采用先进的电流传感技术提高系统中的电机性能
日期：2023-07-17
今天，越来越多的电动消费产品、工业系统和车辆正在投入使用，市场期望要求最高水平的性能
作者：ACEINNA Teoman Ustun
解决电机控制电路优化的最佳方法之一是使用先进的电流传感解决方案。我们生活在一个破坏性增长的时代，随着从替代能源系统到宽带隙半导体的进步，新技术既有利于社会，也有挑战社会。我们越来越技术化的社会的一个方面是电动自行车、汽车和公共汽车等动力系统的日益普及。对经济性、效率、功耗和功能性的需求给工程界带来了巨大的压力，以满足这些需求。
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图1：电气化正在影响我们世界的许多不同方面——但最大和最明显的影响可能是车辆领域——电动汽车、公共汽车、卡车甚至自行车——所有这些都需要最新一代安全、高效和负担得起的电流传感解决方案
这些对电子系统中更高水平的效率、精度、可靠性和安全性的日益增长的需求，特别是电机控制和功率转换，需要优化的控制电子设备。这些解决方案不仅必须满足客户和相关应用程序的性能需求，还必须满足其将要使用的地区的监管环境。
驱动无刷直流电机在各种类型的电机中，无刷直流（BLDC）电机用于各种工业、汽车、医疗和消费品。这是由于该设计在较长的使用寿命内具有高可靠性。当涉及到这一点，或实际上任何类型的电机时，驱动电子器件是至关重要的。电路中的任何低效率不仅会导致低于标准的电机性能，还将在热管理等领域产生一系列问题。
没有反馈就没有精度，这也适用于动力系统。在功率转换和驱动电路中使用快速准确的电流传感，可提供精确的反馈，以获得最佳电机性能（图1）。无刷直流电机是同步装置，这意味着定子磁通和电机相电流必须与转子保持同步。这意味着必须监测定子中的磁通量，并提供快速准确的电流反馈，以精确控制电机。
监测电机控制电路的最重要原因之一是，如果驱动电流和反电动势（也称为CEMF）不保持同相，电机将无法正常运行，甚至可能停止。电路采用磁场定向控制，也称为矢量控制，反电动势通常意味着监测产生的电压，以确定电机的速度。用于三相系统中磁通和转矩的解耦控制的解决方案要求实时准确地感应电机电流，以实现最佳电机控制。
为了提供具有所需信号完整性的精确反馈，以达到所需的系统控制和稳定性水平，尤其是在管理速度和扭矩等电机驱动因素时，先进的电流传感器是最佳解决方案。除了提供更高的系统稳定性外，先进的电流传感解决方案还将进行测量，以抑制PWM循环产生的共模瞬态，确保精确的反馈和电机控制。
AMR传感器技术
感应电流是一种古老的方法，它一直是任何高性能电机控制系统的一部分，用于帮助确定旋转电机的电流、位置和速度。在过去的几年里，各向异性磁阻（AMR）传感器技术的进步提高了电流传感的准确性和可靠性。最新的AMR传感器提供了一种经济高效的解决方案，将信号调节电路集成到同一个封装中，以解决一系列电源应用（图1）。为了获得电路中最准确的信息，可以在控制回路中使用多个传感器，这也可以通过检测可能损坏电机的故障状况来改善电路保护。
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图2：电流传感器是广泛应用中的关键电源管理组件，从电器和工具到电动汽车充电基础设施，再到服务器群和电信系统
测量电流的每一种最流行的方法，高侧、低侧和内联，都有优点。在诸如使用脉宽调制（PWM）信号来驱动电机的情况下，可以使用多种方法。在这样的电路中，由于共模瞬态（dV/dt），很难获得准确的测量结果。
例如，在三相电机中，PWM多相信号驱动负载，使得电流测量既必要又具有挑战性。先进的电流传感解决方案可以满足这些苛刻的要求。
电阻法具有良好的动态性能和线性，是监测电机性能的传统方法，包括使用分流电流传感器测量电路中的电压降以确定电流。尽管在高电流和低电流下的限制都可以通过有源补偿来解决，但在高电流下，分流器本身的功率耗散成为一个日益严重的热管理问题。由于并联传感器是接触型，因此还涉及额外的系统复杂性和电路故障问题。
AMR感应利用电流通过导线时产生的磁场，测量平行于感应方向的磁场大小。通常被配置为使用定位在AMR材料上的U形导体测量磁场，AMR传感器位于相对的载流导体的顶部，与传感器的对称轴相距相等的距离。输出信号基于平行于AMR传感器感应方向的磁场大小（图2）。
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图3：ACEINNA的电流传感器包括一个AMR传感器芯片，该芯片通过U形铜迹线检测电流产生的磁场并产生电压信号
AMR传感器使用坡莫合金——一种镍和铁的合金，当受到磁场时，其电阻会成比例变化，将测量值转化为电压。AMR芯片也被电隔离，因为在传感器和被测量的电机驱动电路之间没有接触，从而在没有功耗的情况下提供电流隔离。
AMR传感器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。作为一种集成传感解决方案，高级AMR器件的占位面积比使用分流器或运算放大器和比较器的传统板级解决方案小得多（图3）。
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图4：一种集成解决方案，基于AMR的电流传感与传统的电流传感技术（如霍尔效应、电流和电阻器）相比具有多种优势
保护很重要
优化电机驱动电路保护的能力是另一个力量倍增器；AMR传感解决方案使运动控制系统能够优化其电路保护。下一代机动系统的速度、功率水平和长操作时间意味着传统的“熔断”保险丝是不够的，因为更高的开关速度和功率水平需要实时操作。过电流感应不仅仅是管理电机驱动等高功率应用的一种方式，对保护系统中的其他电路也至关重要。像位置传感和角度传感器这样的子系统非常容易受到干扰和电源不规则的影响，在关键应用中，保险丝不会给你任何数据，从而使工程师无法排除问题。
像ACEINNA这样的AMR电流传感解决方案由于其快速响应和宽电流测量范围而改进了过电流检测。
固有隔离的AMR电流传感器可以用于电路的高侧和低侧，从而提高性能以及安全性和可靠性。ACEINNA的非接触式电流传感器通过主动反馈回路校正偏移，以调整增益参数并主动补偿传感器偏移。
使用AMR传感器还可以解决性能和安全问题，如用户错误以及电缆和连接器的轻微损坏，无论是有意还是无意，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，这可能是由于接线错误、PCB老化或其他磨损因素造成的，从而保护整个系统。
任何高性能运动系统都存在热管理问题，从功率转换到电机管理效率低下，而先进的电流传感使电路尽可能高效。对电路的密切监控减少了内部废热，使其更容易解决可能增加热负荷的任何外部热量。电机驱动电路也会产生热量，影响共封装电子器件的性能，尤其是敏感的模拟元件。
性能优势
当今先进电动产品高效运行的一个非常重要的部分是电能质量，电路的功率因数校正（PFC）提高了功率因数比，减少了电网应力，同时提高了电路的能效（图4）。例如，在电路的低电压侧上的高级电流感测提高了可用功率。.jpg)
图5：使用功率因数校正（PFC）来修改功率因数比可以降低电力成本，同时提高整体电能质量，减少电网应力，也许最重要的是，提高设备的能效
AMR芯片还具有宽的工作带宽，比基于霍尔的系统具有更高的采样率，同时成本也更低。另一个优点是，它可以进行绝对测量，而不仅仅是跟踪电路中的变化。
尺寸也是当今产品的一个重要方面，无论它们是用于消费、工业还是军用/航空应用。ACEINNA的AMR电流传感器的集成方面减少了所需的板空间。它比基于分流器的解决方案更高效，比传统方法产生的废热更少，进一步减少了热管理所需的空间。
结论
电流测量是提供任何电机控制应用性能反馈的基础，可以使用几种拓扑结构来开发电流传感解决方案。可以采用几种传统方法，每种方法都有其优缺点。基于AMR的电流传感解决方案可以解决性能、可靠性和安全性问题，并有助于满足各种市场的法规要求。AMR传感器还可以帮助解决电路保护、整体系统成本效益、产品尺寸和其他重要的电路设计问题。
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