如何推進電機控制系統(tǒng)智能化提升？這里有一套組合方案

電機自誕生之日起，就對人類社會的發(fā)展起著極大的推動作用，大大提高了社會的生產(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，小到辦公自動化、家用電器、工業(yè)過程控制、精密機床以及汽車電子等工業(yè)和民用領域。有數(shù)據(jù)顯示，2016年全球電機市場規(guī)模達到了1097億美元，2020年為1313億美元，過去五年電機市場年復合增長率（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，在智能化浪潮的推動下，電機行業(yè)迎來了新的發(fā)展趨勢——智能自動化，要將電機、驅動和控制的設計、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)都在為未來實現(xiàn)電機智能自動化而努力著，而控制技術則是智能自動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，控制技術的任務是控制電機轉矩、轉速、位置等參數(shù)，使電機完成規(guī)定的動作，實現(xiàn)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(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，終端解決方案的價格昂貴且體積較大，這是因為旋變器本身會占用較大的物理空間。另外，無傳感器方案也可用于檢測反電動勢電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機啟動性能可能是個問題，因為這時不會產(chǎn)生反電動勢，因此就無法得到可用的位置數(shù)據(jù)。還有解決方案是利用三個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現(xiàn)，但需要監(jiān)控三個信號。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會產(chǎn)生空間和安裝難題。

然而，相比于以上的幾種技術，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，不僅可實現(xiàn)高角度精度，而且可將一個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(tǒng)，并且能夠在電機總成內(nèi)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(diào)節(jié)器集成在一起，為電機驅動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），并簡化系統(tǒng)設計考量。

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

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

精確采樣的電流檢測技術為可靠性保駕護航

在電機的驅動控制開發(fā)中，電流檢測也是非常重要的環(huán)節(jié)，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：一是為了確保電機的快速啟動性能，對電機電路主電流信號進行監(jiān)測，讓控制器給出確切的PWM控制信號，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制；二是為了保障電機在實際運行中出現(xiàn)的短路、過流等故障，能夠準確及時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關斷開關以便硬件得到保護。

也就是說，一個典型的電機驅動控制系統(tǒng)，應該含有母線電流檢測、電機相電流檢測電路，還可能為了檢測某個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控制系統(tǒng)設計的關鍵。對此，在模數(shù)轉換領域擁有豐富經(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(tǒng)中的分流電阻上進行雙向電流測量，用于在嚴苛環(huán)境下提供所需的準確測量，以及在安全性至關重要的應用中提供診斷，幫助減少轉矩波動和可聽到的噪聲，實現(xiàn)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，在整個溫度范圍內(nèi)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，具有出色的輸入共模抑制性能。此外，在 ?40°C 至 +150°C 的整個溫度范圍內(nèi)，AD8410 都能提供極佳的性能。它采用封裝調(diào)整內(nèi)核，在整個工作溫度范圍和共模電壓范圍內(nèi)，失調(diào)漂移典型值為 1.0 μV/°C。AD8410 通過汽車應用認證。該器件集成專利電路，在脈沖寬度調(diào)制(PWM)類輸入共模電壓下具有高輸出精度。

結語

在工業(yè)領域，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間，增加產(chǎn)出和制造生產(chǎn)力，同時也能夠降低能耗。例如通過精準的位置和扭矩控制，實現(xiàn)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間加工一個復雜的部件。另一方面，該產(chǎn)品組合在汽車領域也能夠滿足提高性能，實現(xiàn)更順暢、更高效的電機控制的要求，此外還提供了在EPS或制動系統(tǒng)等安全性至關重要的應用中實現(xiàn)高ASIL要求所需的冗余。