如何推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)智能化提升？這里有一套組合方案

電機(jī)自誕生之日起，就對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展起著極大的推動(dòng)作用，大大提高了社會(huì)的生產(chǎn)力水平。電機(jī)的應(yīng)用涉及到生活的方方面面，大到軍事、航空，小到辦公自動(dòng)化、家用電器、工業(yè)過(guò)程控制、精密機(jī)床以及汽車(chē)電子等工業(yè)和民用領(lǐng)域。有數(shù)據(jù)顯示，2016年全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1097億美元，2020年為1313億美元，過(guò)去五年電機(jī)市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為3.66%，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到2072億美元，預(yù)測(cè)期間CAGR將高達(dá)6.79%。

近年來(lái)，在智能化浪潮的推動(dòng)下，電機(jī)行業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展趨勢(shì)——智能自動(dòng)化，要將電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制的設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)都更為緊密地融為一體，目前很多電機(jī)企業(yè)都在為未來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能自動(dòng)化而努力著，而控制技術(shù)則是智能自動(dòng)化道路上首要面對(duì)的“坎坷”。

電機(jī)控制需要低成本、高精準(zhǔn)的位置傳感器

對(duì)于電機(jī)而言，控制技術(shù)的任務(wù)是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置等參數(shù)，使電機(jī)完成規(guī)定的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制和高效換向，這其中高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)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(jià)格昂貴且體積較大，這是因?yàn)樾兤鞅旧頃?huì)占用較大的物理空間。另外，無(wú)傳感器方案也可用于檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機(jī)啟動(dòng)性能可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因此就無(wú)法得到可用的位置數(shù)據(jù)。還有解決方案是利用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)電機(jī)磁體的位置，通常用于對(duì)成本敏感的應(yīng)用中。然而這種情況下，要求的分辨率可以實(shí)現(xiàn)，但需要監(jiān)控三個(gè)信號(hào)。此外，這些傳感器不是配套的，這可能會(huì)產(chǎn)生空間和安裝難題。

然而，相比于以上的幾種技術(shù)，業(yè)界提出了一種更具優(yōu)勢(shì)的替代方案：使用基于異性磁阻(AMR)技術(shù)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(shí)現(xiàn)高角度精度，而且可將一個(gè)檢測(cè)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(jī)總成內(nèi)定位傳感器。以亞德諾半導(dǎo)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(hào)調(diào)節(jié)器集成在一起，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服器應(yīng)用提供更高精度的絕對(duì)位置檢測(cè)（誤差<0.1°，使用壽命/溫度<0.5°）。它們能在嚴(yán)苛的磁性環(huán)境中可靠運(yùn)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量。

與工業(yè)應(yīng)用中的光學(xué)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(chǎng)上內(nèi)置校準(zhǔn)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(gè)單端模擬輸出（正弦和余弦），用于表示周?chē)艌?chǎng)的角位置，ADA4570則生成兩個(gè)差分模擬輸出對(duì)。ADA4571的雙版本(ADA4571-2)也可用于安全關(guān)鍵應(yīng)用中需要完全冗余的地方。

就近年來(lái)許多終端市場(chǎng)和應(yīng)用中熱度越來(lái)越高的無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）來(lái)說(shuō)，ADA4571憑借其在?40°C至+150°C的寬工作溫度范圍下進(jìn)行的生產(chǎn)測(cè)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(hù)以及低失調(diào)偏移等優(yōu)點(diǎn)，成為了BLDC電機(jī)控制中非常理想的傳感器，它能夠?qū)崿F(xiàn)高性能BLDC電機(jī)控制，而且速度超過(guò)25000 RPM。

精確采樣的電流檢測(cè)技術(shù)為可靠性保駕護(hù)航

在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)中，電流檢測(cè)也是非常重要的環(huán)節(jié)，精確的電流采樣，也是電機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。電流檢測(cè)的目的有兩個(gè)：一是為了確保電機(jī)的快速啟動(dòng)性能，對(duì)電機(jī)電路主電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，讓控制器給出確切的PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；二是為了保障電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的短路、過(guò)流等故障，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地將這些故障信息反饋給控制器，控制器給出控制信號(hào)使得及時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)以便硬件得到保護(hù)。

也就是說(shuō)，一個(gè)典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)該含有母線(xiàn)電流檢測(cè)、電機(jī)相電流檢測(cè)電路，還可能為了檢測(cè)某個(gè)功能模塊電路是否正常工作而設(shè)置特定的電流檢測(cè)電路。因此，如何精確有效地設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。對(duì)此，在模數(shù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)中的分流電阻上進(jìn)行雙向電流測(cè)量，用于在嚴(yán)苛環(huán)境下提供所需的準(zhǔn)確測(cè)量，以及在安全性至關(guān)重要的應(yīng)用中提供診斷，幫助減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和可聽(tīng)到的噪聲，實(shí)現(xiàn)順暢、高效的電機(jī)控制。

AD8410 初始增益為20 V/V，具有 2.0 MHz 帶寬，在整個(gè)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(zhuǎn)換器連接。AD8410 在輸入共模電壓處于 ?2 V 至 +70 V 范圍時(shí)，具有出色的輸入共模抑制性能。此外，在 ?40°C 至 +150°C 的整個(gè)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(gè)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(guò)汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證。該器件集成專(zhuān)利電路，在脈沖寬度調(diào)制(PWM)類(lèi)輸入共模電壓下具有高輸出精度。

結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)領(lǐng)域，ADI公司提供這套電機(jī)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(shí)間，增加產(chǎn)出和制造生產(chǎn)力，同時(shí)也能夠降低能耗。例如通過(guò)精準(zhǔn)的位置和扭矩控制，實(shí)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(shí)間加工一個(gè)復(fù)雜的部件。另一方面，該產(chǎn)品組合在汽車(chē)領(lǐng)域也能夠滿(mǎn)足提高性能，實(shí)現(xiàn)更順暢、更高效的電機(jī)控制的要求，此外還提供了在EPS或制動(dòng)系統(tǒng)等安全性至關(guān)重要的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高ASIL要求所需的冗余。