用于运动控制系统的电流传感器

与提高电力驱动的性能和降低系统成本相关的挑战已经使市场朝着磁性设备的趋势发展。这种趋势主要存在于汽车和工业市场。

在当前TRAN小号能器被用来测量电流不中断电路，从而使测量非常安全的。电流传感器使用磁场来确定导体的电流。电流传感器准确检测电机中的电流，以提供完美的同步和方向控制。

除了电流检测外，还有多种控制技术或算法可用于控制电机。各种工业设备中的控制电路必须尽可能高效且完全安全地运行。由于更大的功率和更少的散热，更高的效率转化为巨大的潜力，这可以消除发动机中对散热器的需求。

电流传感器

电源和驱动系统需要解决方案来监视和控制其运行。过去，此功能由机电设备执行。将这些机械设备替换为电子等效物，使监控系统变得更加通用。

在电流传感器的设计中，输入电流与输出电流是隔离的。由于在工业环境中，许多干扰会导致测量信号不准确，使用电流互感器可以消除这些干扰。而且，在高电压或高电流的情况下，它可以进入保护模式，中断转换过程，从而在输入和输出之间提供隔离。

电流传感器可以有两种领先技术：开环或闭环。最初开发的电流传感器是开环霍尔效应。电流传感器由三部分组成：磁路、霍尔元件和放大器。闭环与开环的不同之处在于向输出添加了一个次级绕组。闭环的优点是几乎没有寄生电流，不受增益随温度和更高带宽的变化而变化的影响。闭环磁通门测量技术通过磁通门检测器基本上消除了霍尔效应。后者本质上是位于磁路空腔中的绕组。

霍尔效应传感器是通过外部磁场的存在而激活的设备。霍尔效应本质上是洛伦兹力作用于在磁场 B 中移动的每个电荷的表现。当它们受到该磁场的影响时，它们会以与磁场强度成正比的输出电压做出响应。由于输出电压在mV量级，霍尔效应传感器与放大器等其他电子元件结合，以提高灵敏度和滞后。

Allegro的 ACS724 电流传感器 IC是用于检测工业、汽车、商业和通信系统中交流或直流电流的准确解决方案。该设备由一个线性霍尔传感器电路组成，带有位于模具表面附近的铜传导路径。施加的电流会产生磁场，霍尔传感器会检测到该磁场，并将其转换为 BiCMOS 提供的成比例电压。在标准模式下，电流被不同地感知以排斥场，从而提高磁噪声环境中的精度（图 1）。

所述Danisense电流传感器的技术是基于一个闭环系统，搭载磁通门一样的磁场检测器上。Danisense 的 DS200 可以以 1:500 的比例使用高达 200 A 的电流，而 DS600 可以使用高达 600 A 的电流（图 2）。National Instrument 在其 RM-26999 4 通道功率测量调节器的测试中使用了 Danisense 电流传感器解决方案。其他 Danisense 电流传感器（包括 DS50UB-10V、DS200UB-10V、DS600UB-10V 和 DS2000UB-10V）具有高精度、高带宽和低相移的特点：这些是精确功率测量的基本要求。

LEM提供了一个新的 LZSR 印刷电路板 （PCB） 传感器系列，用于直流、交流和脉冲电流的非侵入式和隔离测量，标称值为 100A 至 200A。该系列包括各种型号，适用于需要低失调漂移的应用。

图 1：ACS724 的框图

电流感应模式

在电机控制系统中测量电流的方法主要有以下三种：高侧测量、低侧测量和在线测量。当使用脉宽调制信号 （PWM） 驱动电机时，要获得准确的值，在线测量实施起来更具挑战性；这主要是由于共模瞬变 （dV / dt）。在具有控制反馈的逆变器系统中，相位测量对于正确估计电流至关重要。

在三相电机中，一系列多相 PWM 信号通过产生磁场来引导负载（图 3）。无刷电机通常比有刷直流电机更高效，主要是因为没有电刷。此外，发动机是电动的，而不是机械的。然而，这里描述的优点有一个消极方面，表现为需要电子控制才能达到最大效率的更复杂的发动机。

图 3：三相电机的简化框图

在低侧电流检测中，一个放大器被添加到栅极驱动的 FET，其分流电阻与每个开关引脚对齐（图 4）。分流器处的共模电压大约为零；因此，放大器的稳健性不是需要牢记的重要因素。然而，该解决方案在负载和负载接地路径之间放置了更多电阻，从而影响了检测短路负载故障的能力。

图 4：电流检测的低侧测量

为了检测高侧电流，在 FET 矩阵的电源电压之后立即在线路中插入一个分流器（图 5）。通过这种方法，系统可以检测接地故障。在任何情况下，该放大器所承受的共模电压大约是电源电压 （Vsupply） 的电压，因此需要一个能够满足此要求的更稳健的差分放大器。

图 5：电流感应的高端测量

图 6：电流感测的在线测量

审核编辑：郭婷