受到干扰和功率不规则性的影响。对于高级应用，使用保险丝进行电路保护不会提供任何有关电力电子设备实时性能的数据。这将防碍工程师为创建解决方案而排除问题。

实际上任何供电电路的电动系统中的过电流检测响应，都可以通过使用电流传感器来优化。整个系统的安全性至关重要，像ACEINNA这样的AMR电流传感解决方案能够很好地解决过电流检测问题，因为其响应速度非常快，电流测量范围大。由于AMR电流传感器本质上是隔离的，因此可以在电路的高侧和低侧使用AMR电流，从而在最终设计中提高性能和安全性。

像ACEINNA的电流传感器这样的先进器件是非接触式的，提供电流隔离、无功耗和更快的读出，同时通过有源反馈回路校正偏移，以调整增益参数并主动补偿传感器偏移。电流测量是防止电子系统损坏的过电流和欠电流保护的一个关键方面，利用AMR传感器的智能故障管理还可以解决性能和安全问题，如用户错误和电缆和连接器的轻微损坏。

利用先进的AMR电流传感器进行监控的智能电机驱动器方法可以保护电路和其中的电机免受电路问题（无论是有意还是无意）的影响，同时优化性能。例如，在高压侧使用ACEINNA AMR电流传感器可以检测相电流的接地故障（可能是由于错误接线、老化等），从而保护整个电路。

由于电子和运动效率低下，电力和热量在机动系统中密不可分。先进的电流传感使电路尽可能高效，减少废热，并使其更容易解决系统遇到的任何可能增加热负荷的外部热量。电机驱动器电路产生的热量也会影响共封装电子器件的性能，特别是敏感的模拟元件，迫使这些产品在高得多的工作温度下工作。

性能优势 

图5：功率因数校正（PFC）提高了功率因数比，从而改善了电能质量，减少了电网压力，提高了设备的能效，同时降低了电力成本

 

电能质量是先进机动产品高效运行的关键因素，系统的功率因数是其中的重要组成部分。功率因数校正（PFC）提高了功率因数比，从而提高了电能质量，降低了电网压力，提高了设备的能效，同时降低了电力成本。在电路的低压侧使用先进的电流感测可提高可用功率。尺寸也是一个考虑因素，尤其是在消费者和军用/航空应用中，因此ACEINNA的AMR电流传感器的集成方面减少了部件数量和所需的电路板空间。

 

共模瞬态会产生过冲和下冲现象，这会导致反馈问题，包括错误触发、控制电流波动，以及由于扭矩波动、电机旋转时扭矩输出的周期性变化等原因导致的整体系统效率降低。原因包括每个相的单个绕组中的轻微不一致，因此实际电机的精确构造是良好的第一步。除此之外，处理这种现象的最佳方法是通过动态控制系统，该系统要求测量电流的高精度以相应地调整扭矩。

基于AMR的解决方案不仅在尺寸上优于分流器，而且比基于分流器的解决方案更高效，并且产生的热量比那些传统方法更低。此外，AMR芯片具有较宽的工作带宽和比基于霍尔的系统更高的采样率，且成本更低。AMR传感方法的另一个优点是它可以进行绝对测量，而不仅仅是跟踪电路的变化。它也非常适合于高功率电流传感应用，如电机控制。

 

向前行驶

在电机控制应用中，电流测量是提供电机反馈的基础。可以使用几种拓扑来开发这种电流感测，都有优缺点。基于AMR的电流传感解决方案不仅可以解决性能、可靠性和安全性问题，还可以帮助解决电路保护、成本效益、形状因素和其他重要的设计问题。

 

www.aceinna.com