ADI 30周年產(chǎn)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(diào)理放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器。 ADA4571產(chǎn)生兩路模擬輸出，指示周圍磁場的角位置。
ADA4571在一個(gè)封裝內(nèi)集成兩個(gè)芯片，即一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)固定增益（標(biāo)稱值G = 40）儀表放大器。 ADA4571可提供有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場角度的干凈且經(jīng)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(gè)互成45°角的惠斯登電橋。 x-y傳感器平面的旋轉(zhuǎn)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(zhì)場內(nèi)，輸出信號與z方向（氣隙）的物理位置無關(guān)。
ADA4571采用8引腳SOIC封裝。
產(chǎn)品特點(diǎn)
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(yuǎn)。
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(shù)文章
隨著成本的上升和客戶對小型長射程產(chǎn)品需求的增長，像其他工程領(lǐng)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(qū)動(dòng)和控制飛行中的這些彈藥，人們通過一個(gè)小型控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(CAS)進(jìn)行小的精密調(diào)節(jié)，以確定鰭片位置并調(diào)節(jié)彈體上的氣流。傳統(tǒng)上，這些系統(tǒng)要么采用氣動(dòng)裝置，要么通過帶齒輪箱的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但包括無刷直流電機(jī)(BLDC)在內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)代化進(jìn)步，使得設(shè)計(jì)更小、更輕、更便宜、更高效的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為可能。但其代價(jià)是會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，因?yàn)橐?qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的三個(gè)相位。
增加復(fù)雜性的原因有多個(gè)。首先，傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)只需要一個(gè)H橋，而無刷直流電機(jī)卻需要三對獨(dú)立的MOSFET來驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)這些MOSFET時(shí)，必須注意，要避免同時(shí)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(diào)制(PWM)的頂部和底部驅(qū)動(dòng)信號之間插入死區(qū)時(shí)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(jī)，而無刷直流電機(jī)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(zhuǎn)子角度和速度。
無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)
無刷直流電機(jī)是定子上的電磁體集合，可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子上裝有永磁體。電機(jī)可能是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)（磁體位于線圈內(nèi)側(cè)），也可能是外轉(zhuǎn)子電機(jī)（磁體位于線圈外）。圖1所示為無刷直流電機(jī)所用的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和外轉(zhuǎn)子電機(jī)。兩種情況下，定子齒周圍都纏繞有三相導(dǎo)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(lán)色）。
圖1. 內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)與外轉(zhuǎn)子電機(jī)。
標(biāo)準(zhǔn)微處理器或DSP的電流驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度不足以直接驅(qū)動(dòng)線圈，因此一般用一個(gè)由MOSFET（每個(gè)相位兩個(gè)）組成的功率逆變器級將來自控制接口的PWM驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)換成電機(jī)需要高電壓驅(qū)動(dòng)電流。
通常，三相逆變器使用六個(gè)N溝道MOSFET（見圖2頂部），形成圖2底部所示開關(guān)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(gè)MOSFET中有一個(gè)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(gè)扇區(qū)所示。通過打開和關(guān)閉開關(guān)，施加到繞組的電壓最大可達(dá)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(chǎn)生的電壓可以根據(jù)PWM生成系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生大范圍的電壓。
圖2. 三相逆變器和開關(guān)狀態(tài)。
圖3. 狀態(tài)空間中的開關(guān)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(lì)每對繞組（即塊換相或六步換相）。在這種策略中，一個(gè)或兩個(gè)相位被拉高，其余的繞組則被驅(qū)動(dòng)為低電平。通過依次激勵(lì)各相位，轉(zhuǎn)子上的磁體被拉到每個(gè)相位，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)。為了確定要激勵(lì)的相位，一般將三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器安裝在定子上，三者相隔60度電角度。這些霍爾效應(yīng)傳感器檢測每個(gè)轉(zhuǎn)子磁體并產(chǎn)生3位數(shù)字序列，后者被用于確定下一個(gè)換相區(qū)域。雖然這種策略適用于低成本電機(jī)控制系統(tǒng)，但該策略在低速時(shí)會受到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。此外，如果將電機(jī)用于定位/伺服應(yīng)用，這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會導(dǎo)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(jī)中的定子磁通對準(zhǔn)。無刷直流電機(jī)基于通過繞組的梯形電流運(yùn)動(dòng)。這些電流每個(gè)之間相差120°相位。永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)類似于無刷直流電機(jī)，但需要正弦電流來驅(qū)動(dòng)。圖4所示為永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jī)參數(shù)的估計(jì)可實(shí)現(xiàn)簡單的速度控制。正弦波驅(qū)動(dòng)在低速時(shí)特別有效，但在高速時(shí)會分開，因?yàn)樗枵也ǖ碾婎l率也必須隨速度而增加。在更高的速度下，電機(jī)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(jìn)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(jī)的正弦驅(qū)動(dòng)。
為了克服這個(gè)問題，可以采用一種被稱為磁場定向控制(FOC)的更先進(jìn)的控制方案。與其他換向策略一樣，基于繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢的位置和速度的估測值，可不用傳感器實(shí)現(xiàn)磁場定向控制，也可以用位置和電流傳感器實(shí)現(xiàn)有傳感器方案。磁場定向控制的基礎(chǔ)是控制進(jìn)入電機(jī)繞組的轉(zhuǎn)矩和磁通矢量。產(chǎn)生的這些矢量來自電機(jī)所需速度輸入。
使用電機(jī)的電氣和機(jī)械常數(shù)（慣性矩、摩擦系數(shù)、定子繞組的電感和電阻以及反電動(dòng)勢常數(shù)），圖5所示PI回路將所需速度轉(zhuǎn)換為直流量。為了控制電動(dòng)機(jī)的電周期，必須將這些量轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子的參考系中（圖6），以用Park變換產(chǎn)生Vα和Vβ。磁場定向控制的下一步是將Vα和Vβ轉(zhuǎn)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(diào)制方案(SPWM)或空間矢量調(diào)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(shù)的轉(zhuǎn)換。
如前所述，通過控制功率逆變器內(nèi)MOSFET的開關(guān)，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(jìn)行編碼以產(chǎn)生1到6之間的扇區(qū)，與換相電周期的六個(gè)開關(guān)扇區(qū)對應(yīng)。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(gè)相鄰單元矢量（V1和V2）并在每個(gè)狀態(tài)停留特定時(shí)間（對應(yīng)于占空比），可求出VREF。該占空比可通過使用類似于向量數(shù)學(xué)（推導(dǎo)的方程）進(jìn)行計(jì)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(jì)算
圖8. 來自參考矢量的扇區(qū)時(shí)間
根據(jù)圖7中的等式，設(shè)歸一化時(shí)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(shí)間。扇區(qū)可通過其他的計(jì)算確定，如圖9所示。
圖9. 扇區(qū)的確定。
一旦計(jì)算出占空比并將其發(fā)送到控制器的PWM模塊，就可以實(shí)現(xiàn)使用磁場定向控制的開環(huán)控制。這時(shí)必須集成反饋以實(shí)現(xiàn)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(gè)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(gè)相繞組并聯(lián)的分流檢測；在底部三個(gè)MOSFET與地之間設(shè)一個(gè)低端分流；在每個(gè)接地MOSFET之下設(shè)相分流；或在每個(gè)頂部MOSFET和VDC之間設(shè)高壓側(cè)分流。如果設(shè)計(jì)受成本限制，則使用與繞組并聯(lián)的兩個(gè)分流器是一種很好的測量方法，因?yàn)檫@是直接測量兩個(gè)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(jì)算，其和為0。另一個(gè)好處是可以在任何時(shí)刻測量電流，而不是僅在底部或頂部MOSFET被啟用時(shí)測量。在測量這些電流后，應(yīng)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(nèi)。
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(yīng)傳感器、旋變器或磁角度傳感器。但是，根據(jù)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(shù)，必須將測量的角度轉(zhuǎn)換為電角度，使換相與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置同步并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子變換。角速度也必須是已知的，但該項(xiàng)通常在機(jī)械域中以匹配所需的輸入速度。
在已知轉(zhuǎn)子實(shí)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(biāo)系轉(zhuǎn)換為d,q參考系中的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。對于產(chǎn)生的電流和速度誤差項(xiàng)，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(fù)執(zhí)行該控制過程。
那么該過程應(yīng)該多快重復(fù)一次？答案因電機(jī)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(jī)不會發(fā)出人耳可聽見的共振。然后在PWM中斷服務(wù)例程中實(shí)現(xiàn)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(gè)PWM周期。這就對磁場定向控制例程提出了嚴(yán)格的時(shí)序限制，因?yàn)樗欧WM中斷所花費(fèi)的任何時(shí)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(shí)間。PWM頻率為30 kHz時(shí)，每個(gè)PWM ISR僅為33.3 μs?？梢姡课⒚攵己苤匾?！必須注意，盡量減少正弦和余弦以及其他浮點(diǎn)計(jì)算的計(jì)算開銷。通常，最好將磁場定向控制例程保持在可用PWM ISR時(shí)間的50%以下，使處理器可以服務(wù)其他外圍設(shè)備（例如UART），以便處理不太重要的任務(wù)，例如改變所需速度或設(shè)置新位置。
精選組件
鑒于磁場定向控制的實(shí)現(xiàn)方式本身已經(jīng)很復(fù)雜，仔細(xì)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(jī)控制信號鏈的多種器件。這些部件包括柵極驅(qū)動(dòng)器、絕對角度和霍爾效應(yīng)傳感器、電流傳感器和隔離產(chǎn)品。
電機(jī)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(jī)軸位置和速度。使用內(nèi)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(gè)模擬電壓轉(zhuǎn)換成微控制器數(shù)字電壓。 微控制器使用這些信號計(jì)算PWM占空比，并將其發(fā)送到硬件定時(shí)器。 LT1158 MOSFET驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)功率逆變器六個(gè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器。
圖10. 電機(jī)控制信號鏈功能框圖。
LT1158是一款集成半橋N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)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(gè)PWM輸入被轉(zhuǎn)換為高和低MOSFET驅(qū)動(dòng)信號，芯片自動(dòng)插入自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間。這意味著PWM頻率可以動(dòng)態(tài)變化，并且自動(dòng)插入死區(qū)時(shí)間以保護(hù)MOSFET免受電流擊穿影響，而無需更改PWM定時(shí)器代碼或寄存器。
圖11. LT1158雙N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器。
ADA4571集成的各向異性磁阻(AMR)傳感器能測量180°旋轉(zhuǎn)，測量精度為0.5°以內(nèi)。該傳感器的供電電壓為2.7 V至5 V，在啟用溫度補(bǔ)償功能時(shí)，功耗僅為7 mA。該傳感器的輸出是兩個(gè)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(shù)字化后，就可以通過簡單的公式將其轉(zhuǎn)換為角度：
圖12. ADA4571 AMR傳感器。
為了測量360°的絕對旋轉(zhuǎn)，ADA4571可以與線性輸出磁場（霍爾效應(yīng)）傳感器（如AD22151）結(jié)合使用。AD22151針對單5V工作電源設(shè)計(jì)，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(diǎn)體現(xiàn)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(yùn)動(dòng)。
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(jī)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(wù)。該外部分流放大器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作時(shí)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(jī)的相電流時(shí)特別有用。該器件的設(shè)計(jì)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(shí)，必須將結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。雖然存在多個(gè)ADC，但由于有8個(gè)同時(shí)采樣通道，因此，LTC2345特別適用于電機(jī)控制。采樣與轉(zhuǎn)換線路上的單個(gè)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(shí)刻。單5V電源簡化了電源設(shè)計(jì)，功耗仍然不到20mA。獨(dú)立的數(shù)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(dòng)消除位置和電流傳感器的2.5 V失調(diào)。根據(jù)所需的采樣吞吐量，可使用各種時(shí)鐘速率下的SDO輸出從LTC2345輸出數(shù)據(jù)。
圖14. LTC2345功能框圖。
結(jié)論
無刷直流電機(jī)在控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的普及需要更先進(jìn)的算法、傳感器和驅(qū)動(dòng)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(jī)。這兩種策略都需要精確測量無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shí)間計(jì)算的必要性，簡化了無刷直流電機(jī)三相的PWM驅(qū)動(dòng)線路。AD8418簡化了繞組電流，LTC2345則可輕松數(shù)字化和同步多個(gè)模擬傳感器的輸出。這些組件只是ADI公司電機(jī)控制應(yīng)用產(chǎn)品組合的一小部分。
三、相關(guān)技術(shù)資料下載
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3、應(yīng)用筆記
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4、技術(shù)文章
https://www.analog.com/cn/resources/technical-articles/motor-control-performance.html
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