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2023年1月13日

高性能电流传感器赋能电动化应用

 

概述：电流传感器主要用于检测电流、电机转子位置和速度，是优化电机控制系统的重要环节。随着AMR传感器技术的发展，目前已可以将传感器和信号处理电路集成到单个芯片中，显著提高了电流传感的精度、可靠性和性价比。

 

拓展电动化在现实场景中的应用，需要先进的电源管理方法来降低功耗和优化功能。

图1下一代电能检测技术对于未来的运输车辆、相关的充电基础设施和工业电机及设备至关重要

最新的电子系统，由于产品功率和功能不断提升，导致对效率、精度、可靠性和安全性的要求越来越高，而这也给电子设计工程师们带来了不少压力：在落实产品开发、优化控制等解决方案时，一方面要确保以经济高效的方式满足应用程序的性能需求，同时还要满足其在监管环境下的性能需求。

而当我们谈到最新的电子系统时，不得不提到无刷直流电动机，因其具备高可靠性和长使用寿命等特点，目前已成为工业自动化、汽车、医疗和保健设备的主要部件。

想要充分利用这些电机的性能，合理优化的驱动电路就显得至关重要，它需要快速而精确的电流检测，并以此提供状态反馈来确定电机运行情况。无刷直流电动机是同步装置，因为定子磁链和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，这可以通过监测电流大小来实现。而电流反馈必须快速精确，才能准确控制电机相电流。

如果驱动电流和反电动势(CEMF)不同步，则无刷直流电动机无法有效运行，甚至可能会停止，这就是必须要监测电机电路中电流的另一个重要原因。另一种监测电机的方法，是采用矢量控制，也叫做磁场定向控制。即在电机控制和机器人技术中，使用反电动势产生的电压来推断电机的旋转速度，这是一种用于实现三相系统磁通和转矩的解耦控制的数字技术，该算法基于对电机电流的严格控制，所以必须高精度实时检测电机电流，从而优化电机控制。

现代电机控制系统需要精确的、信号完整的反馈，以便正确执行所需的系统控制信号，正确处理驱动系统参数如速度和扭矩，同时提供系统稳定性。而正确的解决方案，是只针对差分信号进行测量，抑制PWM周期引起的共模瞬态信号，从而实现精确的反馈和控制。

没有反馈就没有精度

电流传感器是优化电机控制系统的关键元件之一，用于检测旋转电机的电流、位置和速度。

图2大功率电流传感器用于许多不同类型的电力应用领域，包括广泛的交通运输和工业应用，以及电信和服务器厂房

在电机控制系统中，主要有三种电流检测方式，即高压侧检测、低压侧检测及在线检测，每种方法都各有其优点。例如，当使用脉冲宽度调制（PWM）信号驱动电机时，由于共模瞬态（dV/dt），很难获得准确的测量值；在三相电机系统中，由多相PWM信号驱动负载。

一般来说，由于缺少电刷等因素，无刷电机比有刷电机效率更高，它的电机是电动换向而不是机械换向；同时，电动换向实行无火花操作，没有机械磨损部件，因此能更好地延长产品寿命。当然，为了达到最高效率，电机就会越复杂，控制电子设备也就越精密。

最传统的方法，便是使用分流电阻器作为电流传感器，通过测量电路中的电压降来确定流过电路的电流。虽然电阻提供了良好的动态性能和线性度，但使用分流电阻器在高电流和低电流都有局限性。我们当然可以使用有源补偿来克服这些限制，但在大电流下，分流器本身的功耗已成为一个日益严重的散热管理问题。此外，由于分流传感器是通过触点安装，这又增加了系统的复杂性和电路故障率。

当电流通过导线时，会产生一个等比例的磁场，而各向异性磁电阻(AMR)电流传感器正是利用这一自然特性来测量电流。

为了使AMR传感器测量与其方向平行的磁场大小，通常会在AMR材料上使用U形导体，导体上流过电流，并在周围产生磁场。而AMR传感器则位于与芯片对称轴等距的载流导体顶部，AMR就可以检测出平行磁场的大小。

图3 AMR传感器是使AMR材料放置于U型导体上并测量出平行磁场大小

随后，传感器将磁场量转换为电压。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，其电阻与磁场会成比例地变化。传感器与电机驱动电路的唯一媒介，是它所测量的磁场，所以AMR芯片就像变压器一样是电隔离的。

由于AMR电流传感装置是非接触式的，比如新纳的电流传感器，因此能提供无功耗的隔离的电流检测。此外，通过主动反馈回路偏移，使电路能够调整增益参数并主动补偿传感器偏移，从而实现更精准的输出。新纳的电流传感器在用于复杂电力系统（如复杂精密电机驱动器）时，与传统的（使用分流器或运算放大器和比较器）板级解决方相比，新纳的集成方案将以更小的PCB面积提供所需的性能。

图4 基于AMR的电流传感解决方案与其他类型的电流传感技术相比具有多种优势

最新的AMR传感器技术，可以将传感器和信号处理电路集成到单个芯片中，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。在最新的电机控制系统中，控制回路中使用了多个传感器，并通过检测可能的电机损坏故障情况来改进保护电路。

 电路保护至关重要

在电机控制系统中，性能优异的电流传感器的另一个重要作用，是优化驱动电机保护电路。就下一代高性能产品而言，要确保电机系统更快的速度、更高的功率水平和长时间运行，这需要用最佳的电路保护解决方案来保驾护航。在现代系统中，由于高频和高功率的要求，需要实时监控各个关键环节，传统 “熔断”保险丝已不适用于在这些电路中使用。

过流检测，不仅仅是大功率电路保护应用必备的（如电机驱动器），它还对系统中的其他电路至关重要。大多数电机中都有位置传感器和角度传感器，而这些子系统很容易受到外部干扰及供电异常的影响。在复杂的电机应用中，使用保险丝进行电路保护并不能提供任何设备实时数据，这不利于工程师排除问题并找到新的解决方案。

实际上，在一个电机系统中，任何供电电路都可以通过使用电流传感器来优化过流检测响应。整个系统的安全性至关重要，像新纳的AMR电流传感解决方案，因为它的响应速度快，电流测量范围也很宽，所以能够很好地解决过流检测问题。由于AMR电流传感器本身是隔离的，因此在电路的高压侧和低压侧都可以使用，从而提高了最终产品的性能和可靠性。

新纳电流传感器是非接触式的，具备隔离、无功耗和快速输出等特点，同时通过主动反馈回路偏移，来调整增益参数并主动补偿传感器偏移。电流检测是系统过流和欠压保护的关键点，利用AMR传感器进行智能化故障管理，还可以解决如用户错误操作、电缆和连接器轻微损坏等引起的性能和安全问题。

利用高性能AMR电流传感器智能化监测电机驱动器，可以保护电路和其中的电机免受有意无意的电路问题的影响。例如，在高压侧使用新纳 AMR电流传感器，可以检测相电流的接地故障（可能是由于接线错误、老化等原因），从而保护整个电路。

在电动系统中，功率和发热密不可分，无论是电功效率还是机械效率。而先进的电流传感技术使电路尽可能高效，减少热量损耗，也更容易处理系统遇到的可能增加的任何外部热量。

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，减轻了电网压力，提高了设备的能效，同时降低了电力成本

电能质量是高性能电机产品高效运行的关键因素，而系统的功率因数是其重要组成部分。功率因数校正（PFC）可提高功率因数比，从而改善电能质量，减轻电网压力，提高设备的能效，同时降低电力成本。在电路的低压侧使用先进的电流传感可以提高有功功率。当然，外形也是一个需要考虑的因素，尤其是在消费和军用/航空应用中，使用新纳的集成AMR电流传感器减少了所需的零件数量和电路板空间。

共模瞬变可能会产生过冲和欠压现象，这可能会由于一系列因素导致整体系统效率降低等问题，这些因数包括错误触发、控制电流波动以及扭转矩波动（电机旋转时转矩输出的周期性变化）。引起这些问题的一大原因，便是每个相位的各个绕组存在轻微的不一致，所以精确的电机结构是解决问题的第一步。此外，解决该问题的最佳方法，是通过高精准地测量电流来相应调整扭矩，达到动态控制系统。

基于AMR的解决方案不仅在尺寸上优于分流器，而且效率更高，产生的热量更低。此外，与基于Hall的系统相比，AMR芯片具有高带宽，其采样率更高，成本更低。AMR传感的另一个优点，就是它不仅仅跟踪电流变化，还可以进行绝对值测量，因此也非常适合大功率电气设备应用，如电机控制。

 不断向前发展

在电机控制应用中，电流检测是电机反馈的基础，可以使用几种结构拓扑来开发这种电流传感器，它们各有利弊。基于AMR的电流传感解决方案不仅可以解决性能、可靠性和安全性等问题，还有助于解决电路保护、成本效益、外形尺寸和其他重要的设计问题。

 

 

关于新纳传感系统有限公司

        新纳传感系统有限公司是全球领先的MEMS传感解决方案提供商，产品线包括基于磁阻薄膜的高频率高带宽电流传感器、高性能代码开源惯性测量单元（IMU）、高精度实时动态（RTK）导航系统和厘米级精度定位服务。公司在中国无锡设有研发与生产基地，并在波士顿、芝加哥和硅谷设有全球研发中心。请访问新纳官网www.aceinna.cn了解更多信息。

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