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磁阻电流传感器改进马达驱动器性能

发布时间:2024-05-17 发布时间:
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在驱动马达的电子装置不断地降低尺寸及价格的今日,电流传感器对于小尺寸、低价位、高效能、不受噪声影响的需求便明显的增加。过去设计工程师通常有三种电流测量组件的选择:分流器(Shunt)、比流器(CT)及以霍尔效应(Hall effect)原理为基础的传感器。分流器(Shunt)的工作原理是欧姆定理(Ohm's law),比流器和以霍尔效应原理为基础的传感器。它们的工作原理则是安培定理(Ampere's law)。每一种方法都有它们之间的取舍。分流器(Shunt)的方式价格较低、并且可以测量直流及交流电流,但是这种测量方式增加电路压降,而且这种方式无法提供驱动电路与传感器之间的隔离。比流器也是低价的传感器,它同时也提供了驱动电路与传感器之间的隔离,但只能测量交流电流。以霍尔效应原理为基础的传感器不但可以用于开回路或闭回路的测量方式,而且也提供了驱动电路与传感器之间的隔离,同时它的操作频率能够从直流到交流200KHz的高频,但是在价格、尺寸、线性及温度特性却有所限制。而现在,一种利用磁阻的量测技术加强了霍尔效应传感器的高精确度,同时也由于不像霍尔效应传感器需要磁性铁心,因此在尺寸上也有相当大地缩减。 磁阻器(Magnetoresistor) 磁阻(MR)式一种电阻值会随磁场变化而变化的二端组件。磁阻效应早在130年前就已经被发现;然而,它只有在最近30年因微电子薄膜技术的进步而被实际的使用。几乎每一种导电材料都会展现一些磁阻。然而,对于高导磁合金,磁阻效应特别大,如镍铁合金和其它的铁磁材料。磁阻组件对磁场非常的敏感,甚至超过霍尔效应传感器。超强磁阻(GMR)是一种灵敏度比标准磁阻器更高的装置,其产品应用范围从虚拟实境位置感应器到硬盘的读写磁头。磁阻和超强磁阻组件的磁场和电阻为拋物线的变化关系,因此磁阻器不能够侦测磁场极性。磁阻器也有一些其它的缺点,包括有限的线性范围,不良的温度特性( 2500 ppm/o C在典型的情况下),不同的装置有不同范围的灵敏度,磁性记忆和高价位。这些缺点使得电流传感器很少使用磁阻。 电流传感器新技术 近来磁阻技术的发展与突破能将磁阻的缺点最小化并利用在高灵敏度的设备。经由摆设四个高度的对称磁阻组件于一个如惠斯登电桥(Wheatstone bridge)之结构,可以消除温度上灵敏度的相依性和偏移的变化性。个别的磁阻组件能然随温度而变化。由于他们的变化全部在相同的情况,使得这惠斯登电桥产生一个净值为零的偏差输出。惠斯登电桥结构所增加的优点是不受外在均匀磁场的干扰,各别的磁阻装置会感应到磁场和其变化,但惠斯登电桥的输出仍然保持不变。对测量一个有干扰磁场环境下的小磁场梯度时,这显非常地重要。由此事实,结合数个高灵敏度的磁阻装置,则可以制造出不需铁心的电流传感器。以霍尔传感器为基础的电流传感器之磁性铁心,需要增加磁通密度及遮蔽霍尔传感器外部的磁场。这是霍尔传感器灵敏度较低必须增加这些磁通密度。而磁阻式的设计是高灵敏度且不受外在磁场的影响,因此不需要磁性铁心。使用磁性铁心有一些缺点:昂贵、体积大、增加非线性、残余磁性、且因为涡流热效应的因素限制了频率响应范围。排除磁性铁心,则这些缺点亦被排除。图1为电流传感器里面的磁阻惠斯登电桥的

典型的磁阻装置组件有限的线性区域和无方向性可由一个叫Barbepole biasing的程序来解决之。" Barberpole biasing "如此命名是因为磁阻上的传导带之形状而称的。" Barberpole biasing " 的工作是藉由改变流经磁阻装置的电流方向而不是改变其组件的磁性方向。磁化场角度的改变是沿拋物线向下移动操作区,来提供线性区域和磁阻极性的灵敏度。如果" Barber pole biasing "置于 -45度角,其操作点的移动是向另一边拋物线向下的动作(如图2)

两个磁阻装置将其Barberpole并置于相对方向,当同时放在相同磁场下,其中一个装置增加电阻时,另一个则减少电阻。”Barberpole biasing”确实有些缺点, 第一个由于”Barberpole biasing”带具有传导性质,使磁阻组件的区域部份短路, 而降低它的灵敏度。第二,如果以相反方向放在高磁场下,组件的磁化方向将会转变。这种由于其电阻斜率的转变和磁场有关,致使惠斯登电桥不再正确地运作。置放偏压磁场紧邻着惠斯登电桥来增加顺极方向磁场可以消除这种效应。额外的偏压磁场会减低惠斯登电桥的灵敏度,但增加线性操作区域。图3中显示,由偏压磁场而来的磁场

这四个磁阻组件的配置是非常吹毛求疵的,因为这些装置是用来测量磁场的梯度,而其变化量与距离和磁场源的距离平方成反比,为了使电流载体被测量到,磁阻之组件必须放在精确的位置。这些组件的配置一定要在灵敏度和所有的温度飘移方面相互匹配,通常需要组件排列非常地接近。为了消除在基板上任何温度梯度的效应,每一组件需要紧邻每一组件。另一个关键问题是每一个磁阻放置Barberpole的方向,因为磁阻的装置可以安排成使惠斯登电桥的输出为最大。调整Barberpole 的方向,使惠斯登电桥的其中一脚输出增加时,其它的则减小,因此灵敏度有成倍的效果。磁阻惠斯登电桥的输出是连到以差动放大器方式连接的运算放大器的输入,这个放大器则依序驱动一个推拉式匹配的双极晶体管所构成之输出级,输出级接着驱动补偿电流回路来驱使磁通梯度为零,使磁通量为零所需电流,经由雷射激光修整电阻转成电压输出。电流传感器的脚位如图4所示,图5则展示出可用的电流传感器家族,其范围由5到50安培.

应用 体积小、响应快、低价、线性的特性使磁阻电流感应器是提供最小电流调整率,最大功率50W,三相无刷(Brush less)马达脉冲波宽调变(PWM)控制器的最佳解决方案。电流感应器监控在+24V直流总线(BUS)上的电流,感应器的输出汇入比较器,藉由数字模拟转换器(DAC)来比较。DAC控制驱动的转矩基本上是靠着感应到的电流来决定比较器的触发时间。比较器的输出控制换向(Commutation Control)控制电路使其能触发3对MOSFET的闸极来驱动马达。当DAC的电压准位与马达驱动电流准位相同,比较器(经由控制器)控制晶体管的触发而能增加、保持或减少转矩,因此电流感应器可以同时当控制转矩的回授组件及故障情况的监视器。 NT磁阻电流感应器在马达驱动器的其它应用有传送(Conveyor)系统、储存(Storage)/撷取(Retrieval)系统、精密测量系统(Precision measurement)、….自动化导航系统(Automated guided vehicles)、电梯(Elevators)/电扶梯(Escalators)、拾放机(Pick and place machines)等,NT电流感应器亦可应用于不断电系统(UPS)、断路器(Circuit breaker),和其它各种负载的监测等等。


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