ADI 30周年產品精選之ADA457各向異性磁阻(AMR)傳感器
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一、簡介
ADA4571是一款各向異性磁阻(AMR)傳感器，集成了信號調理放大器和ADC驅動器。 ADA4571產生兩路模擬輸出，指示周圍磁場的角位置。
ADA4571在一個封裝內集成兩個芯片，即一個AMR傳感器和一個固定增益（標稱值G = 40）儀表放大器。 ADA4571可提供有關旋轉磁場角度的干凈且經過放大的余弦和正弦輸出信號。 輸出電壓范圍與電源電壓成比例。
傳感器含有兩個互成45°角的惠斯登電橋。 x-y傳感器平面的旋轉磁場提供兩路正弦輸出去信號，且傳感器與磁場方向的角度(α)頻率翻倍。 在x-y平面的均質場內，輸出信號與z方向（氣隙）的物理位置無關。
ADA4571采用8引腳SOIC封裝。
產品特點
1. 非接觸式角度測量。
2. 測量磁場方向而非場密度。
3. 對氣隙變化的敏感度非常小。
4. 工作距離遠。
5. 即使是微弱的飽和場也有極佳精度。
6. 熱漂移與壽命漂移極小。
7. 遲滯可忽略。
8. 單芯片解決方案。
二、技術文章
隨著成本的上升和客戶對小型長射程產品需求的增長，像其他工程領域一樣，成本快速成為彈藥系統(tǒng)的制約因素。為了有效地驅動和控制飛行中的這些彈藥，人們通過一個小型控制驅動系統(tǒng)(CAS)進行小的精密調節(jié)，以確定鰭片位置并調節(jié)彈體上的氣流。傳統(tǒng)上，這些系統(tǒng)要么采用氣動裝置，要么通過帶齒輪箱的有刷直流電機驅動，但包括無刷直流電機(BLDC)在內的電機驅動器的現代化進步，使得設計更小、更輕、更便宜、更高效的控制驅動系統(tǒng)成為可能。但其代價是會增加系統(tǒng)的復雜性，因為要驅動無刷直流電機的三個相位。
增加復雜性的原因有多個。首先，傳統(tǒng)的有刷直流電機只需要一個H橋，而無刷直流電機卻需要三對獨立的MOSFET來驅動相位。這會增加少量的成本，并且需要額外的PCB電路板空間。在驅動這些MOSFET時，必須注意，要避免同時打開頂部和底部的MOSFET，否則直通短路電流可能會損壞MOSFET。必須特別注意在脈寬調制(PWM)的頂部和底部驅動信號之間插入死區(qū)時間。
從軟件的角度來看，可以使用簡單的PID回路來控制常規(guī)有刷電機，而無刷直流電機則需要采用更高級的回路和換相策略——通常是測量繞組電流、相位電壓、轉子角度和速度。
無刷直流電機的結構
無刷直流電機是定子上的電磁體集合，可轉動的轉子上裝有永磁體。電機可能是內轉子電機（磁體位于線圈內側），也可能是外轉子電機（磁體位于線圈外）。圖1所示為無刷直流電機所用的內轉子電機和外轉子電機。兩種情況下，定子齒周圍都纏繞有三相導線（U、V、W或A、B、C）。這些繞組依次通電以吸引和排斥永磁體（紅色/藍色）。
圖1. 內轉子電機與外轉子電機。
標準微處理器或DSP的電流驅動強度不足以直接驅動線圈，因此一般用一個由MOSFET（每個相位兩個）組成的功率逆變器級將來自控制接口的PWM驅動電流轉換成電機需要高電壓驅動電流。
通常，三相逆變器使用六個N溝道MOSFET（見圖2頂部），形成圖2底部所示開關狀態(tài)。有幾種切換狀態(tài)未在圖中顯示出來：001、010、011和101。1表示頂部三個MOSFET中有一個已啟用。這些狀態(tài)映射到狀態(tài)空間表示，如圖3中的六個扇區(qū)所示。通過打開和關閉開關，施加到繞組的電壓最大可達2/3×VDC。作為該策略的自然延伸，可將PWM施加到每對MOSFET上。通過改變PWM波形的占空比，繞組中產生的電壓可以根據PWM生成系統(tǒng)的分辨率產生大范圍的電壓。
圖2. 三相逆變器和開關狀態(tài)。
圖3. 狀態(tài)空間中的開關表示及其在扇區(qū)I到扇區(qū)VI的分布。
在沒有PWM的情況下，一種非常自然的換相策略是簡單地以串行方式激勵每對繞組（即塊換相或六步換相）。在這種策略中，一個或兩個相位被拉高，其余的繞組則被驅動為低電平。通過依次激勵各相位，轉子上的磁體被拉到每個相位，轉子開始轉動。為了確定要激勵的相位，一般將三個霍爾效應傳感器安裝在定子上，三者相隔60度電角度。這些霍爾效應傳感器檢測每個轉子磁體并產生3位數字序列，后者被用于確定下一個換相區(qū)域。雖然這種策略適用于低成本電機控制系統(tǒng)，但該策略在低速時會受到轉矩脈動的影響。此外，如果將電機用于定位/伺服應用，這種轉矩脈動會導致噪聲并帶來位置誤差。1
正弦換相的工作原理是將定子電流與無刷直流電機中的定子磁通對準。無刷直流電機基于通過繞組的梯形電流運動。這些電流每個之間相差120°相位。永磁同步電動機(PMSM)類似于無刷直流電機，但需要正弦電流來驅動。圖4所示為永磁同步電動機的功能框圖。通過使用速度傳感器或基于位置軸傳感器和電機參數的估計可實現簡單的速度控制。正弦波驅動在低速時特別有效，但在高速時會分開，因為所需正弦波的電頻率也必須隨速度而增加。在更高的速度下，電機需要更高的扭矩，這會在相電流中帶來遲滯。2為了在更高的速度下正確地進行控制，通常必須引入相位超前以使扭矩和磁通矢量正確保持一致。
圖4. 永磁同步電機的正弦驅動。
為了克服這個問題，可以采用一種被稱為磁場定向控制(FOC)的更先進的控制方案。與其他換向策略一樣，基于繞組產生的反電動勢的位置和速度的估測值，可不用傳感器實現磁場定向控制，也可以用位置和電流傳感器實現有傳感器方案。磁場定向控制的基礎是控制進入電機繞組的轉矩和磁通矢量。產生的這些矢量來自電機所需速度輸入。
使用電機的電氣和機械常數（慣性矩、摩擦系數、定子繞組的電感和電阻以及反電動勢常數），圖5所示PI回路將所需速度轉換為直流量。為了控制電動機的電周期，必須將這些量轉換到轉子的參考系中（圖6），以用Park變換產生Vα和Vβ。磁場定向控制的下一步是將Vα和Vβ轉換為發(fā)送到PWM逆變器單元的PWM值。該過程一般使用正弦調制方案(SPWM)或空間矢量調制方案（SVPWM或SVM）。
圖5. 磁場定向控制功能框圖。
圖6. 磁場定向控制中控制參數的轉換。
如前所述，通過控制功率逆變器內MOSFET的開關，可以形成空間矢量表示，如圖3所示。對相鄰單元矢量之間的空間進行編碼以產生1到6之間的扇區(qū)，與換相電周期的六個開關扇區(qū)對應。圖7所示為圖3中的第1扇區(qū)的特寫。電壓矢量VREF由電壓矢量Vα和Vβ組成，角度θ是Vd的反正切除以Vq之商。3 圖7表明，通過使用兩個相鄰單元矢量（V1和V2）并在每個狀態(tài)停留特定時間（對應于占空比），可求出VREF。該占空比可通過使用類似于向量數學（推導的方程）進行計算（見圖8）。
圖7. 狀態(tài)空間的第1扇區(qū)。
U、V、W矢量方程計算
圖8. 來自參考矢量的扇區(qū)時間
根據圖7中的等式，設歸一化時間為1.0（等于完整的100%占空比）并減去Tn和Tn + 1，可以得到PWM時間。扇區(qū)可通過其他的計算確定，如圖9所示。
圖9. 扇區(qū)的確定。
一旦計算出占空比并將其發(fā)送到控制器的PWM模塊，就可以實現使用磁場定向控制的開環(huán)控制。這時必須集成反饋以實現閉環(huán)控制。如圖4所示，使用逆Clarke和逆Park變換測量和變換三個繞組的電流。為了測量這些電流，可使用幾種不同的策略：與每個相繞組并聯(lián)的分流檢測；在底部三個MOSFET與地之間設一個低端分流；在每個接地MOSFET之下設相分流；或在每個頂部MOSFET和VDC之間設高壓側分流。如果設計受成本限制，則使用與繞組并聯(lián)的兩個分流器是一種很好的測量方法，因為這是直接測量兩個繞組電流的一種簡單方式。第三電流可使用基爾霍夫電流定律計算，其和為0。另一個好處是可以在任何時刻測量電流，而不是僅在底部或頂部MOSFET被啟用時測量。在測量這些電流后，應使用分流系統(tǒng)可測量的最大電流將它們歸一化到[-1，+1]以內。
對于位置和速度檢測，則可使用編碼器（相對或絕對）、霍爾效應傳感器、旋變器或磁角度傳感器。但是，根據傳感器的分辨率，可能需要使用其他位置和速度估算方案。無論采用何種技術，必須將測量的角度轉換為電角度，使換相與轉子實際位置同步并實現轉子變換。角速度也必須是已知的，但該項通常在機械域中以匹配所需的輸入速度。
在已知轉子實際位置和速度的情況下，可以執(zhí)行反向/逆向Park和Clarke變換，將相位電流從靜止的定子坐標系轉換為d,q參考系中的旋轉坐標系。對于產生的電流和速度誤差項，PI循環(huán)形成誤差向量，然后，這些誤差向量被反饋到正向Park和Clarke變換中，可以重復執(zhí)行該控制過程。
那么該過程應該多快重復一次？答案因電機特性而異。通常選擇超出聽覺可聽范圍（15 kHz至30 kHz）的PWM頻率，使電機不會發(fā)出人耳可聽見的共振。然后在PWM中斷服務例程中實現磁場定向控制和所需的控制環(huán)路，以便新的PWM值可用于下一個PWM周期。這就對磁場定向控制例程提出了嚴格的時序限制，因為伺服PWM中斷所花費的任何時間是未用于伺服控制處理器其他方面（如PC程序的串行接口）的時間。PWM頻率為30 kHz時，每個PWM ISR僅為33.3 μs。可見，每微秒都很重要！必須注意，盡量減少正弦和余弦以及其他浮點計算的計算開銷。通常，最好將磁場定向控制例程保持在可用PWM ISR時間的50%以下，使處理器可以服務其他外圍設備（例如UART），以便處理不太重要的任務，例如改變所需速度或設置新位置。
精選組件
鑒于磁場定向控制的實現方式本身已經很復雜，仔細選擇組件有助于在系統(tǒng)集成方面較大限度地減少額外挑戰(zhàn)。ADI公司提供面向電機控制信號鏈的多種器件。這些部件包括柵極驅動器、絕對角度和霍爾效應傳感器、電流傳感器和隔離產品。
電機控制信號鏈組件的簡單功能框圖如圖10所示。在高電平下，使用 ADA4571 AMR角度傳感器和AD22151 磁場傳感器檢測無 刷直流電機軸位置和速度。使用內聯(lián)分流電阻測量相繞組電流， AD8418 電流檢測放大器消除PWM共模電壓。 LTC2345-18 8×18位ADC將來自傳感器的6個模擬電壓轉換成微控制器數字電壓。 微控制器使用這些信號計算PWM占空比，并將其發(fā)送到硬件定時器。 LT1158 MOSFET驅動器充當功率逆變器六個MOSFET的柵極驅動器。
圖10. 電機控制信號鏈功能框圖。
LT1158是一款集成半橋N溝道MOSFET驅動器。雖然電源電壓范圍為5 V至30 V dc，但輸入PWM波形邏輯可以接受TTL或CMOS電平。此外，單個PWM輸入被轉換為高和低MOSFET驅動信號，芯片自動插入自適應死區(qū)時間。這意味著PWM頻率可以動態(tài)變化，并且自動插入死區(qū)時間以保護MOSFET免受電流擊穿影響，而無需更改PWM定時器代碼或寄存器。
圖11. LT1158雙N溝道MOSFET驅動器。
ADA4571集成的各向異性磁阻(AMR)傳感器能測量180°旋轉，測量精度為0.5°以內。該傳感器的供電電壓為2.7 V至5 V，在啟用溫度補償功能時，功耗僅為7 mA。該傳感器的輸出是兩個模擬正弦波（VSIN、VCOS），以2.5 V（5 V電源）為中心。VSIN和VCOS的電壓數字化后，就可以通過簡單的公式將其轉換為角度：
圖12. ADA4571 AMR傳感器。
為了測量360°的絕對旋轉，ADA4571可以與線性輸出磁場（霍爾效應）傳感器（如AD22151）結合使用。AD22151針對單5V工作電源設計，輸出電壓與垂直于封裝的磁場成線性比例。在正常工作期間，器件最大功耗為10 mA電流，可檢測具有不同增益量的雙極或單極場。該傳感器的優(yōu)點體現在模擬輸出電壓方面，可以輕松添加到已具備模擬量測量功能的系統(tǒng)，如電流傳感器輸出或附加模擬角度傳感器。將AD22151與ADA4571垂直放置，可以通過軟件將輸出融合在一起，以便檢測軸安裝直徑磁體的360°運動。
就如角度傳感器一樣，帶傳感器的磁場定向控制需要精確測量通過無刷直接電機的相電流。AD8418是一款雙向零漂移電流檢測放大器，非常適合這一任務。該外部分流放大器在整個溫度范圍內工作時的增益為20 V/V，共模抑制范圍為-2 V至+ 70 V。該放大器還可以檢測通過分流器的雙向電流，這在測量無刷直流電機的相電流時特別有用。該器件的設計電源電壓范圍VS為2.7 V至5 V，模擬輸出電壓以VS/2為中心。如果選擇5 V電源，則輸出以2.5 V為中心，與ADA4571一樣。
圖13. AD8418電流傳感器。
使用模擬輸出傳感器時，必須將結果轉換為數字域。雖然存在多個ADC，但由于有8個同時采樣通道，因此，LTC2345特別適用于電機控制。采樣與轉換線路上的單個上升沿同步。然后，在中心對齊PWM期間，相電流和絕對角度傳感器輸出可以同步到同一時刻。單5V電源簡化了電源設計，功耗仍然不到20mA。獨立的數字邏輯輸出電壓允許LTC2345與較低電壓的微控制器、處理器或FPGA接口。由于模擬輸入范圍非常靈活，可以通過使用(IN-)模擬輸入通道在硬件中自動消除位置和電流傳感器的2.5 V失調。根據所需的采樣吞吐量，可使用各種時鐘速率下的SDO輸出從LTC2345輸出數據。
圖14. LTC2345功能框圖。
結論
無刷直流電機在控制驅動系統(tǒng)中的普及需要更先進的算法、傳感器和驅動電路的支持。正弦和磁場定向控制是兩種換相策略，可以精確控制無刷直流電機。這兩種策略都需要精確測量無刷直流電機的轉子角度，如果沒有合適的組件，可能會非常困難。然而，ADA4571和AD22151簡化了這種測量。LT1158通過減少PWM線路并消除死區(qū)時間計算的必要性，簡化了無刷直流電機三相的PWM驅動線路。AD8418簡化了繞組電流，LTC2345則可輕松數字化和同步多個模擬傳感器的輸出。這些組件只是ADI公司電機控制應用產品組合的一小部分。
三、相關技術資料下載
1、數據表格
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2、用戶手冊
https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395753
3、應用筆記
https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395754
https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395755
4、技術文章
https://www.analog.com/cn/resources/technical-articles/motor-control-performance.html
更多ADI 30周年技術精選請?zhí)D以下鏈接：
http://www.104case.com/event/action/adi_2025/index.html
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